Спосіб технічної реалізації кодека корегуючих кодів mbnq (m>n, q>2)

Винахід відноситься до техніки цифрового електричного зв'язку а також до техніки обробки та зберігання цифрових електричних сигналів і може бути використаний у практичній реалізації кодеків корегуючи х кодів mBnq (m>n, q>2). Відомий табличний спосіб технічної реалізації кодеків блокових недвійкових алфавітни х частотнокомпактних кодів mBnq, який використано у цифрових системах передачі інформації, зокрема в апаратурі xDSL (Recommendation ITU-T G.961. Digital Transmission System on metallic local lines for ISDN basic rate access). При табличному способі в постійну пам'ять кодеку записують кодову таблицю, що утримує 2m дозволених кодових слів коду mBnq. При кодуванні вхідне m-розрядне двійкове слово є адресою, по якій з постійної пам'яті кодера зчитується відповідне n-розрядне слово q-кового алфавіту. При декодуванні прийняте з каналу n-розрядне слово q-кового алфавіту є адресою, по якому з постійної пам'яті декодера зчитується найближче дозволене кодове слово коду mBnq. Недоліком табличного способу є експоненціальний ріст обсягу постійної пам'яті кодека при збільшенні довжини коду. Цей недолік приводить до неможливості технічної реалізації кодеків для корегуючих кодів з кодовою швидкістю близькою до граничної (r=(0,8¸0,95)log2q) і високою корегуючою здатністю (з кодовою відстанню d>7), у яких m (число бітів у слові) може досягати кількох десятків або навіть сотень. Відомий також спосіб, який найбільш близький за сукупністю ознак до запропонованого винаходу спосіб кодування-декодування ТС-РАМ - Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation (Recommendation ITU-T G.991.2. Single-Pair High-Speed Digital Subscriber Line (SHDSL) transceivers). Суть ТС-РАМ полягає у застосуванні способу каскадного кодування-декодування для корекції помилок та формування недвійкового коду. Як зовнішній код використано згортковий код з кодовим обмеженням 20 бітів; як внутрішній - 16-ковий код 4B1(q=16). Згортковий кодер являє собою двійковий регістр зсуву, що має 20 комірок, з програмованими коефіцієнтами прямих та обернених зв'язків між комірками, декодування виконується відповідно до алгоритму решітчастого (trellis) декодування. Кодування та декодування внутрішнього коду 4B1(q=16) виконується у відповідності до кодової таблиці, що зберігається в пам'яті кодера та декодера. Для способу ТС-РАМ характерні такі недоліки: - низька завадостійкість, яка пояснюється тим, що вн утрішній код некорегуючий; біт - низька кодова швидкість r = 0,75 log2 16 = 3 . символ В основу винаходу поставлена задача розробки способу технічної реалізації кодека корегуючих mBnqкодів з кодовою швидкістю близькою до граничної (r=(0,8¸0,95)log 2q) і високою корегуючою здатністю (з кодовою відстанню d>7). Поставлену технічну задачу з одержанням зазначеного технічного результату вирішено тим, що блочний недвійковий алфавітний частотно-компактний корегуючий mBnq код із заданими параметрами (основою q, довжиною n, кодовою швидкістю r і кодовою відстанню d) перетворено у композицію двох кодів, що напевно реалізуються: - зовнішнього - корегуючого досконалого або квазідосконалого коду m 1Bnq1 с кодовою відстанню d1 і кодовою швидкістю r 1; - вкладеного - корегуючого коду m 2Bnq2 с кодовою відстанню d2 і кодовою швидкістю r 2; Композиція зовнішнього і вкладеного кодів отримана шляхом порозрядного їх додавання становить кодове слово коду mBnq. Поняття "досконалий" і "квазідосконалий" mBnq-коди а також алгоритми їх кодування-декодування приведені в статті "Совершенные и квазисовершенные недвоичные блочные неразделимые коды, корректирующие ошибки" (Науково-виробничій журнал державного комітету зв'язку та інформатизації України, ЗВ'ЯЗОК, №3/2003р., стор.67. А.Ю. Лев, Ю.А. Лев, В.Н. Охрименко). Ці поняття мають такий зміст: - досконалий mBnq-код - код особисті об'єми якого займають весь кодовий простір, тобто, код, у якого 2m n å V( A j ) = q , j=1 де V(Aj) - особистий об'єм дозволеної кодової точки Аj, що є множиною точок кодового простору, які віддалені від точки А, на відстань, меншу від іншої дозволеної точки Ak, k¹j; q - основа коду mBnq; m - число бітів у двійковому кодовому слові; n - число q-кових символів у кодовому слові. - квазідосконалий mBnq-код - код з парною кодовою відстанню d, особистий об'єм якого V(Aj) становлять n-мірні гіперкуби з центрами в точках Аj з ребрами, які мають d-1 точок. Для формування зовнішнього і вкладеного кодів вхідні m-розрядні двійкові слова розділяють на дві групи бітів, причому перша група містить m 1 бітів, а друга гр упа містить m 2=m-m 1 бітів. Параметри зовнішнього m 1Bnq1 коду визначають за таким правилом: - приймають деяке значення кодової відстані d 1; - основу коду q1 і число двійкових символів m 1 визначають за виразом: q1=q-d1+1 êq -1 ú m1 £ n log2 ê 1 + 1ú , ë d1 û де вираз у дужках ë û є ціла частина числа; Параметри вкладеного m 2Bnq2 коду визначають за виразом: q2=d1 m 2=m-m 1, де q2 - основа коду. Вкладені коди можна формувати як нелінійні m 2Bnq2 коди, так і використовуючи алгоритми кодування лінійних кодів (наприклад, БЧХ, Ріда-Соломона, і ін.). Алгоритм кодування при технічній реалізації кодера полягає у наступному: - приймають від джерела інформації вхідний двійковий цифровий потік з тактовою частотою Fb ; - розділяють вхідний цифровий потік на m-розрядні кодові слова; m - послідовно, за проміжки часу Ts = , записують в оперативну пам’ять кодера m-розрядні кодові Fb слова; - розділяють m-розрядні кодові слова вхідного цифрового потоку на дві групи бітів, що містять m 1 і m 2=m-m 1 бітів; - кожній з 2m1 комбінацій символів першої групи взаємо-однозначно зіставляють кодові слова зовнішнього корегуючого досконалого (або квазідосконалого) коду m 1Bnq1; - кожній з 2m2 комбінацій символів іншої групи взаємо-однозначно зіставляють кодові слова зовнішнього корегуючого вкладеного коду m 2Bnq2; - формують кодове слово коду mBnq, поразрядним додаванням символів кодових слів зовнішнього і вкладеного кодів. Алгоритм декодування при технічній реалізації декодера полягає у наступному: - приймають з каналу зв'язку системи передачі відліки демодульованого сигналу з частотою n дискретизації Fд = Fb ; m - зіставляють кожному відліку імпульс з амплітудою, рівною найближчому q-ковому дозволеному рівню; - розділяють q-ковий цифровий потік на n-розрядні кодові слова коду mBnq; m - послідовно за проміжки часу, що дорівнюють Ts = , записують в оперативну пам'ять декодера qFb кові n-розрядні кодові слова коду mBnq; - формують кодові слова вкладеного коду m 2Bnq2 за правилом: якщо в прийнятому слові коду mBnq символ j-ої позиції сj=bj+ej, де bj - символ зовнішнього коду, а e j може приймати значення 0,1,2..(q2-1), то в слові вкладеного коду на j-ої позиції формують символ ej; - виправляють помилки в кодовому слові вкладеного коду; - формують кодове слово зовнішнього коду посимвольним відніманням символів виправленого слова вкладеного коду із символів прийнятого слова коду mBnq; - виправляють помилки в кодовому слові зовнішнього коду; - формують ви хідні m-розрядні слова двійкового алфавіту, та направляють їх одержувачу інформації. Запропонований спосіб дозволяє реалізувати кодування та декодування вкладеного коду m 2Bnq2 відповідно до алгоритмів кодування-декодування лінійних корегуючи кодів, а також реалізувати кодек, у якому при кодуванні з груп, що містять m 1 бітів формують зовнішній квазідосконалий код m 1Bn(q-1) з кодовою відстанню Мінковського d1=2 і значеннями символів 0,2,4..., із груп, що містять m 2 бітів формують вкладений двійковий код m 2BnB, що корегує помилки заданої кратності, а при декодуванні посимвольно формують слова вкладеного коду відповідно до правила: якщо символ у прийнятому слові парний, то в слові вкладеного коду формують символ "0", якщо непарний - символ "1". Все вище наведене разом взяте забезпечує досягнення зазначеного технічного результату. Порівняльний аналіз заявленого технічного рішення з відомими технічними рішеннями того ж призначення показує, що заявлений спосіб технічної реалізації кодека корегуючих кодів mBnq відрізняється від відомих наявністю нових признаків (операцій), їх сукупністю та послідовністю виконання, що відповідає критерію винаходу - "новизна". Співставлення способу те хнічної реалізації кодека кодів mBnq, введені признаки окремо і в різних поєднаннях відомі. Проте введення їх у вказаному взаємозв'язку між собою та з відомими ознаками надають запропонованому способу додаткові нові властивості, а саме - дозволяють за рахунок невідомого до цього часу підходу щодо кодування-декодування (формування зовнішнього, вкладеного та mBnq кодів) отримати зазначений у даному описі технічний результат. Наведене дозволяє зробити висновок про відповідність рішення критерію винаходу - "винахідницький рівень". Як вище вказано привабливі можливості коду щодо забезпечення високої кодової швидкості та завадостійкості при застосуванні кодування-декодування у реальних системах цифрової передачі інформації не можуть бути реалізовані із-за необхідності мати велику, постійну пам'ять кодека системи передачі, що є практично нереалізуємою. Наприклад, для кодування-декодування з використанням біт корегуючого коду 83В25 (q=16) з параметрами r = 3,32 і кодовою відстанню d=9, в постійній пам'яті символ 83 кодеку повинно зберігатися 2 25-ирозрядних 16-кових дозволених кодових слів. Реальне створення пристрою з таким об'ємом пам'яті неможливе. Запропонований спосіб виключає цей недолік і при його практичному застосуванні має всі переваги щодо використання корегуючи х кодів mBnq. Як приклад, що підтверджує можливість технічної реалізації кодека з використанням запропонованих алгоритмів кодування-декодування кодів mBnq, оцінки складності технічної реалізації кодека побудована і досліджена імітаційна (комп'ютерна) модель цифрової системи передачі, що включає кодер і декодер коригуючого коду 83В25 (q=16). Кодова швидкість цього коду становить 3,32біт/символ і перевищує кодову швидкість ТС-РАМ-16 (його кодова швидкість становить 3біт/символ). На фігурах, що додаються, наведено наступне: - на Фіг.1 зображена структурна схема імітаційної моделі системи цифрового зв'язку, в якій використана технічна реалізація кодека корегуючого коду 83В25 (q=16); - на Фіг.2 зображена структурна схема кодера імітаційної моделі, щодо запропонованого способу технічної реалізації кодека корегуючого коду 83В25 (q=16); - на Фіг.3 зображена структурна схема декодера імітаційної моделі, щодо запропонованого способу технічної реалізації кодека корегуючого коду 83В25 (q=16); Структурна схема імітаційної моделі системи зв'язку (Фіг.1) складається з наступних блоків: - генератора псевдовипадкової послідовності блоків - ГППБ; - кодера коду 83В25 (q=16) - КД; - генератора гаусової завади - ГЗ; - суматора сигналу та завади - S; - компаратора - КОМП; - оперативного запам'ятовуючого пристрою для виправлення стирань - ОЗПС; - декодера коду 83В25 (q=16) - ДК; - суматора по mod 2; - лічильника помилок - Лп; Кодер КД приймає від ГППБ псевдовипадкову послідовність бітів і формує кодові слова коду 83В25 (q=16). Сигнал на виході КД s(t) являє собою псевдовипадкову 16-рівневу послідовність двухполярних прямокутних імпульсів. У суматорі S до сигналу s(t) додається завада n(t), на його виході формується сигнал s*(t)=s(t)+n(t), який подається на компаратор КОМП та оперативний запам'ятовуючий пристрій ОЗПС. Компаратор на протязі кожного тактового інтервалу аналізує прийнятий сигнал s*(t) та формує імпульс з найближчім дозволеним рівнем, який направляє на вхід декодера ДК. Декодер ДК запам'ятовує 25 розрядні 16-кові кодові слова, виправляє помилки і формує ви хідні 83 розрядні двійкові слова. У суматорі по mod 2 вихідні слова декодера порівнюються з 83 розрядними двійковими словами, що формуються ГППБ. На виході суматора по mod 2 формуються імпульси, що відповідають помилкам декодування. Лічильник помилок Лп підраховує кількість цих імпульсів за час випробування. Коефіцієнт помилок К Кпом = , де К - кількість помилок, N - кількість бітів, що генеруються ГППБ за час випробувань. N Для моделювання прийнято d1=2. Отже, за вище наведеними виразами: q1=q-d1+1=16-1=15 êq -1 ú ê 14 ú m1 = n log2 ê 1 + 1ú = 25 log2 ê + 1ú = 25 × 3 = 75 d1 ë 2 û ë û Зовнішній код - квазідосконалий і має вигляд 75B25 (q1=15) з кодовою відстанню d1=2 і кодовою швидкістю r 1=3біт/символ. Визначимо параметри: m 2=m-m 1=83-75=8 q2=d1=2, тобто вкладений код - нелінійний несистематичний двійковий 8В25В с кодовою швидкістю r 2=0,32, що корегує помилки кратності t=4. Технічній реалізації наведеного прикладу відповідають структурні схеми кодера і декодера, які наведені відповідно на Фіг.2 та Фіг.3 опису. С труктурна схема кодера імітаційної моделі (Фіг.2) складається з наступних блоків: - регістр зсуву - Ρ1, що має 75 чарунок; - регістр зсуву - Р2, що має 8 чарунок; - блок формування зовнішнього коду 75B25 (q1=15); - блок формування вкладеного коду 8В25В; - блок порозрядного додавання символів зовнішнього та вкладеного кодів S. Для реалізації кодера необхідні: - як оперативний запам'ятовуючий пристрій для запису вхідних двійкових 83-х розрядних кодових слів використано регістр зсуву, що містить 83 тригера; - обсяг постійного запам'ятовуючого блоку, у якому зберігається кодова таблиця вкладеного коду 8В25В, визначається числом дозволених кодових слів вкладеного коду і дорівнює 28=256 двійкових 25ирозрядних кодових слів, тобто дорівнює 256х25=6400 бітів або 800 байтів. Структурна схема декодера імітаційної моделі (Фіг.3) складається з наступних блоків: - 16-ковий регістр зсуву - РЗ-16, що має 25 16-кових чарунок; - оперативний запам'ятовуючий пристрій для виправлення стирань - ОЗПС; - блок формування коду 8В25В; - блок виправлення помилок коду 8В25В; - блок формування коду 75B25 (q1=15); - блок виправлення помилок коду 75B25 (q1=15); - блок формування вихідного 83-розрядного двійкового слова. Для реалізації декодера необхідні: - як оперативний запам'я товуючий пристрій для запису прийнятих 16-кових 25-ирозрядних кодових слів коду 83В25 (q=16) використано регістр зсуву, що містить 25 16-ирівневих комірок, кожна з яких містить 4 тригери. Отже, загальне число тригерів регістра зсуву дорівнює 100; - об'єм постійного запам'ятовуючого блоку пристрою, у якому зберігається кодова таблиця вкладеного коду 8В25В, також як і в кодері, дорівнює 800 байтів; - для виправлення стирання у зовнішньому коді 75В25 (q=15) необхідний оперативний запам'ятовуючий блок пристрою для запису відліків сигналу на вході декодера S*(t). При цілком достатньому у 256 рівнів квантування достатньою оперативною пам'яттю пристрою для виправлення стирання є об'єм у 800 байтів. Кодування-декодування зовнішнього квазідосконалого коду здійснюється порозрядно і додаткових обсягів пам'яті не потребує. Випробування імітаційної моделі (Фіг.1) показали, що при використанні запропонованого способу технічної реалізації кодека, код 83В25 (q=16) з кодовою швидкістю 3,32біт/символ порівнюючи з кодом 16 ТС-РАМ з кодовою швидкістю 3біт/символ забезпечує енергетичний виграш порядку 3дБ при Кпом =-10-7. З наведених пояснень, вигляду та змісту стр уктурних схем апаратних засобів технічної реалізації кодека корегуючих кодів mBnq (Фіг.1, Фіг.2, Фіг.3 опису) підтверджено можливість здійснення винаходу. Стосовно технологічних можливостей, наявності відповідного обладнання, устаткування, комплектуючи х і матеріалів запропоноване технічне рішення має всі можливості промислового виготовлення, а за існуючими системами передачі інформації - можливість поширеного використання.