Дипломная работа: Разработка устройства кодирования-декодирования 32-х разрядных слов методом Хемминга
Рис. 1.1 — Схема системы связи
· ИИ - источник информации;
· БУ - блок уплотнения сообщений;
· КДШ, КДВ - кодеры внешний, внутренний;
· ПРШ, ПРВ - перемежители внешний, внутренний;
· М - модулятор;
· ПД - передатчик;
· ЛС - линия связи;
· ПР - приемник;
· Д - демодулятор;
· АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
· БДС, БПС, БЛС - блоки додетекторного, последетекторного, логического сложения;
· ДПШ, ДПВ - деперемежители внешний, внутренний;
· ДКШ, ДКВ - декодер внешний, внутренний;
· БР-блок разуплотнения сообщений;
· ПИ-получатель информации;
· КОС - канал обратной связи
Если скорости поступления сообщений от источников асинхронны по отношению к собственной тактовой частоте системы связи, БУ осуществляет асинхронный ввод сообщений. Для того чтобы при временном уплотнении различить сообщения на стороне приема, БУ формирует маркер, обозначающий место первого источника в общем цифровом потоке. Маркер повторяется периодически, образуя сигнал цикловой синхронизации. Кодер вводит избыточность в передаваемый поток двоичных символов, причем кодирование сообщений в зависимости от требуемой степени повышения помехоустойчивости может выполняться поэтапно и соответственно этапам различными кодерами. Первый после БУ кодер называют внешним (КДШ), последний - внутренним (КДВ). Сформированный кодером поток символов поступает в перемежитель. Во многих случаях ошибка в одном символе кода влечет за собой ошибки и в других смежных с ним символах той же последовательности, вызывая появление пакета ошибок на входе декодера, исправляющего ошибки. Если код рассчитан на исправление m ошибок на интервале из n смежных символов, а пакет ошибок вызывает больше чем m ложных символов, ошибка декодером не будет исправлена. Перемежитель разносит во времени смежные символы исходной кодовой последовательности более чем на n символов. При деперемежении на стороне приема разнесенные символы вновь собирают вместе; одновременно ошибки в пакете будут разнесены деперемежителем во времени более чем на n символов, и соответствующий деперемежителю декодер такие разнесенные ошибки сможет исправить. Перемеженная последовательность кодированных символов поступает в общем случае в несколько ветвей разнесения, каждая из которых содержит модулятор, передатчик, линию связи и приемник. В системах с линиями радиосвязи для борьбы с замираниями и узкополосными помехами, действующими в части частотного диапазона, применяют программную (или, как ее иногда называют, псевдослучайную) перестройку рабочих частот (ППРЧ), соответствующие устройства входят в состав передатчика и приемника.
Сложение сигналов в разнесенных ветвях на стороне приема может производиться как на входе демодулятора (додетекторное сложение), так и на его выходе (последетекторное сложение). В частности, если сигналы в ветвях некогерентны, последетекторное сложение называют квадратичным. Сравнительно недавно в системах связи с кодированными сигналами стали применять логическое объединение ветвей разнесения, реализующее последетекторный автовыбор ветви с наименьшим числом ошибок. Демодулятор (Д) производит оптимальную обработку элемента сигнала, заканчивающуюся обычно интегрированием со сбросом интегратора в определенный тактовый момент времени. Тем самым демодулятор дискретизирует во времени смесь огибающей сигнала с шумом. Формирование тактовых импульсов осуществляют устройства тактовой синхронизации, входящие в состав демодулятора. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на выходе демодулятора дискретизирует (квантует) смесь огибающей сигнала с шумом по уровню. При квантовании на два уровня декодируется двоичный сигнал. Максимальное число уровней квантования, как правило, не превышает 16. Обычно число уровней равно 2, 4, 8 или 16. Декодер, работающий с двоичным сигналом, называют жестким, с недвоичным - мягким. Для работы декодера необходимы специфические (групповые) тактовые импульсы, формируемые в тракте групповой синхронизации, входящем в состав декодера. Назначение декодера состоит в уменьшении числа ошибок в сообщениях, выдаваемых системой связи, путем использования избыточности, заложенной в символьный поток кодером. Часть системы связи, включающая линию (радио- или проводную), называется каналом. Часть системы от выхода модулятора до входа АЦП образует канал передачи-приема сигнала, непрерывного по уровню (но дискретного по времени). Часть системы от выхода модулятора до выхода АЦП образует канал с входным сигналом, непрерывным по уровню и времени, и с выходным дискретным сигналом. От входа модулятора до выхода АЦП имеем дискретный (по времени и уровню) канал. В двунаправленной системе связи обычно создают канал обратной связи, по которому осуществляют управление работой системы.
Схема на рис. 1.1 может видоизменяться в зависимости от конкретной реализации системы связи. В каналах действуют искажения сигналов, шумы, помехи, которые в дискретном канале проявляются в виде перехода одного значения символа в другое - ложное (событие, состоящее в появлении ошибки) или неиспользуемое (событие, которое называют стиранием). В зависимости от характера ошибок различают дискретные каналы: симметричный (все ложные значения символов равновероятны), асимметричный (некоторые ложные значения символов обладают большей вероятностью), без памяти (искажение символа не зависит статистически от искажения другого выходного символа), с памятью (искажение символа выходной последовательности зависит статистически от искажения другого символа той же последовательности), со стираниями (наряду с ошибками имеют место стирания символов).
Любой канал связи с ограниченными полосой частот, временем передачи и динамическим диапазоном (значений амплитуд) обладает конечной пропускной способностью. Теоретически пропускная способность - это максимальное число переданных двоичных единиц (бит) в единицу времени при сколь угодно малой вероятности ошибок. Реально получаемое число передаваемых бит в единицу времени называют скоростью передачи. При неограниченно малой вероятности ошибок скорость передачи всегда меньше пропускной способности. В канале с ошибками максимальное значение скорости получают путем использования помехоустойчивого кодирования. Последнее требует введения избыточности в передаваемый сигнал: по времени, частоте или амплитуде. Если код согласован с каналом, т. е. код позволяет исправлять наиболее вероятные ошибки, введенная избыточность становится оправданной. Если код не согласован с каналом, ошибки могут быть не только не исправлены, но и размножены кодом. В этом случае применение помехоустойчивого кодирования принесет не пользу, а вред. Для согласования кода с каналом связи необходимо иметь максимальный объем сведений о возможных мешающих влияниях в каналах.
Рис. 1.2 — Классификация помехоустойчивых кодов
К настоящему времени разработано иного различных помехоустойчивых кодов, отличающихся друг от друга основанием, расстоянием, избыточностью, структурой, функциональным назначением, энергетической эффективностью, корреляционными свойствами, алгоритмами кодирования и декодирования, формой частотного спектра. На рис 1.2 приведены типы кодов, различающиеся по особенностям структуры, функциональному назначению, физическим свойствам кода как сигнала. Наиболее важный подкласс непрерывных кодов образуют сверточные коды, отличающиеся от других непрерывных кодов методом построения и более широкой областью применения. В общем случае чем длиннее код при фиксированной избыточности, тем больше расстояние и тем выше помехоустойчивость кода. Однако длинные коды сложно реализуются. Составные коды дают компромиссное решение задачи, из них основное значение имеют каскадные коды и коды произведения. Как правило, каскадный код состоит из двух ступеней (каскадов): внутренней и внешней. По линии связи сигналы передают внутренним кодом nвт , символьные слова которого являются символами внешнего кода длины nвш . Основание внешнего кода равно qвт k . Коды произведения строят в виде матрицы, в которой строки суть слова одного кода, а столбцы - того же или другого кода. При формировании каскадного кода входную информационную последовательность символов разбивают на блоки по kвт символов в каждом, каждый блок сопоставляют с информационным символом внешнего кода из алфавита, содержащего qвт k значений символов. Затем kвш информационных символов внешнего кода преобразуют в блоки из nвш символов внешнего кода и, наконец, блоки из kвт информационных символов внутреннего кода преобразуют в блоки из nвт символов внутреннего кода. Возможны различные варианты: внешний и внутренний коды - блочные, внешний блочный - внутренний сверточный, внешний сверточный - внутренний блочный, внешний и внутренний сверточные.
Один из наиболее распространенных методов формирования кода произведения заключается в последовательной записи по k1 символов входной информационной последовательности в k2 строк матрицы (например, в ячейки памяти ОЗУ), добавлении избыточных символов по n1 -k1 в каждую строку и по n2 -k2 в каждый столбец, после чего в последовательность символов кода считывают по строкам или столбцам из матрицы. Физическим аналогом кода произведения является, в частности, частотно-временной код, у которого строки располагаются вдоль оси времени, а столбцы - по оси частот.
Параметры составных кодов: каскадных - n=nвш nвт , k=kвш kвт , d=dвш dвт ; произведения - n=n1 n2 , k=k1 k2 , d=d1 d2 . Производные коды строят на основе некоторого исходного кода, к которому либо добавляют символы, увеличивая расстояние (расширенный код), либо сокращают часть информационных символов без изменения расстояния (укороченный код), либо выбрасывают (выкалывают) некоторые символы (выколотый, или перфорированный код). Код Хэмминга дает пример процедуры расширения, увеличивающей расстояние кода с 3 до 4. Необходимость в выкалывании возникает в результате построения на основе исходного кода другого, менее мощного, более короткого кода с тем же расстоянием. При более широкой трактовке термина "производный код" к этому классу можно отнести все коды, полученные из исходного добавлением или исключением как символов, так и слов.
Формально деление кодов на двоичные и недвоичные носит искусственный характер; по аналогии следует выделять троичные, четверичные и другие коды большего основания. Оправдывается такое деление усложнением алгоритмов построения, кодирования и декодирования недвоичных кодов. При прочих равных условиях желательно, чтобы информационные и избыточные символы располагались отдельно. В систематических кодах это условие выполняется. В циклических кодах каждое слово содержит все свои циклические перестановки. Все n циклических перестановок (слова длины n) образуют цикл. В квазициклических кодах цикл образуется на числе символов n-1 или, реже, n 2. Циклические коды важны как с точки зрения математического описания, так и для построения и реализации кода.
Ошибки в каналах связи имеют самое различное распределение, однако для выбора помехоустойчивого кода целесообразно разделить все возможные конфигурации ошибок на независимые (некоррелированные) и пакеты (коррелированные ошибки). На практике приходится учитывать качество интервалов между пакетами: они могут быть свободными от ошибок или же содержать случайные независимые ошибки. Под корреляционными подразумевают коды, обладающие хорошими корреляционными свойствами, важными при передаче сигналов вхождения в связь, для повышения защищенности от некоторых видов помех, извлечения сигналов из интенсивных шумов, обеспечения многостанционного доступа, построения асинхронно-адресных систем связи. Корреляционные коды включают в себя пары противоположных сигналов с хорошей функцией автокорреляции (метод внутриимпульсной модуляции), импульсно-интервальные коды, имеющие на фиксированном интервале времени постоянное для всех слов кода число импульсов с неперекрывающимися (при любом взаимном сдвиге слов во времени) значениями интервалов между импульсами, ансамбли сигналов с хорошими взаимокорреляционными свойствами.