Введение к работе
Аннотация
Диссертация посвящена разработке универсальной архитектуры мягких декодеров линейных блочных кодов и исследованию её аппаратной реализации. Универсальность разработки подразумевает возможность декодирования произвольного короткого блочного линейного кода на основе данной архитектуры. В работе проведен анализ возможности обмена аппаратной сложности модулей декодера на быстродействие, по результатам чего были разработаны два варианта архитектуры декодеров с взаимообратными характеристиками быстродействия и объема занимаемых ресурсов. Разработана методика, позволяющая на основе выбранного варианта архитектуры синтезировать аппаратный мягкий декодер произвольного короткого линейного блочного кода на базе ПЛИС или СБИС.
В процессе разработки структурной схемы декодеров была проведена декомпозиция функций мягкого декодирования на ряд самостоятельных структурных модулей, в результате чего были предложены аппаратные реализации процедур сортировки, процедур приведения проверочной матрицы кода к ступенчато-приведенному виду, процедур формирования множества гипотез кодовых слов, процедуры обратной перестановки кодовых слов. При этом некоторые из данных процедур реализованы с различной степенью параллелизма.
На базе ПЛИС XCV600E-6HQ240C были реализованы оба варианта архитектур мягкого декодера квадратично-вычетного кода (48, 24, 12) - одного из самых эффективных коротких блочных кодов. Декодеры оформлены в виде библиотечных элементов для их использования как в виде отдельной микросхемы ПЛИС, так и в составе произвольных устройств цифровой обработки, реализованных на ПЛИС. Для испытания реализованных на ПЛИС декодеров был разработан испытательный стенд кодеков (кодер-декодеров). В результате экспериментального исследования декодера кода (48, 24, 12) на
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПстсфру -> J
стенде были получены вероятностные характеристики декодера для различных параметров канала и различных параметров декодирования.
Актуальность работы
Современные системы телекоммуникаций практически невозможно представить без применения корректирующих кодов, причем большое количество систем связи накладывают ограничения на длину используемого помехоустойчивого кода, что определяется требованиями на минимальные временные задержки передачи информации. При всем многообразии кодов известно весьма ограниченное количество именно коротких кодов, для которых получены характеристики близкие к теоретически возможным и разработаны алгоритмы декодирования с приемлемой для реализации в современной аппаратуре сложностью. В настоящее время не известны аппаратные декодеры коротких блочных кодов, обладающих вероятностными характеристиками декодирования по методу максимального правдоподобия, которые были бы робастны к отношению сигнал/шум (т. е. не требовали бы адаптивных перестроек при изменении отношения сигнал/шум в канале). Предлагаемая в данной работе архитектура декодеров приемлемой сложности для коротких блочных кодов отвечает выдвинутым требованиям и является инвариантной для произвольных коротких линейных блочных кодов.
Разработанная методика синтеза декодеров позволяет
разработчику легко сконфигурировать предложенную
архитектуру для аппаратной реализации мягкого декодера
произвольного короткого блочного кода. Причем различные
варианты предложенных архитектур обеспечивают
дополнительную гибкость при оптимизации структуры декодеров в зависимости от того, является ли приоритетным быстродействие декодера или уменьшение его аппаратных затрат. Построенный таким образом декодер может использоваться как самостоятельно, так и в качестве одной из
ступеней при каскадировании кодов, в частности при разработке турбо-кодеков на основе блочных кодов.
В свете вышесказанного можно заключить, что создание универсальной структуры декодеров коротких блочных кодов является актуальной задачей, не решенной в настоящее время в полной мере.
Цели диссертационной работы.
Разработка и исследование универсальной архитектуры аппаратного мягкого декодирования коротких линейных блочных кодов.
Создание методики, позволяющей аппаратно реализовать и оптимизировать мягкий декодер произвольного короткого блочного кода.
Разработка и экспериментальное испытание мягкого декодера квадратично-вычетного кода (48, 24, 12). Научная новизна работы.
Разработанная архитектура аппаратного мягкого декодирования является универсальной для класса коротких линейных блочных кодов, имеет приемлемую аппаратную сложность и обеспечивает минимальные временные задержки обработки.
Разработанная методика синтеза аппаратных мягких декодеров произвольных коротких линейных блочных кодов позволяет гибко оптимизировать разработанные декодеры по параметрам быстродействия и объема аппаратных ресурсов.
При аппаратном декодировании в реальном времени коротких линейных блочных кодов впервые достигнуты характеристики, сопоставимые с характеристиками декодирования по методу максимального правдоподобия. В частности в декодере кода (48, 24, 12) вероятность ошибки на бит 10" достигнута при отношении сигнал/шум 5 дБ, а вероятность ошибки на бит 10"9 - при отношении сигнал/шум 6.4 дБ.
4. Быстродействие разработанного декодера инвариантно к
отношению сигнал/шум в широком диапазоне.
Отсутствует необходимость в адаптивных подстройках и
итеративных процедурах в декодере при изменении
отношения сигнал/шум.
Практическая значимость диссертационной работы.
В приложениях, где имеются ограничения на длину кода, разработанные декодеры показывают лучшие вероятностные характеристики, чем у других декодеров коротких кодов. Использование разработанных декодеров позволяет повысить достоверность передачи информации и получить энергетический выигрыш в динамическом диапазоне сигнала. Разработанная методика синтеза аппаратных декодеров произвольных коротких линейных блочных кодов представляет собой практически значимый инженерный инструментарий, не имеющий известных аналогов.
Методы исследований.
В работе был использован аппарат теории вероятностей, комбинаторики и статистики, теории случайных процессов и теории автоматов. Экспериментальные результаты были получены с применением компьютерного имитационного моделирования и с использованием программных средств дизайна цифровых схем на ПЛИС.
Достоверность полученных результатов.
Адекватность реализованных декодеров их
математическим моделям подтверждена экспериментально полученными вероятностными характеристиками аппаратного декодирования, которые весьма точно совпадают с расчетными и сопоставимы с характеристиками декодирования по методу максимального правдоподобия (т. е. с теоретически наилучшими).
Внедрение результатов.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры «МРТУС» Московского государственного института электронной техники и
являлась составной частью мероприятий проектно-конструкторской деятельности ООО «Кедах Электронике Инжиниринг» по созданию аппаратного канального кодека. На базе ПЛИС были реализованы два варианта мягкого декодера квадратично-вычетного кода (48, 24, 12). Разработан испытательный стенда аппаратных кодеков, позволяющий осуществлять экспериментальное исследование декодеров. В результате замены жесткого декодера кода (48, 24, 12) разработанным мягким декодером в цифровом радиомодеме системы Link Rider RD 3.5/8 был получен энергетический выигрыш в 2 дБ динамического диапазона сигнала, что позволило увеличить дальность пролета радиорелейной линии системы в 1.26 раз. О вышеприведенных результатах свидетельствует соответствующий акт о внедрении.
Личный вклад автора.
Основные результаты, полученные автором.
Проведен анализ методов мягкого декодирования линейных блочных кодов, по результатам чего была сформулирована проблема недостаточной эффективности существующих методов при их использовании для аппаратного декодирования коротких кодов.
Разработана универсальная архитектура аппаратных декодеров коротких линейных блочных кодов.
Разработана методика синтеза аппаратных декодеров на основе разработанной архитектуры.
Проведены аппаратная реализация на базе ПЛИС и экспериментальное исследование двух вариантов мягких декодеров квадратично-вычетного кода (48, 24, 12).
Разработан испытательный стенд кодеков, реализованных на ПЛИС.
На защиту выносятся.
1. Универсальная архитектура мягких декодеров коротких
линейных блочных кодов. Мягкое декодирование
линейного блочного кода с параметрами (п, к)
«быстродействующим» вариантом декодера
осуществляется за 2п + 4(п-к) + \Ц + \ +N ',*„„
аппаратных тактов, где |D| - объем множества тестовых
векторов ошибок (например, для кода (48, 24)
оптимальным признано JD|=250), a NMAX рыт - число
перестановок стобцов проверочной матрицы кода (для
кода (48, 24) #'*%„„ =8).
2. Методика синтеза аппаратных декодеров, позволяющая
реализовать мягкий декодер произвольных коротких (для
эффективной реализации на ПЛИС длина блока не
больше 64) линейных блочных кодов.
5. Реализованный на микросхемах ПЛИС мягкий декодер
квадратично-вычетного кода (48, 24, 12). Для
вероятности ошибки на блок в диапазоне 10"' - 10'5 при
декодировании обеспечивается близость к нижней
границе Шеннона не хуже, чем 0.5 дБ; вероятность
ошибки на бит 10'6 достигнута при отношении
сигнал/шум 5 дБ, а вероятность ошибки на бит 10'9 - при
отношении сигнал/шум 6.4 дБ. Это сопоставимо с
результатами декодирования по методу максимального
правдоподобия. Для аппаратных декодеров коротких
кодов такой результат получен впервые.
Апробация работы.
Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «МРТУС», на научно-технических совещаниях фирмы КЕЕ, а также научно-технических конференциях всероссийского и международного значения. Публикации.
Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в двух научных статьях и восьми докладах в трудах российских и международных научно-технических конференций, в том числе 5 работ опубликовано без соавторства.
Структура и объем работы.
