автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Исследование эффективности помехоустойчивого кодирования при передаче данных сложными сигналами в телефонных каналах

Г I и " ■ ■

- 8 МАЙ 1995

На правах рукописи

Артемова Ольга Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ СЛОЖНЫМИ СИГНАЛАМИ В ТЕЛЕФОННЫХ КАНАЛАХ

Специальность 05.12.02 - Системы и устройства передачи

информации по каналам связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1995

Работа выполнена в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и инфоратики

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шувалов В.П. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Трофимов В.К., кандидат технических наук, доцент Серых В.И. Ведущее предприятие - Конструкторско-технологический институ

вычислительной техники СО РАН

Защита состоится "24 " мая 1995 г. в 12 часов на заседании специализированного Совета Д 118.07.01 при Сибирско государственной академии телекоммуникации и информатики п адресу: 630102, Новосибирск, ул.Кирова,86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан " " ОлрелЯ. 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., профессор

ч

и,\

Крук Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-Ю"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 перемежения; 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 препятствий 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 - детерманированные, с обратной связью, многоступенчатые, отличающиеся по сложности и степени приближения к оптимальному декодеру. Алгоритмы многоступенчатого декодирования предложены в работах Дж. Месси, практически реализованы и исследованы Брауде-Золотаревым Ю.М., Макаровым A.A. 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:

1. Исследование требований к параметрам ШПС, позволяющим получить канал передачи данных заданного качества в условиях сосредоточенных во времени и флуктуационных помех.

2. Разработка моделей ТЛФ канала передачи данных без ШПС и с ШПС, отображающих изменения уровня сигнала на фоне сосредоточенных и флуктуационных помех.

3. Разработка критерия оценки эффективности совместного применения ШПС и корректирующих кодов.

4. 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.

5. Исследование и разработка итерационных алгоритмов декодирования сверточных кодов и оценка их эффективности.

6. Разработка имитационных моделей сверточных кодеков и соответствующих программных средств.

7. 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.

1. Определены условия получения канала передачи данных заданного качества при использовании последовательных сложных сигналов в ТЛФ канале с сосредоточенными во времени помехами.

2. 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.

3. Определена функциональная зависимость характеристик ТЛФ канала и внутренних параметров модели дикретного канала.

4. 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.

5. Определена предельная вероятность ошибки на входе декодера сверточного кода, при которой еще отсутствует размножение ошибок, показаны пути увеличения'этой вероятности.

6. Определены условия, при которых вероятность ошибки декодирования итерационного декодера может быть получена сколь угодно малой, предложена методика оценки вероятности ошибки декодирования при невыполнении этих условий.

7. Предложены модификации итерационных пороговых алгоритмов декодирования сверточных кодов, повышающие эффективность их применения в нестационарных каналах передачи данных (с сосредоточенными и флуктуационными помехами).

8. 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.

1. 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.

2. В результате анализа алгоритмов итерационного порогового декодирования получены математические выражения для расчета вероятности ошибки декодирования и предельной вероятности,при которой начинается размножение ошибок в пороговом декодере, пригодные для инженерной практики.

3. 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).

2. 3-я конференция стран СНГ по морской сейсмологии и сейсмометрии (Москва,1993).

3. Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио (Новосибирск,1993).

4. Российская научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск,1994).

5. Международная научно-техническая конференция "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (Новосибирск,1994).

6. 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.

2. 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.

3. 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.

5. 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.

6. Результаты статистических исследований и сравнительный анализ применения ШПС и перемежения со сверточным кодом в ТЛФ канале.

7. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность'решаемых задач, сформулирована цель и основные направления исследований.

В первой главе дана общая характеристика проблемы защиты от ошибок в ТЛФ каналах. Рассмотрены основные типы помех в ТЛФ каналах и их математическое описание, отмечено, что основной причиной

возникновения ошибок в ТЛФ каналах являются помехи, сосредоточенные во времени.

Одно из направления борьбы с сосредоточенными во времени помехами предполагает выбор системы сигналов, наименее подверженных влиянию помех этого типа. Метод обработки сигналов на приеме определяется структурой передаваемых сигналов. В настоящей диссертационной работе рассматриваются последовательные (одноканаль-ные) системы, использующие дискретные сложные сигналы (ШПС).

■ Оценка применимости ШПС в ТЛФ каналах проведена в предположении того, что длина ШПС может изменяться в широких пределах вплоть до полной декоррелящш пакета ошибок, вызванного кратковременным перерывом связи. Получена связь вероятности ошибки на выходе канала Р^ с длиной ШПС и длиной кратковременного перерыва в пределах заданного доверительного интервала. При этом доверительная вероятность определена в соответствии с выражением

(3=0.5(1+Ф(—Ш—)), И)

4 0.5Рот

где Рт= Т(Кшл,т) - (2)

средняя вероятность ошибки на выходе канала с ШПС; т -коэффициент, соответствующий виду модуляции; ^-длина ШПС; д -число искаженных элементов ШПС; Д*;-зависит от способа приема (когерентный, некогерентный).

Определена минимально необходимая длина ШПС, позволяющая получить заданное качество передачи данных при известной статистике кратковременных перерывов в ТЛФ канале. Показано, что для получения удовлетворительного качества передачи данных длина ШПС должна быть, как правило, не менее десяти тысяч кодовых символов, что затрудняет реализацию устройств формирования и оптимальной фильтрации ШПС. Показана целесообразность использования методов помехозащитного кодирования в каналах с ШПС.

Во второй главе решается задача дискретного математического и имитационного моделирования ТЛФ канала с учетом комплекса помех. Дан анализ известных моделей, учитывающих особенности передачи данных в ТЛФ каналах.

При построении модели ТЛФ канал рассматривается как канал с переменными параметрами.

Структура моделирования канала связи или процесс преобразования случайного сигнала и помех в дискретную последовательность

ошибок и стираний представлена на рис.1. Здесь ?11Ц1)]~ функция преобразования непрерывного случайного процесса в дискретный с к состояниями, 12[е1]- функция принятия решения о появлении ошибок или ошибок и стираний.

Функция преобразования ШЦг)} для ТЛФ канала с кратковременными перерывами получена с использованием каскадного принципа построения модели. Для получения дискретного отображения непрерывного канала с относительно медленно меняющимися параметрами использована стационарная цепь Маркова с й состояниями.

MIL,

F1(X(t)) —-— а , F2[eiJ

« * * •

у =0 -нет ошибки

1 =1 -ошибка ' 2

у3=е -стирание

Рис.1. Структура модели дискретного канала.

Формируемая последовательность ошибок при этом полностью определяется матрицей переходных вероятностей вида

О ... О

О ... О

о 0 0

21 22 23

0

ОО 01

Р Р Р О 10 11 12

(3)

0 0 0 0 --^.Ь-Л-ик-г

и условными вероятностями ошибок в каждом из состояний с0.е _____е . Переходные вероятности определены с использованием теории выбросов случайных процессов

где TB(Hi) -средняя длительность выбросов случайного процесса H(t) над уровнем Н{; То -длительность элемента сигнала; Pt - финальные вероятности состояний.

Кратковременные перерывы связи, определяемые функцией распределения длительностей W(tn) и вероятностью появления Рп учитываются введением дополнительного состояния более высокого уровня, переход в которое возможен из любого другого состояния канала. Последовательность состояний "есть перерыв", "нет перерыва" также является марковским процессом, полностью определяемым матрицей

переходных вероятностей

Поо По1

П =

Пю Пи

и условной вероятностью ошибки в состоянии перерыва ед.

Имитация случайного потока ошибок или ошибок и стираний производится с помощью генератора случайных чисел ЭВМ исходя из полученной последовательности состояний. Решение об ошибках или стираниях принимается в соответствии со следующим правилом:

где Ж(:г , ) -случайное число в состояниях (Ы<п; Ш(х „ ) -

02* 1 < п п£ 1 < к

случайное число в состояниях тг«1<й (зона стирания); е -символ стирания.

Учитывая цель диссертационной работы, на выходе модели канала связи предусмотрена имитация оптимальной фильтрации ШПС, что позволяет на модели изучать вопросы применения ШПС для передачи данных в ТЛФ канале как отдельно, так и в сочетании с другими методами защиты от ошибок.

Разработано программное обеспечение для имитации нестационарного потока ошибок, в дальнейшем используемое для статистических исследований свойств ТЛФ канала и устройств защиты от ошибок.

Рассматриваются вопросы адекватности предлагаемой модели известным математическим описаниям потока ошибок в ТЛФ канале.

Третья глава посвящена анализу кодовых и комбинированных методов защиты от ошибок в ТЛФ каналах передачи данных с кратковременными перерывами и разработке алгоритмов декодирования свер-точных кодов.

Для декодирования сверточных кодов с большим кодовым ограничением п используются пороговые алгоритмы декодирования, относительно просто реализуемые в сравнении с алгоритмом Витерби и последовательным алгоритмом. Учитывая, что алгоритм порогового декодирования по энергетическому выигрышу (ЭВК) уступает алгоритму оптимального декодирования (в том числе и декодеру Витерби), предложен алгоритм итерационного порогового декодирования свер-точного кода, позволяющий по качеству декодирования приблизиться к оптимальному алгоритму.

Для исследования влияния свойств канала связи и характерис-

[ если Ш(:г Е2(е1)=\ если Щх

I

п£1 <к

<п

;>е{, то у=1, иначе у=0 )>£,, то у=е, иначе 7=0 •

тик известных корректирующих кодов использованы понятия средней вероятности ошибки и ЭВК.

Показано, что в условиях кратковременных перерывов связи высокий энергетический выигрыш (ЭВК > 15дБ) могут обеспечивать сверточные коды, имеющие кодовое ограничение п > 1п (1п-средняя длительность перерыва) и сравнительно малое эффективное кодовое ограничение пэ«п, т.е. такие сверточные коды, которые имеют большое кодовое ограничение и малое число ортогональных проверок J«п . При этом эффективно используется свойство перемежения элементов сверточного кода.

Предложены модифицированные итерационные алгоритмы декодирования сверточных кодов и исследована их эффективность при работе как в канале с пакетами ошибок, так и в канале с независимыми ошибками. В основу предлагаемых модификаций алгоритмов положена оценка качества канала связи по спектру весов проверочных соотношений в пороговом устройстве декодера.

Получено выражение для расчета средней вероятности ошибки й-ого символа на 1-той итерации Рд*'в итерационном пороговом декодере

где 1Уг -весовые коэффициенты; А-^ -ортогональные оценки J проверок; Т -порог; Щ * ) означает необходимость усреднения по всем значениям ^ в 1 канале с переменными параметрами; в канале с постоянными параметрами коэффициенты ^ не изменяются.

Первый член суммы (3) определяет вероятность пропуска ошибочного символа (е£=1), второй - вероятность обнаружения (и исправления) ошибки, когда в канале ошибки не было (е£=0).

Анализируя уравнение (3), можно найти такое значение порога Т, при котором Рд^"1'»Рд^1> т.е. когда итерации позволяют уменьшить вероятность ошибки на выходе декодера.

Для декодера с жестким решением (14-^=1 для всех I) выражение (3) можно привести к виду, удобному для анализа

(4)

р (и п1(\ рт->1 ср( 1 >■>

" £ Р1 ) ^I ; *

1=Т+ 1

1 V,1 гг }

1 = Т+ 1

(1).

1-Г1-2Р0'пЛ

е"=0 к

ошиб-исправлении проверочном

где Р\"=-- -вероятность того, что при

ка обнаружится и будет принято неверное решение об ошибки, которая равна нечетному числу "1" в 1-ом уравнении; пг -объем I-ой проверки.

Вероятность ошибки декодирования равна вероятности ошибки в последней итерации. Проведенный анализ показывает, что максимально необходимое число итераций практически не превышает 5+6, а среднее число итераций в итерационном пороговом декодере с предсказанием зависит от вероятности ошибки и в стандартном ТЛФ канале с кратковременными перерывами связи равно 1.05+1.1.

На рис.2 показан характер зависимости вероятности ошибки декодирования Рд от вероятности ошибки в канале Р. Процесс итераций показан на рис.2 пунктиром. При этом процесс итераций сходится при Р < Pon (Рвп- предельная вероятность ошибки, при которой еще нет размножения ошибок ) в точке [0,0], а при Р > Р в точке [0.5,0.5], так как P^J< Pg^"n при Р < Роп и P^J > рЦ_1) при Р > Р ; точка 1Р ,Р ] является точкой неустойчивого равно-

ОП ОП OR г

весия.

Вероятность Роп определена из условия Рд^^Рд^'1 >=Р . причем значение предельной вероятности Роп зависит не только от параметров кода, но и от характеристик декодера, в частности от уровня порога Т. Расчеты показывают, что уменьшение уровня порога на итерациях приводит к уменьшению Р .

о п

РЗ

0.5

О

V, 7

у / У t

/ /

-у

I 1 . У 1 ' \ г А 1

1 1 1

Pt

0.5

Рис.2. Зависимость Р3=/(Р):1.Дискретный канал без декодера; 2.АВ декодер; 3.Пороговый декодер.

Поскольку в..пороговом декодере Роп<0,5, .то вероятность того, что на отдельных участках декодируемой.последовательности символов вероятность ошибки превысит Р отлична от нуля, и тогда в результате эффекта размножения появятся ошибки, которые не могут быть исправлены на последующих итерациях. Это приведет к увеличению ошибки декодирования на некоторую величину ¿Р, к которой будет стремиться Рд с увеличением числа итераций.

Получена оценка вероятности дР в предположении, что событие Р > Рпп будет иметь место на первой итерации

п-к)

Е и Р(ь), (6)

1) = Р- (п-к) оп

где Р(у)-вероятность того, что в последовательности из п стволов и ошибок.

Более точная оценка вероятности ошибки декодирования для итерационного декодера получена в главе 4 по результатам статистических испытаний модели декодера на ЭВМ, так как эта оценка определяется как характеристиками конкретного кодека, так и свойствами канала.

Анализ совместного применения сверточного кода с ШПС проведен в сравнении с использованием перемежителя и алгоритмом пере-межения кода* .

Получены выражения для оценки средней вероятности ошибки на входе и выходе декодера при использовании в канале с кратковременными перерывами ШПС или перемежения, что позволило найти длительность исправляемых кратковременных перерывов I при заданном качестве декодирования. Для канала с ШПС средняя вероятность ошибки на интервале декорреляции ШПС Р(I ) для перерыва длины 1т определяется выражениями

р<гтн> 11 Нш+\п-1 [ Д * №ш>1т-т>]

при 1п.£ Пш ;

* Перемежение кода осуществляется чередованием выходных символов .(..одинаковых кодеров (п,Ю кода. При этом образуется сверточный '(1п,1к)~ код, позволяющий исправлять пакеты ошибок в I раз большей длины.

I lm-1 [ £ + 0.5 dnrN^1) J (7)

при гП1>мш .

В каналах без ШПС, но с перемежителем

Win**-5 ln/Nn lm<Nn>*n>0- <8>

Перемежитель реализуется на ЭВМ в виде алгоритма псевдослучайного

перемежения. Длина интервала перемежения Nn выбирается возможно ближе к анализируемой в данном случае длине ШПС tf .

Предложена методика использования понятия энергетического выигрыша для оценки эффективности применения ШПС и кодов в условиях действия сосредоточенных во времени помех. С учетом длин исправляемых кратковременных перерывов получены выражения для оценки энергетического выигрыша:

а) при использовании ШПС, в сравнении с обычными сигналами

N - I

ЭВМ =10log Г -У-^ FT о] ; (9)

•-2 J

Lnu

б) при использовании корректирующего кода совместно с ШПС, по сравнению с каналом с ШПС без кодирования

(IV -lll)) Zi2>k

ЭВК = to log Г—ш п"—], (10)

L fff -1 С2) I (I)n. -I

где -исправляемое значение пакета ошибок в канале без помехозащитного кодирования; соответствующее значение с кодом; определяются экспериментально или вычисляются при заданном значении вероятности ошибки на выходе канала.

Соответственно, общий выигрыш (ЭВМ) по сравнению с каналом без ШПС и без помехозащитного кодирования определяется суммой

ЭВКШ - ЭВШ + ЭВК . (11)

Сравнить энергетический выигрыш исследуемых методов исправления пакетов ошибок позволяют графики, представленные на рис. 3.

Выяснена функциональная связь между величиной кодового ограничения, длиной ШПС, длиной перемежителя и длительностью кратковременного перерыва связи, что позволяет при известных характеристиках канала сформулировать рекомендации для выбора длины ШПС, кодового ограничения и числа итераций с учетом сложности реализации кодека и оптимального фильтра ШПС. Однако, в любом случае необходимо, чтобы а п+Иш» 1п.

ЭВК (дб)

14

1-пороговый декодер (1 итерация) ДКН

2-йороговый декодер (5 итераций,переменный порог) ДКН-5ИТ

3-ШПС( 1024-)+ ДКН-5И (постоянный порог)

4-ШПС(1024)+ДКН-5ИТ

5-ШС( 1024)+ДКН-5МТ с поправкой

6~ШПС( 1024)

7-ШПС+ДКН

8-перемежитель+ДКН Рис.3. Зависимость ЭВК от длительности перерыва связи.

Теоретические исследования подтверждаются экспериментальными данными, полученными с помощью имитационных моделей канала передачи данных для различных модификаций декодеров. Для получения количественных оценок использованы коды (404,202) со скоростью 0=1/2, (808,606) К=3/4 и перемежение кода (404,202).

В четвертой главе рассматриваются вопросы программной реализации и вычислительной сложности итерационных пороговых алгоритмов декодирования в сочетании с ШПС и перемежителем,приводятся методика и результаты:

- статистического исследования энергетической эффективности применения ШПС, предложенных алгоритмов защиты от ошибок, в том числе совместно с ШПС;

- сравнительного анализа применения в моделируемом канале передачи данных ШПС, ШПС и корректирующего кода, перемежителя и кода;

- экспериментальной проверки теоретических исследований;

- оптимизации итерационного алгоритма порогового декодирования сверточных кодов при различной статистике ошибок;

- сравнительного анализа производительности рассмотренных алгоритмов .

Предложены структурные схемы сканирующего и конвейерного декодеров, реализующие непрерывный и блочный итерационные алгоритмы порогового декодирования

Для сравнения вычислительной сложности обработки сигналов различной структуры (ШПС, сверточный код, ШПС+код, перемежи-

тель+код, перемежение кода ) использована функция вычислительной сложности. Получены сравнительные результаты вычислительной сложности для сверточного кода, ШПС длиной перемежителя с интервалом п-кратного перемежения кода.

По результатам экспериментальных исследований и сравнения их с теоретическими расчетами сформулированы рекомендации по использованию предлагаемых алгоритмов исправления ошибок в ТЛФ канале ЦД.

Показано, что для получения положительного и энергетически выгодного варианта необходимо учитывать следующее:

- длина кодового ограничения и длина дополнительного алгоритма декорреляции ошибок должна быть меньше среднего значения интервала между кратковременными перерывами;

- уменьшить вероятность ошибки на выходе канала передачи данных для известной статистики кратковременных перерывов в ТЛФ каналах позволяют сверточные коды со скоростью И £ 3/4 совместно с ШПС; сверточные коды И £ 2/3 с алгоритмом перемежения кода; сверточные коды И £ 1/2 с перемежителем;

- число элементов перемежителя в 2-2.5 раза должна превышать длину ШПС при сравнимом качестве декодирования;

- с учетом ЭВК и вычислительной сложности перемежение кода выгоднее варианта "код + ШПС" до 4+5 перемежений;

- в среднем меньшую вычислительную сложность имеет алгоритмы порогового декодирования сверточных кодов с предсказанием качества канала за счет уменьшения среднего числа итераций;

- учитывая многоразрядность оптимального фильтра ШПС, его реализация всегда сложнее, чем реализация порогового декодера сверточного кода или перемежителя.

В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы, которые сводятся к следующему:

1. Разработана универсальная модель дискретного ТЛФ канала, отображающая случайные изменения уровня сигнала на фоне флуктуа-ционных и сосредоточенных во времени помех и позволяющая имитировать поток ошибок на ЭВМ при использовании в канале связи как простых, так и сложных сигналов.

2. Разработана методика теоретического анализа итерационных пороговых алгоритмов декодирования с обратной связью для сверточных кодов с ортогональными проверками, что позволило:

- исследовать эффективность итерационных пороговых алгоритмов при

различном числе итераций и установить связь характеристик декодера и качества декодирования;

- найти математические выражения для оценки качества декодирования;

3. Разработаны и экспериментально исследованы модифицированные итерационные алгоритмы порогового декодирования сверточных кодов с изменением уровня порога на итерациях при непрерывном декодировании, блочном декодировании с предсказанием качества канала, блочно-непрерывном декодировании с предсказанием качества канала; для конкретных кодов определены характеристики декодеров.

4. Исследована эффективность модифицированных итерационных алгоритмов декодирования при совместном применении с ШПС, пере-межителями, перемежением кода в ТЛФ каналах с кратковременными перерывами связи. Получены математические выражения для количественной оценки энергетического выигрыша ШПС (ЭВШ) и энергетического выигрыша кода (ЗЕК) для каналов с КП связи, что позволило определить энергетический выигрыш от совместного применения корректирующего кода и ШПС (ЭВКШ). Полученные значения ЭВКШ и ЭВК не противоречат теоретически предельным оценкам энергетического выигрыша корректирующих кодов.

5. Предложены конвейерный и сканирующий алгоритмы программной реализации модифицированных итерационных алгоритмов порогового декодирования сверточных кодов, вычислительная сложность которых на зависит от кодового ограничения (длины кодового блока). Проведен сравнительный анализ вычислительной сложности декодеров, устройств обработки ШПС и перемежителей, что позволило сформулировать рекомендации по их применению в ТЛФ канале передачи данных. Получены оценки производительности предлагаемых алгоритмов.

6. Проведены экспериментальные статистические испытания рассмотренных методов защиты от ошибок на дискретной модели ТЛФ канала передачи данных с флуктуационными и сосредоточенными во времени помехами, с учетом которых разработаны рекомендации по применению исследованных методов и устройств, а также ограничения на их параметры для коррекции ошибок при передаче данных в реальных ТЛФ каналах.

Публикации по теме диссертации.

1. Артемова O.A., Макаров A.A. Защита от ошибок в гидроакустических каналах связи //3-я конференция стран СНГ по морской сейсмологии и сейсмометрии: Тез.докл.-М.,1993.-е.141-143.

2. Артемова O.A. Иммитационная модель потока ошибок в канале связи //Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов: Тез.докл. Международ. науч.-техн. конф.-Новосибирск,1994.-с.102-104.

3. Макаров A.A., Артемова O.A. Сравнение алгоритмов сверточ-ных кодов //Информатика и проблемы телекоммуникаций: Тез.докл. Российск. науч.-техн. конф.-Новосибирск,1994. -с.72.

4. Артемова O.A. Вероятность декодирования в пороговом декодере с итерациями //Информатика и проблемы телекоммуникаций: Тез. докл. Российск. науч.-техн. конф. -Новосибирск,1994. с.73.

5. Артемова O.A., Макаров A.A. Пороговый декодер с оценкой качества канала связи //Российск. науч.-техн. конф..посвященная Дню радио: Тез.докл.-Новосибирск,1994 -с.112.

6. Артемова O.A. Модифицированный декодер кода Голея //Российск. науч.-техн. конф..посвященная Дню радио: Тез.докл. -Новосибирск, 1993. -с.111.

7. Артемова O.A. Оценка эффективности помехоустойчивого кодирования в ТЛФ каналах с ШПС //Сб.науч.тр.учеб.ин-тов связи, №158,- Ст-Петербург,1994. -с.39-44.

8. Макаров A.A., Кулаев A.B., Артемова O.A. Защита от ошибок в каналах передачи данных с большим временем задержки // ЦСП-92: Тез.докл. Всеросийск. научн.-техн. конф. -Новосибирск,1992.-е.19.

9. Артемова O.A. Модель двоичного канала с широкополосными сигналами // ЦСП-92: Тез.докл. Всеросийск. научн.-техн. кон. -Новосибирск, 1992. -с.20.

10. Артемова O.A. Применение сверточного кодека в ТЛФ канале с ШПС //Труды 2-й науч.-техн. конф. АПЭП-94, Т.З, -Новосибирск, 1994. -с.102-104.

Лицензия N 20475, октябрь 1991г. Подписано к печати 4.04.95г. Формат бумаги 62x84/16, бумага писчая N 1, уч.изд. листов 1, тираж 100 экз. Отпечатано на "Ризо". Заказ I 68._

СибГАТИ, Новосибирск, ул. Кирова, 86.