Помощь студентам в учебе
Сравнительный анализ помехоустойчивого кодирования сверточных и турбо-кодов
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Анализ технического задания 8
2 Описание моделей 11
2.1 Сверточные коды 11
2.2 Турбо-код 15
3 Экспериментальная часть 19
3.1 Краткое описание Matlab 19
3.1.1 Дополнительные возможности MATLAB 20
3.2 Сверточный кодер 20
3.2.1 Применение сверточных кодов 40
3.3 Турбо-код 41
3.3.1 Применение турбо-кодов 62
3.4 Выводы по третьему разделу 63
4 Анализ экспериментальных данных 65
4.1 Методические указания к лабораторным работам 67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Лабораторная работа №1 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Лабораторная работа №2 74
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Анализ технического задания 8
2 Описание моделей 11
2.1 Сверточные коды 11
2.2 Турбо-код 15
3 Экспериментальная часть 19
3.1 Краткое описание Matlab 19
3.1.1 Дополнительные возможности MATLAB 20
3.2 Сверточный кодер 20
3.2.1 Применение сверточных кодов 40
3.3 Турбо-код 41
3.3.1 Применение турбо-кодов 62
3.4 Выводы по третьему разделу 63
4 Анализ экспериментальных данных 65
4.1 Методические указания к лабораторным работам 67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Лабораторная работа №1 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Лабораторная работа №2 74
В настоящее время происходит интенсивное развитие цифровых систем связи, таких как космическая, спутниковая, мобильная связь и др. Все эти системы используют для передачи беспроводные каналы, в которых на сигнал действуют помехи различной физической природы. Это приводит к тому, что принятые данные с большой вероятностью содержат ошибки, что для многих приложений недопустимо. В результате возникает задача обеспечения надежной передачи цифровой информации по каналам с помехами. На сегодняшний день известно множество кодов и методов их декодирования, различающихся сложностью реализации и рядом других параметров. Многообразие существующих кодов делится на два класса: блочные коды и непрерывные коды[1].
В блочных кодах передаваемая информационная последовательность разбивается на отдельные блоки с добавлением к каждому блоку определенного числа проверочных символов. Кодовые комбинации кодируются и декодируются независимо друг от друга. В непрерывных кодах, называемых также цепными, рекуррентными, конволюционными или сверточными, передаваемая информационная последовательность не разделяется на блоки, а проверочные символы размещаются в определенном порядке между информационными [1].
Процессы кодирования и декодирования также осуществляются в непрерывном режиме.
Развитие систем передачи информации по радиоканалам имеет тенденцию, заключающуюся в непрерывном росте количества радиоизлучающих средств за счет развития современных систем передачи информации. Увеличивается разнообразие источников радиоизлучения, в том числе от промышленного оборудования и транспорта. Одновременно при этом должны сохраняться требования на качественные характеристики, что определяет важную научную и практическую проблему, заключающуюся в разработке новых методов и алгоритмов сверточной обработки сигналов для повышения помехоустойчивости систем передачи информации в условиях ухудшающейся помеховой обстановки.
Эта проблема может быть разрешена за счет повышения характеристик путем модификации имеющихся алгоритмов сверточной обработки сигналов. Широкое применение в системах передачи цифровой информации нашли сверточные коды. Они используются в системах мобильной и спутниковой связи, в модемах для телефонных линий связи и в других радиотехнических системах[1].
Сверточные коды рассматривались в работах таких ученых, как Л.М. Финк, А.Г. Зюко, В.Л. Банкет, Э.Витерби, Дж. Кларк, Дж. К. Омура, Дж. Хеллер и др. Особенно эффективным считается алгоритм сверточного декодирования, впервые предложенный Э.Витерби. Однако в современных условиях эффективность многих методов сверточной обработки сигналов оказывается недостаточной. Эти методы разрабатывались для работы в условиях воздействия аппаратурных шумов. При наличии внешних помех или замираний сигналов существующие методы сверточной обработки сигналов уже не обеспечивают необходимого качества передаваемой информации, а при некоторых условиях может возникнуть полный срыв связи. В то же время имеется возможность производить внутреннюю адаптацию некоторых методов сверточной обработки сигналов, повышающих помехоустойчивость, при различных условиях работы[1].
Идея турбокодирования впервые была представлена в 1993 г. Турбокодер имеет два кодера рекурсивного систематического кода (англ. Recursive Systematic Code - RSC), перемежитель и также, устройства уплотнения и перфорирования. Рекурсивный систематический код - это один из видов сверточного кода, в котором входная информационная последовательность передается сразу на выход, а излишние биты генерируются логической цепью, которая содержит регистр сдвига с обратной связью. Разработка турбокодов проходит по двум путям: первым из них являются сверточные турбокоды, которые образованны следствием параллельного соединения двух и более сверточных кодеров. Блочные турбокоды являются результатом последовательного соединения двух и более блочных кодеров. Как показали исследования, блочные турбокоды (BlockTurboCode, BTC) являются наиболее эффективными в использовании при относительно высоких кодовых скоростях [1].
Двухмерный блочный турбокод изображается в виде прямоугольника и основан на двух систематических кодах: горизонтальных и вертикальных. Общая информационная емкость кода, длительность. Входной поток информации, который поступает на кодер, построчно записывается в матрицу. В начале кодируются строки, затем столбцы, результатом чего является кодированная матрица, несущая в себе информационные и проверочные символы. Каждая строка матрицы имеет вид кодового слова и состоит из информационных и проверочных символов. Каждый столбец имеет вид кодового слова и состоит из информационных и проверочных символов. В большинстве случаев, передача информации из кодированной матрицы в последующие цепи передается построчно[1].
В первой главе приведен анализ технического задания.
Во второй главе работы приведены основные теоретические сведения о помехоустойчивых методах кодирования: сверточные коды, турбо-коды. Разобраны структурные схемы, алгоритмы кодеров и методы описания кодов.
В третьей главе приведены блок схемы сверточных и турбо-кодов, разобраны параметры каждого блока, а так же рассмотрено применение сверточных и турбо-кодов и приведены теоретические зависимости
энергетических характеристик кодов.
В заключительной, четвертой главе, получены экспериментальные энергетические характеристики рассмотренных кодов, сделаны сравнительные выводы относительно их помехозащищенности и энергетического выигрыша.
В блочных кодах передаваемая информационная последовательность разбивается на отдельные блоки с добавлением к каждому блоку определенного числа проверочных символов. Кодовые комбинации кодируются и декодируются независимо друг от друга. В непрерывных кодах, называемых также цепными, рекуррентными, конволюционными или сверточными, передаваемая информационная последовательность не разделяется на блоки, а проверочные символы размещаются в определенном порядке между информационными [1].
Процессы кодирования и декодирования также осуществляются в непрерывном режиме.
Развитие систем передачи информации по радиоканалам имеет тенденцию, заключающуюся в непрерывном росте количества радиоизлучающих средств за счет развития современных систем передачи информации. Увеличивается разнообразие источников радиоизлучения, в том числе от промышленного оборудования и транспорта. Одновременно при этом должны сохраняться требования на качественные характеристики, что определяет важную научную и практическую проблему, заключающуюся в разработке новых методов и алгоритмов сверточной обработки сигналов для повышения помехоустойчивости систем передачи информации в условиях ухудшающейся помеховой обстановки.
Эта проблема может быть разрешена за счет повышения характеристик путем модификации имеющихся алгоритмов сверточной обработки сигналов. Широкое применение в системах передачи цифровой информации нашли сверточные коды. Они используются в системах мобильной и спутниковой связи, в модемах для телефонных линий связи и в других радиотехнических системах[1].
Сверточные коды рассматривались в работах таких ученых, как Л.М. Финк, А.Г. Зюко, В.Л. Банкет, Э.Витерби, Дж. Кларк, Дж. К. Омура, Дж. Хеллер и др. Особенно эффективным считается алгоритм сверточного декодирования, впервые предложенный Э.Витерби. Однако в современных условиях эффективность многих методов сверточной обработки сигналов оказывается недостаточной. Эти методы разрабатывались для работы в условиях воздействия аппаратурных шумов. При наличии внешних помех или замираний сигналов существующие методы сверточной обработки сигналов уже не обеспечивают необходимого качества передаваемой информации, а при некоторых условиях может возникнуть полный срыв связи. В то же время имеется возможность производить внутреннюю адаптацию некоторых методов сверточной обработки сигналов, повышающих помехоустойчивость, при различных условиях работы[1].
Идея турбокодирования впервые была представлена в 1993 г. Турбокодер имеет два кодера рекурсивного систематического кода (англ. Recursive Systematic Code - RSC), перемежитель и также, устройства уплотнения и перфорирования. Рекурсивный систематический код - это один из видов сверточного кода, в котором входная информационная последовательность передается сразу на выход, а излишние биты генерируются логической цепью, которая содержит регистр сдвига с обратной связью. Разработка турбокодов проходит по двум путям: первым из них являются сверточные турбокоды, которые образованны следствием параллельного соединения двух и более сверточных кодеров. Блочные турбокоды являются результатом последовательного соединения двух и более блочных кодеров. Как показали исследования, блочные турбокоды (BlockTurboCode, BTC) являются наиболее эффективными в использовании при относительно высоких кодовых скоростях [1].
Двухмерный блочный турбокод изображается в виде прямоугольника и основан на двух систематических кодах: горизонтальных и вертикальных. Общая информационная емкость кода, длительность. Входной поток информации, который поступает на кодер, построчно записывается в матрицу. В начале кодируются строки, затем столбцы, результатом чего является кодированная матрица, несущая в себе информационные и проверочные символы. Каждая строка матрицы имеет вид кодового слова и состоит из информационных и проверочных символов. Каждый столбец имеет вид кодового слова и состоит из информационных и проверочных символов. В большинстве случаев, передача информации из кодированной матрицы в последующие цепи передается построчно[1].
В первой главе приведен анализ технического задания.
Во второй главе работы приведены основные теоретические сведения о помехоустойчивых методах кодирования: сверточные коды, турбо-коды. Разобраны структурные схемы, алгоритмы кодеров и методы описания кодов.
В третьей главе приведены блок схемы сверточных и турбо-кодов, разобраны параметры каждого блока, а так же рассмотрено применение сверточных и турбо-кодов и приведены теоретические зависимости
энергетических характеристик кодов.
В заключительной, четвертой главе, получены экспериментальные энергетические характеристики рассмотренных кодов, сделаны сравнительные выводы относительно их помехозащищенности и энергетического выигрыша.
В данной работе был проведен сравнительный анализ помехоустойчивого кодирования с использованием сверточных и турбо-кодов.
Реализованы следующие задачи:
- изучена и проанализирована литература по данной теме;
-проведен сравнительный анализ литературы;
- ознакомление с моделями помехоустойчивого кодирования;
-выбрана и доработана модель кодеков для турбо-кодов и сверточного кодирования;
-определены параметры блоков модели;
-проведено исследование помехоустойчивости кодов на разработанной модели;
-разработана методика исследования помехоустойчивости кодов для обучения студентов;
-сделаны выводы об эффективности кодов:
1) Рассмотренные виды кодирования дают энергетический выигрыш и согласуются с теоретическими данными.
В таблице 3 представлено сравнение теоретических и экспериментальных данных.
2) Наиболее помехозащищенный из исследованных кодов - турбо-код;
3) Используя кодирование сигнала, канал становится менее уязвимым для воздействия помех и перехвата.
В ходе моделирования была проведена проверка на помехоустойчивость и энергетическая эффективность данных кодов.
Полученные результаты дают полное представление о характеристиках систем связи с кодированием, а так же данное исследование можно использовать для проектирования систем кодирования беспилотных аппаратов и для управления беспилотными объектами.
Так как «хорошие» коды должны не только давать большой энергетический выигрыш, но и иметь простую реализацию кодирующих и декодирующих устройств, то поиск таких кодов далеко не завершен. Данная работа является фундаментом для дальнейшего изучения помехоустойчивого кодирования.
Реализованы следующие задачи:
- изучена и проанализирована литература по данной теме;
-проведен сравнительный анализ литературы;
- ознакомление с моделями помехоустойчивого кодирования;
-выбрана и доработана модель кодеков для турбо-кодов и сверточного кодирования;
-определены параметры блоков модели;
-проведено исследование помехоустойчивости кодов на разработанной модели;
-разработана методика исследования помехоустойчивости кодов для обучения студентов;
-сделаны выводы об эффективности кодов:
1) Рассмотренные виды кодирования дают энергетический выигрыш и согласуются с теоретическими данными.
В таблице 3 представлено сравнение теоретических и экспериментальных данных.
2) Наиболее помехозащищенный из исследованных кодов - турбо-код;
3) Используя кодирование сигнала, канал становится менее уязвимым для воздействия помех и перехвата.
В ходе моделирования была проведена проверка на помехоустойчивость и энергетическая эффективность данных кодов.
Полученные результаты дают полное представление о характеристиках систем связи с кодированием, а так же данное исследование можно использовать для проектирования систем кодирования беспилотных аппаратов и для управления беспилотными объектами.
Так как «хорошие» коды должны не только давать большой энергетический выигрыш, но и иметь простую реализацию кодирующих и декодирующих устройств, то поиск таких кодов далеко не завершен. Данная работа является фундаментом для дальнейшего изучения помехоустойчивого кодирования.
