Кодек блочной сигнально-кодовой конструкции Советский патент 1992 года по МПК H03M13/00 

Изобретение относится к технике связи и вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре передачи дискретных сообщений.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости кодека

На фиг. 1 приведена блок-схема кодекаJ на фиг. 2 - матрицы формируемых сигналов, общий вид, на фиг. 3 - разбиение 16-точечного алфавита для амплитудно-фазовой модуляции; на. фиг. 4 - матрицы на фиг.2 для конкретного примера; на фиг.5-8 -решетчатые диаграммы, поясняющие процесс декодирования.,

Кодек состоит из передающей и приемной сторон 1 и 2 и канала 3 связи. Передающая сторона 1 включает кодеры

4 внешнего кода, блок 5 выбора сигнального подмножества, сигнальный кодер 6 и блок 7 оперативной памяти. Приемная сторона 2 содержит блок 8 оперативной памяти, вычислитель 9 метрик, первый и второй коммутатор 10 и 11, блок 12 постоянной памяти, первый и второй блоки 13 и 14 буферной памяти, сумматоры 15, блок 16 сравнения и формирователь .17 адреса считывания. На фиг.1 обозначены первая и вторая группы 18 и 19 информационных входов, первый - третий тактовые входы 20 - 22, Первый третий входы 23 - 25 синхронизации и выход 26 кодека.

Кодеры 4 и 6 и блок 5 передающей стороны можно выполнить на ПЗУ. ВыСОС4 1

числитель 9, метрик также можно реализовать на ПЗУ. формирователь 17 ал реса считывания представляет, например, регистр сдвига,.

Кодек блочной сигнально-кодовой конструкции (СКК) работает следующим образом.

На входы 18 кодеров О - k.TH поступает N блоков информации по L бит. После кодирования i-м кодом (,N) на выходе каждого кодера .1 появляется блок информации а длиной п бит (аТ || а а;г...а;„Ц , а, г6СР(2). Совокупность всех блоков на выходах кодеров k образует матрицу

аТ

1711337 . лает в канал 3 связи. Под действием помех в канале 3 связи сигналы искажаются и в искаженном виде по- , еле обратного преобразования в цифровые форму записываются в блок 8 приемной стороны 2.

Блок 8 преобразует последовательность из п сигнальных точек, постуЮ лающих на его вход с частотой nF, в последовательность из п сигнальных точек, считываемых с частотой F. С выходов блока 8 на входы вычислителя 9 метрик последовательность из

J5 п принятых сигнальных точек поступает в виде 2п действительных чисел, где каждая пара действительных чисел соответствует координатам каждой из п сигнальных точек на комплексной плоскости 7,1

20

А

аГ

aijl

,N, ,n

30

S

Столбцы этой матрицы последовательно подаются в блок 5 выбора сигнального подмножества, в котором происходит выбор одного из 2 сигнальных подмножеств, на которые разбит полный сигнальный алфавит. Полное сигнальное созвездие разбивается на 35 сигнальные подмножества таким образом, чтобы максимизировать минимальное евклидово расстояние между соседними сигнальными точками внутри подмножества, ..

На входы 19 поступают Р блоков информации no n бит. Эти блоки некодированной информации образуют матрицу

В

lib nil

t,P,

Столбцы этой матрицы последовательно подаются в сигральный кодер 6, где происходит выбор одной из 2° сигнальных точек выбранного подмножества. Таким образом, полный сигнальный 50 алфавит содержит сигнальных, то-1 чек, которые разбиты на 2N сигнальных подмножеств до 2Р точек в каждом подножестве. На выходе сигнального кодера 6 формируется последова- 55 тельность из п сигнальных точек, ко- торая записывается в блок 7 передающей стороны 1 и с частотой nF посту

п принятых сигнальных точек поступает в виде 2п действительных чисел, где каждая пара действительных чисел соответствует координатам каждой из п сигнальных точек на комплексной плоскости 7,1

В состав вычислителя 9 метрик входит датчик координат 2 сигнальных точек, принадлежащих полному сигнальному алфавиту. Вычислитель 9 метрик вычисляет квадрат расстояния от каждой из сигнальных точек до принятой с координатами 9t| и Х. сигнальной точки, повторяя эту процедуру для каждого из п принятых сигналов.

Квадрат расстояния следующему правилу:

вычисляется по

,n, ,2

N+P

где У ц и jy - пара действительных чисел, соответствующих координатам k-й сигнальной точки на комплексной плоско- сти, k«1,2.

Для каждого из п полученных сигналов на выходе вычислителя 9 метрик имеется набор из 2 квадратов расстояний Ag , называемых метриками сигнала ЭС . Этот набор метрик поступает на группу блоков 10 - 16, реализующих алгоритм декодирования принятой последовательности.по алгоритму

Витерби.

i

Коммутатором 10 управляет блок 12 посредством записанной в нем инфор- ,мации. Процесс управления коммутатором 10 следующий.,

В блоке 12 записана решетчатая диаграмма декодера Витерби. Здесь каждый элемент памяти содержит информацию о том, какое из k ребер (k

где R

Ц

1,2) исходит из какого узла диаграммы и в какой узел входит. Общее количество элементов памяти равно : п 5

,.

ie Js

количество ребер, входящих в j-й-узел диаграммы на i-м сечении, причем в каждом из сечений число узлов равно 5. Элементы памяти блока 12 разбиты по группам, каждая из которых управляет процессом вычисления метрик путей, входящих в один из SJ узлов на сечении ,п. Блок 12 выдает управляющий сигнал с частотой nSF и коммутатор 10 коммутирует 2N+f входов (на каждый из которых подается метрика Д , ,) на SM выходов, каждый из которых подключен к входам сумматоров 15.1 - 15.S. S maxS| - максимальное число узлов

в одном из ,n сечений решетчатой диаграммы.

На j-м шаге декодер Витерби суммирует .в сумматорах 15 метрики выживших до 1-го сечения путей и метрики принятых сигналов в соответствии с рисунком решетчатой диаграммы, записанной в память блока 12. Затем блок 16 сравнения выбирает из всех сумм метрик наименьшую и через управляющий вход дает команду коммутатору 11проключить наименьшую из вычисленных метрик путей на вход пер вого блока 13 памяти, где она запоминается для суммирования на (1+1)-м сечении решетчатой диаграммы. Одновременно блок 16 сравнения выдает второму блоку памяти сигнал, мет- рика которого (в сумме с метриками выживших путей, записанных в первом блоке 13 памяти) является наименьшей на j-м шаге 1-го сечения решетчатой диаграммы. Блок Ik запоминает номер узла,-из которого исходит путь с наименьшей метрикой (для данного узла j

Вся вышеописанная процедура повП S

торяется

&

раз, а на последнем

сечении на последнем шаге во втором блоке 1 памяти формируется последовательность декодированных сигнало причем считыванием декодированной по

5.

10

15

20

25

0

30

35

0

5

следовательности занят-формирователь 16 адреса считывания, который начинает считывание с последнего декодированного сигнала. Остальные сигналы считываются на выход декодера Витерби, используя информацию о номерах узлов, из которых исходят ребра, соответствующие декодированным сигналам на сечении j решетчатой диаграммы. Декодирование заканчивается, когда формирователь 17 считывает адрес первого сигнала из блока, содержащего п сигналов.

Кодек блочной СКК работает следующим образом.

Пусть , . Тогда имеется два-входа 1.8, информация с которых кодируется, и два некодированных входа 19. Пусть в качестве кодов в кодерах k и 6 используются коды Рида - Маллера (РМ-коды) С,3,1) и (1},1,) соответственно. Код (k,3,1) является кодом с проверкой на четность., а код й,1,0 - кодом с повторением. Тогда на вход СКК каждые F с поступает 12 информационных бит (фиг.2а). После кодирования РМ-ко- дами формируется матрица передаваемого сигнала В, показанная на фиг.28 Всего сигнальный алфавит должен содержать 2 24 16 сигнальных, точек, которые должны быть разбиты на 2 k подмножества по 2 точек в каждом. На фиг.З приведено такое разбиение 1б-точ«чного алфавита амплитудно-фазовой модуляции (АФМ). Если минимальное расстояние Д между соседними сигнальными точками составляло U 2, то после разбиения минимальное расстояние между соседними сигнальными точками внутри подмножества возросло в 2 раза: dw;n 2i 4. Каждый столбец матрицы В определяет выбор посылаемой в канал сигнальной точки, причем пара закодированных бит определяет выбор сигнального подмножества, а пара некодированных бит - сигнальную точку в данном подмножестве.

Пусть на- входы кодека СКК поступили следующие 12 информационных бит: 0,1,1,1,0,0 0,1,0,0,0,1 (фиг.Аа). Матрица В, полученная после кодирования РМ-кодами, представлена на фиг.45. В .первом столбце матрицы В кодированные биты 01 определяют выбор подмножества сигналов, обоэнаценного на фиг.З треугольником (ниж- ний бит считается старшим). Оставшаяся пара бит 11 определяет выбор конкретной сигнальной точки внутри подмножества, имеющего префикс 01, а именно, точки с координатами ( Аналогично выбираются оставшиеся сигнальные точки. В канале 3 передаваемый сигнал неизбежно подверга- ется искажениями, и после обратного преобразования в цифровую форму искаженные сигнальные точки записываются в блок 8 оперативной памяти. Пуст в рассматриваемом примере отношение сигнал/шум составляло 16 дБ. Соответствие между столбцами матрицы В, передаваемыми сигналами и искажен- ; ными сигналами, полученными с помощью, реализации шума, приведено- v в табл.1.

Декодирование принятого кодового слова в кодеке осуществляется с помощью алгоритма Витерби, который был предложен для декодирования сверточ- ных кодов. Использование этого алгоритма в данном кодеке основано на том, что блочный код может быть представлен в виде решетчатой диа- граммы. Такая диаграмма представляет собой направленный вправо граф, начинающийся в одной точк.е и сходящийся в одну точку. Каждому ребру графа ставится в соответствие мет- ка, соответствующая элементу кодового слова. Любой путь из начальной точки к конечной проходит через п ребер (п - длина кода) и соответствующий набор меток определяет одно кодовое слово . Задача декодирования в этом случае сводится к задаче нахождения пути по решетчатой диаграмме с помо1цью некоторых правил декодирования,

Рассмотрим построение решетчатых: диаграмм более подробно. Некодиро- ванную последовательность из п бит можно расматривать как (n,h,1) код. Решетчатая диаграмма С,, 1)-кода представлена на фиг.5d. На этой диаграмме может быть получено 16 различных путей, ведущих из началь- ного узла к конечному, соответствующих различным наборам из четырех бит.

Коду РМ (и,3,2) соответствует ре- ,шетчатая диаграмма, представленная на фиг.5, а коду РМ С,,) - решет

5 0

5 о д д

0 5

5

чатая диаграмма на фиг.5Ј. При объединении кодовых слов различных кодов, которым соответствуют строки бит, по столбцам для получения кодового слова СКК решетчатая диаграмма этого кодового слова является произведением решетчатых диаграмм исходных кодовых слов. Построение решетчатой диаграммы для рассматриваемой в примере СКК показано на фиг.6. Объединение некодирова иных слов приводит к удваиванию каждого ребра графа. Если граф кода С,,1) содержит два;, параллельных пути между соседними узлами, то объединение двух таких кодов дает решетчатую диаграмму с четырьмя параллельными путями между соседними узлами. Объединение решетчатой диаграммы двух закодированных слов с упомяну т ой пыше решеткой,, имеющей четыре параллельных пути между соседними узлами, приводит к тому, что в результирующей решетчатой диаграмме сохраняется топология закодированной решетки, но каждое ее ребро расщепляется на четыре параллельных пути. В более удобном для анализа варианте результирующая решетчатая диаграмма приведена на фиг.7; Здесь каждое утолщенное ребро соответствует четырем параллельным ребрам. Первые два бита, стоящие у каждого ребра, является закодированными битами, определяющими выбор сигнального подмножества. Последние два бита, помеченные XX, говорят о том, что на их месте может стоять любая из четырех возможных комбинаций из двух бит, определяющая конкретную точку в сигнальном подмножестве, которой и соответствует вектор одного из четырех ребер.

Декодирование принятого сигнала происходит следующим образом,

Вычислитель 9 метрик для каждой полученной из канала 3 сигнальной точки вычисляет квадрат евклидовых расстояний. Набор метрик, вычисленный для четырех сигнальных точек данного примера, приведен в табл.2. Выбор пути по решетчатой диаграмме (фиг.8) с минимальной метрикой происходит следующим образом. Для каждого узла графа производится сравнение всех метрик приходящих в него путей. Выбирается путь с минимальной метрикой, называемый выжившим, остальные пути отбрасываются.

На первом шаге декодирования в каждую точку графа ведут по четыре параллельных пути, выходящие из .начальной точки. Поэтому метрика данного ребра равна метрике пути. На фиг.8с| представлены выжившие пути после первого шага декодирования. Мерика у каждого ребра соответствует двоичному представлению сигнальной точки, метрика пути приведена в скобках. Для точки первого яруса сравниваются метрики ребер в подмножестве сигнала с префиксом 00 (номера сигналов Л-k в табл.2).

Наименьшей метрикой, равной 3,237, обладает ребро с метрикой 0010, которое и оставляется в качестве выжившего пути. Аналогично происходит выбор по другим точкам в данном сече нии графа..

На втором шаге декодирования (фиг.8) в точку первого яруса входят восемь путей (с префиксами 00 и 01). Минимальной метрикой обладает путь, состоящий из ребер с метками 0010 (метрика 3,237) и 0000--(мет:ри- vка 0,115). Суммарная метрика этого пути 3,237 + 0,115 3,352.

Выжившие пути на третьем шаге декодирования приведены на фиг.8.

После четвертого шага декодирования остается единственный выживший путь (фиг.82) с метрикой 0,97. Метки соответствующих ребер, записанные в виде столбцов, дают декодированную матрицу В, которая в данном случае равна передаваемой матрице В, т.е. ошибки отсутствуют. Информационные биты могут быть считалны из матрицы В при движении снизу

вверх слева направо, исключая избыточные биты.

В данном кодеке реализован алгоритм декодирования по максимуму правдоподобия - это соответствует мягкому декодированию внутренних кодов обобщенного каскадного кода. При мягком декодировании внешних кодов ис- польз уется апостериорная вероятность Р(Х/).

Известный кодек используе т жестко значение принятого сигнала X, что соответствует жесткому декодированию При этом осуществляется прием в целом внутренних сигналов и исправление ошибок внешними кодами. В этом случае принятое слово У (у, ,. -.. ,уп)

5.

15

25

JQ

20

0

5

0

5

0

5

Ј Y будет декодировано правильно, если квадрат евклидова расстояния между переданным и принятым словами удовлетворяет неравенству

Р(у,у)-Ј min d;P; /8n, ,m

где y€Y - передаваемое по каналу с

аддитивным науссовским шумом слово; 57 принято слово, искаженное

шумом , , го - порядок обобщенного .каскадного, кода.

Помехоустойчивости жесткого декодирования внешних кодов может оказаться недостаточно, поэтому и предлагается кодек с мягким алгоритмом декодирования.

В данном случае декодирование будет правильным, если квадрат евклидова расстояния между переданным и принятым словом удовлетворяет нёра- венству

P(y,y)«i min d;P;/4nl . ,m

Таким образом, использование мягкого алгоритма декодирования по сравнению с жестким декодированием внешних кодов приводит к энергетическому выигрышу 3 дБ, что и свидетельствует о повышении помехоустойчивости.

Формула изобре те н и я

Кодек блочной сигнально-кодовой конструкции, состоящий из передающей и приемной сторон и канала связи, передающая сторона содержит первый - N-й кодеры внешнего кода (2 - количество подмножеств, на которые разбит сигнальный код), информационные входы первого - N-ro кодеров внешнего кода являются соответствующими входами первой группы кодека, тактовые входы всех кодеров внешнего- кода объединены с тактовым входом блока оперативной памяти и являются первым тактовым входом кодека, вход синхронизации блока оперативной памяти является первым входом синхронизации кодека, приемная сторона содержит блок оперативной памяти, тактовый вход и вход синхронизации

которого являются вторыми одноименными входами кодека, блок сравнения, первый и второй блоки буферной памяти, выход блока оперативной па- мяти передающей стороны соединен через канал связи с информационным входом блока оперативной памяти приемной стороны, тактовый вход канала связи является третьим тактовым вхо- дом кодека, отли чающий - с я тем, что,с целью повышения помехоустойчивости кодека, на передающей стороне введены блок выбора сигнального подмножества и сигналь- ный кодер, первый - Р-й информационные входы которого (2° - число сигнальных точек в каждом подмножестве) являются соответствующими входами второй группы кодека, тактовый вход сигнального кодера подключен к пер- вому тактовому входу кодека, выходы первого - N-ro кодеров внешнего кода подключены к соответствующим входам блока выбора сигнального подмноже- ства, выходы которого соединены с управляющими входами сигнального кодера, выходы которого подключены к информационным входам блока оперативной памяти, на приемной стороне вве- дены вычислитель метрик, коммутаторы блок постоянной памяти, сумматоры и формирователь адреса считывания, тактовый вход которого и тактовый вход вычислителя метрик объединены и подключены к второму входу синхронизации кодека, выходы блока оперативной памяти соединены с информационными входами вычислителя метрик, выход которого подключены к информационным входам первого коммутатора, тактовый вход которого o6vwii.n с тактопыми входами второго коммутатора, всех сумматоров, блоков буферной памяти и блока постоянной памяти и является третьим входом синхронизации кодека, выходы блока постоянной памяти соединены с управляющими входами первого коммутатора, первый - s-м выходы которого (S - максимальное число узлов решетчатой диаграммы) подключены к первым входам соответственно первого - S-ro сумматоров, выхды которых соединены с соответствующими информационными входами второго коммутатора и блока сравнения, тактовый вход которого подключен к второму тактовому входу кодека, первые и вторые выходы блока сравнения соединены соответственно с информационными входами второго блока буферной памяти и управляющими входами второго коммутатора, выходы которого подключены к информационным входам первого блока буферной памяти, первые - S-e выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первого - S-ro сумматоров, выходы формирователя адреса считывания подключены к адресным входам второго блока буферной памяти, выход которого является выходом кодека.

Таблица 1

(3,, -0.) (-0,373; -0,258) (-0,390; 2,723) (-1,112; -3,29)

Г W

Таблица 2

I

fiSF

Гу

5 F nSF ф Ф ф

Т Т nSF fiSF.

О -QQXXi

+ - 01 Щ

Фигз

А - 0/ Л7; - /////

а

6

Фиг. 5

Щиг.4

(W

т)

(W)

r«vгл

h, f

WigaaaaU & i

1йф .j

.

%cJ

Ярус

01 2

10010 OQOO(3,3S2) i