Введение к работе
Актуальность работы.
Широкое применение персональных ЭВМ привело к необходимости создания средств обмена информацией между различными пользователями. При этом наиболее распространенным трактом передачи дискретных сообщений является телефонный (ТЛФ) канал.
Вероятность ошибки в дискретных каналах на основе ТЛФ каналов связи находится в пределах 10"2-10~! В то же время допустимое значение вероятностей ошибки для современных систем передачи данных находятся в пределах 10"б-10"8на знак, а в некоторых случаях еще ниже - 10"7-10"10. Отсюда очевидна необходимость применения средств защиты от ошибок.
Поиск методов и устройств повышения качества передачи данных является непреходящей задачей для ученых и инженеров, работающих в области связи. Современное состояние этой проблемы достаточно полно отражено в многочисленных публикациях зарубежных и отечественных авторов, в том числе в научных трудах известных ученых и специалистов связи: Кловского Д.Д., Зяблова В.В., Варакина Л.Е., Витерби А.Д., Месси Дж., Блейхута Р. и др.
Специфика передачи данных по стандартным ТЛФ каналам показывает, что подавляющее число ошибок обусловлено помехами, сосредоточенными во времени, а именно кратковременными перерывами связи (80) и импульсными помехами (10% - 20%), что вызывает естественное группирование ошибок в пакеты. В этих условиях наилучшие результаты обеспечиваются исправлением ошибок за счет применения переспроса и кодов, обнаруживающих ошибки. Однако не всегда имеется возможность организовать обратный канал. Тогда с целью повышения эффективности кодов, исправляющих ошибки или ошибки и стирания, применяют либо декорреляцию ошибок, либо специальные коды, исправляющие пакеты ошибок.
Для декорреляции ошибок находят применение различные методы, например: модемы со сложными сигналами; специальные устройства перемежешя; сверточные коды с большим кодовым ограничением; каскадные коды на основе блочных и сверточных кодов; алгоритмы декодирования, обеспечивающие внутреннее перемежение.
Сложность реализации устройств формирования и обработки сложных сигналов, перемежения, декодирования длинных кодов является одним из основных прнпятствий их широкого практического
использования. Однако положение постепенно изменяется с одной стороны за счет разработки модемов и кодеков, встроенных в персональные ЭВМ, и с другой - появления быстродействующей элементной базы, позволяющей реализовать скоростные алгоритмы работы цифровых модемов и кодеков.
Результаты исследования сложных сигналов в нестационарных каналах показывают, что получающийся при этом энергетический выигрыш не обеспечивает необходимого качества передачи без использования помехоустойчивого кодирования. Так в ТЛФ канале с кратковременными занижениями уровня хорошие результаты дает применение последовательных сложных сигналов (называемых также шумо-подобными (ШПС)) совместно со сверточным кодом.
При одинаковой сложности декодеров сверточные коды в сравнении с блочными позволяют исправлять больше ошибок и, следовательно, имеют более высокий энергетический выигрыш. Известны эффективные алгоритмы декодирования сверточных кодов: Витерби, пороговые, последовательные и др. Существуют различные модификации пороговых декодеров - детерменированные, с обратной связью, многоступенчатые, отличающиеся по сложности и степени приближения к оптимальному декодеру. Алгоритмы многоступенчатого декодирования предложены в работах Дне. Месси, практически реализованы и исследованы Брауде-Золотаревым Ю.М., Макаровым А.А. и др. Актуальной является задача дальнейшего исследования этих алгоритмов с целью оптимизации параметров кодеков и лучшего их согласования со свойствами реальных каналов связи, в том числе каналов с ШПС.
Современное состояние вычислительной техники позволяет изучить эти вопросы, используя статистические методы на основе вероятностного моделирования алгоритмов декодирования и устройств формирования и обработки сигналов.
Цель работы. Исследование эффективности помехоустойчивого кодирования при передаче данных сложными сигналами в ТЛФ каналах в условиях действия сосредоточенных во времени помех на фоне случайных изменений уровня сигнала; разработка и исследование алгоритмов порогового декодирования сверточных кодов в каналах со сложными сигналами.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие
основные задачи:
-
Исследование требований к параметрам ШПС, позволяющим получить канал передачи данных заданного качества в условиях сосредоточенных во времени и флуктуационных помех.
-
Разработка моделей ТЛФ канала передачи данных без ШПС и с ШПС, отображающих изменения уровня сигнала на фоне сосредоточенных и флуктуационных помех.
-
Разработка критерия оценки эффективности совместного применения ШПС и корректирующих кодов.
-
Исследование сверточных кодов и пороговых алгоритмов декодирования с целью определения характеристик сверточных кодеков и их оптимизации для защиты от ошибок в ТЛФ каналах передачи данных.
-
Исследование и разработка итерационных алгоритмов декодирования сверточных кодов и оценка их эффективности.
-
Разработка имитационных моделей сверточных кодеков и соответствующих программных средств.
-
Разработка методики и алгоритмов статистического анализа характеристик ТЛФ канала и устройств защиты от ошибок (УЗО) на ЭВМ с использованием моделей дискретного канала и УЗО.
Методы исследования. Теоретические результаты работы получены на основе применения методов статистической радиотехники, теории вероятностей, математической статистики и математического анализа. Экспериментальные исследования проведены путем имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна работы.
-
Определены условия получения канала передачи данных заданного качества при использовании последовательных сложных сигналов в ТЛФ канале с сосредоточенными во времени помехами.
-
Разработана модель дискретного ТЛФ канала, отображающая сосредоточенные во времени и флуктуационные помехи на фоне случайных изменений уровня сигнала и модель ТЛФ канала с ШПС, позволяющие получить нестационарный поток ошибок для статистических испытаний системы передачи данных на ЭВМ.
-
Определена функциональная зависимость характеристик ТЛФ канала и внутренних параметров модели дикретного канала.
-
Разработана методика анализа и расчета вероятности ошибки декодирования для итерационных пороговых алгоритмов декодирования сверточных кодов, доказана необходимость изменения уровня порогов на различных итерациях для дискретного канала низкого качества.
-
Определена предельная вероятность ошибки на входе декодера сверточного кода, при которой еще отсутствует размножение ошибок, показаны пути увеличения'этой вероятности.
-
Определены условия, при которых вероятность ошибки декодирования итеращонного декодера может быть получена сколь угодно малой, предложена методика оценки вероятности ошибки декодирования при невыполнении этих условий.
-
Предложены модификации итерационных пороговых алгоритмов декодирования сверточных кодов, повышающие эффективность их применения в нестационарных каналах передачи данных (с сосредоточенными и флуктуационными помехами).
-
Предложен критерий оценки эффективности совместного применения ШПС и кода в каналах с сосредоточенными во времени помехами, позволяющий сравнить энергетический выигрыш рассматриваемого метода с другими методами исправления ошибок, получены количественные оценки сравнения.
Практическая ценность.
-
Предложенные модели ТЛФ каналов, в том числе с ШПС, и методика статистических исследований позволяют проводить статистические испытания и оценку эффективности различных алгоритмов и устройств защиты от ошибок.
-
В результате анализа алгоритмов итерационного порогового декодирования получены математические выражения для расчета вероятности ошибки декодирования и предельной вероятноети,при которой начинается размножение ошбок в пороговом декодере, пригодные для инженерной практики.
-
Предложенные модификации алгоритмов итерационного порогового декодирования сверточных кодов позволяют:
увеличить длительность пакетов исправляемых ошибок примерно в 1.5 раза;
уменьшить вероятность ошибки декодирования;
упростить программную реализацию пороговых декодеров на микропроцессорах и микро-ЭВМ.
4. Рекомендации по применению сверточных кодов и совместному
использованию сверточных кодов и ШПС позволяют повысить эффективность передачи данных в нестационарных каналах, в том числе ТЛФ каналах с сосредоточенными во времени помехами.
Внедрение результатов работы.
Проведенные исследования являются частью научно-исследовательской работы, ведущейся на кафедре "Радиотехнические системы" СибГАТИ; ее результаты использованы в отчетах НИР, ведущихся на кафедре, и в учебном процессе, о чем имеются соответствующие акты.
диссертационная работа выполнялась в рамках комплексной программы фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской федерации "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий" в части НИР "Исследование и разработка методов и устройств защиты от ошибок в нестационарных каналах передачи информации".
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических семинаров и конференций. Среди них:
1. Всероссийская научно-техническая конференция "ЦСП-92"
(Новосибирск,1992).
-
3-я конференция стран СНГ по морской сейсмологии и сейсмометрии (Москва,1993).
-
Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио (Новосибирск,1993).
-
Российская научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск,1994).
-
Международная научно-техническая конференция "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (Новосибирск,1994).
-
2-я международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск,1994).
По результатам выполненной работы опубликовано 10 печатных трудов.
Основные результаты, представляемые к защите. 1. Результаты исследования зависимости качества дискретного канала от параметров последовательных сложных сигналов в ТЛФ ка-
налах с сосредоточенными во времени помехами.
-
Модель дискретного канала, отображающая сосредоточенные во времени и флуктуационные помехи на фоне случайных изменений уровня сигнала, и модель дискретного канала с ШПС, позволяющие получить нестационарную последовательность ошибок для статистических испытаний системы передачи данных на ЭВМ.
-
Методика и результаты анализа итерационных алгоритмов декодирования сверточных кодов, методы расчета вероятности ошибки декодирования и предельной вероятности размножения ошибок.
4. Модифицированные итерационные алгоритмы декодирования
сверточных кодов:
алгоритм с изменяющимся уровнем порога;
блочный итерационный алгоритм;
- алгоритм с предсказанием пакета ошибок (вероятностный
алгоритм);
- блочно-непрерывный алгоритм.
-
Методика и результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований эффективности применения сверточных кодов и совместного применения ШПС и сверточных кодов в ТЛФ канале с кратковременными перерывами связи.
-
Результаты статистических исследований и сравнительный анализ применения ШПС и перемежения со сверточным кодом в ТЛФ канале.
-
Конвейерный и сканирующий методы реализации итерационных алгоритмов сверточных кодов на ЭВМ.
Структура и объем работы. диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 3 приложения и список используемой литературы из 76 наименований.
Похожие диссертации на Исследование эффективности помехоустойчивого кодирования при передаче данных сложными сигналами в телефонных каналах
