Пристрій підвищення завадозахищеності систем з турбокодами при низьких значеннях відношення сигнал-шум в каналі

Пристрій підвищення завадозахищеності систем з турбокодами при низьких значеннях відношення сигнал-шум в каналі, що містить блок, який виробляє додаткові біти по завершенні кодування 3 Відмінними ознаками пристрою, що заявляється, є: - запропонований пристрій в якості вхідних даних застосовує апріорну та апостеріорну інформацію, що використовується при декодуванні кожного інформаційного біта, з другого декодера останньої ітерації декодування ТК; - наявність логіки, що виконує виявлення та відхилення поточного блоку з помилками; - окрім сигналу зупинки SIG_STOP, що здійснює виявлення і відхилення пакету з помилками, пристрій додатково генерує сигнал SIG_SAT, що застосовується для визначення прийнятого блоку як задовільного. Виходячи з описаного рівня техніки випливає, що вказані відміни пристрою, що заявляється, є новими. На Фіг.1 подано структурну схему декодера ТК, що працює разом з ППЗ. Структурна схема ППЗ подана на Фіг.2. Надалі вважається, що приймачем вже виконаний прийом пакету, що передавався, у вигляді множини канальних відліків, і ця множина була розділена на підмножини систематичних відліків C1 X , та перевірочних відліків, отриманих від перП1 П2 шого X та другого X компонентних кодерів. Декодер ТК представляє собою послідовне з'єднання двох компонентних декодерів (Декодер 1 та Декодер 2), розділених пристроєм перемеження 3 та деперемеження 4. В якості вхідної інформації для декодера виступають канальні відліки інформаційних та перевірочних біт. На перший декодер 1 систематичні канальні відліки подаються безпосередньо, на другий 2 - в переставленому вигляді, що досягається за допомогою блока перемежіння 3. Послідовність канальних відліків надходить на декодери 1 і 2 (Фіг.1) (розглядається такт роботи в момент часу t): 1 æ C1 П1 ö æ C1 П11 П1n ö = ç X , X ÷ ç xt , xt , xt = X ÷, t Î 1, N - для ç ÷ è ø è ø П1 æ П11 П1n ö декодера 1, де X = ç X ÷ ç ,..., X ÷ N - кількість è ø біт в переданому блоці, n - кількість перевірочних біт з виходу РСЗК. Відповідно 2 æ C2 П2 ö ÷ ç = ç X , X = æ x C2, xП21,..., xП2n ö, t Î 1 N X , ÷ ç ÷ è t t t ø è ø для декодера 2, де П2 æ П21 П2n ö С1 С С2 - послідов÷. X = çX X ,..., X = X , X ç ÷ è ø ності систематичних символів з урахуванням відповідної операції перемеження. Кожен декодер при обробці блоку обчислює функцію правдоподібності L1æ yc ö, L2 æ y c ö, t Î 1 N , , ç t÷ ç t÷ è ø è ø після цього "зовнішню" інформацію: 1 æ yc ö, L2 æ yc ö, t Î 1, N , використовуючи основні Le ç t ÷ e ç t ÷ è ø è ø алгоритми декодування ТК. З виходу перемежувала 3 "зовнішня" інформація першого декодера 1 43111 4 використовується в якості апріорної для другого декодера 2 - L2 æ y c ö, t Î 1 N . "Зовнішня" інформа, aç t ÷ è ø ція другого декодера 2 даної ітерації L2 æ yc ö, t Î 1, N eç t ÷ è ø після операції деперемеження 4 використовується в якості апріорної для першого декодера 1 наступної ітерації. Після виконання певного числа ітерацій декодування схема порівняння 5 виносить "тверді" рішення про декодовані символи, які використовуються для оцінки ймовірності бітової помилки: ì 1, если L æ yc ö ³ 0 ç t÷ c =ï è ø y . t í ï0, если Læ yc ö < 0 ç t÷ è ø î Апріорна інформація, що використовується при декодуванні кожного з N інформаційних біт в пакеті, буферизується в пристрої перемеження 3. Завдяки цьому оптимізуючий пристрій, що заявляється, позбавляється необхідності включати до свого складу буфери пам'яті для зберігання цієї інформації. Рішення про значення кожного інформаційного біта може бути розглянуте як функція від двох аргументів L=f(La, Le). Негативне значення величини La буде направляти кінцеве рішення до значення біта "0", позитивне - до значення "1". Якщо для деякого інформаційного біта в процесі декодування було прийнято остаточне рішення про його значення, то далі величина La не буде змінювати знак, а буде збільшуватися тільки по модулю. Якщо підрахувати кількість змін знака апріорної інформації на декодері при переході La→Le, то можна одержати кількісну характеристику ефективності процесу декодування. Позначимо кількість змін знака при перетворенні La в Le на другому послідовному декодері останньої j-ї ітерації декодування для і-го блоку розміру N як y 2 ji . Значення величини обчислюється як сумарна кількість змін знака при переходах La→Le для всіх N інформаційних біт, які обробляються другим декодером j-ї ітерації. y 2 ji буде являти собою дискретну випадкову величину, що може прийняти значення від 0 до N. Запропонований пристрій буде здійснювати відсіювання пакетів з помилками шляхом розрахунку величини y 2 ji та порівняння її із заздалегідь розрахованим для певної завадової обстановки й виду сигнальної турбокодової конструкції граничним значенням випадкової величини y2 j . Значеннями y2 j є величини y 2 ji , які отримані при імітаційному моделюванні декодування множини блоків {Ni,i Î 1, n} , де n – кількість переданих блоків розміру N. Зважаючи на це, при конструюванні пристрою оптимізації, що працює з жорстко заданим ТК, доцільно зберігати у спеціальному буфері невелику кількість наперед обчислених граничних значень y2 j . 5 43111 Алгоритм визначення граничного значення випадкової величини y2 j для заданої завадової обстановки та виду сигнальної турбокодової полягає в наступному: 1. Ввід вихідних даних в імітаційну модель: відношення сигнал-шум h2 ; кількість ітерацій де0 кодування; розмір кадру переданої бітової послідовності N; тип використовуваного перемежувача/деперемежувача; алгоритм декодування ТК; обмеження довжини РССК К; метод модуляції сигналу ФМ-2; швидкість кодування ТК; поліноми РССК; необхідна кількість переданих блоків інформаційних біт відповідно до заданої точності та вірогідності. 2. Ініціалізація імітаційної моделі відповідно до вихідних даних. 3. Кодування кодером ТК переданої послідовності. 4. Моделювання дискретно-неперервного каналу зв'язку (ДНКЗ) із флуктуаційним шумом та завадами. 5. Декодування прийнятої послідовності декодером ТК. 6. Розрахунок кількості змін знаку апріорноїзовнішньої інформації L2 æ x c ö ® L2 æ x c ö, t Î 1, N на ei ç t ÷ ai ç t ÷ è ø è ø декодері 2 останньої ітерації для кожного блоку {Ni,i Î 1, n} . 7. Розрахунок кількості помилок у прийнятих N блоках { i, i Î 1, n} при порівнянні систематичних символів з виходу кодера ТК x c , t Î 1, N і декодера t c , t Î 1, N , використовуючи дані п. 3 і п. 5. ТК x¢t 8. Запис у буфер кількості змін y2 j для блоків i {Ni,i Î 1, n} , що не містять нуль, якщо є помилки по закінченні декодування. 9. Розрахунок математичного очікування N M1 y2 j для блоків { i, i Î 1, n} , що містять помилки [ ] по закінченні декодування. 10. Запис у буфер кількості змін y2 ji для бло ків { i, i Î 1 n} , що не містять нуль, якщо немає поN , милок по закінченні декодування. 11. Розрахунок математичного очікування M2 y2 j для блоків { i, i Î 1 n} , які не містять помиN , [ ] лок по закінченні декодування. 12. Розрахунок граничного значення випадкоM1 y2 j + M2 y2 j вої величини у y 2 j . = порог 2 Таким чином, використовуючи алгоритм визначення граничного значення випадкової величини y2 j для заданої завадової обстановки та виду [ ] [ ] сигнальної турбокодової конструкції, декодер турбокоду разом з ППЗ 6 будуть працювати наступним чином (розглядається остання ітерація турбодекодера) (Фіг.1, 2). 1. Декодер 1 виконує цикл декодування прийнятого блоку, використовуючи апріорну інформацію 6 L1 æ yc ö, t Î 1, N з попередньої ітерації та записуючи aç t ÷ è ø до перемежувача "зовнішню" інформацію: 1 æ y c ö, t Î 1, N (Фіг.1). Для декодера 1 першої ітеLe ç t ÷ è ø рації апріорна інформація буде представляти собою множину нульових значень. 2. Пристрій перемеження 3 виконує перестановку N чисел L1 æ yc ö , що були буферизовані, які eç t ÷ è ø потім використовуються як апріорна інформацію L2 æ yc ö, t Î 1, N для декодера 2. aç t ÷ è ø 3. Декодер 2 виконує цикл декодування, аналогічно декодеру 1, розраховуючи "зовнішню" інформацію L2 æ y c ö, t Î 1, N . eç t ÷ è ø 4. Інформація про множини знаків L2 æ yc ö, t Î 1, N та L2 æ yc ö, t Î 1, N записується в реaç t ÷ eç t ÷ è ø è ø гістри 7 та 8 ППЗ (Фіг.2). 5. Елементи 9 (суматор по модулю 2) та 10 (елемент "АБО") виконують пошук зміни знаку для множин L2 æ yc ö, t Î 1, N та L2 æ yc ö, t Î 1, N . aç t ÷ eç t ÷ è ø è ø 6. Лічильник 11 виконує розрахунок величини y2 j та, в залежності від стану каналу зв'язку та i виду сигнальної турбокодової конструкції, порівнює її з відповідним граничним значенням Y2 j (генерується таблицею граничних значень 12) у компараторі 13. У випадку перевищення граничного значення ( y2 ji ³ Y2 jпорог . ) за допомогою сигналу SIG_STOP 14 повідомляється, що декодований пакет містить помилки і цей пакет відхилений. У випадку y2 ji £ Y2 jпорог . - блок Ni вважається декодованим задовільно. В цьому випадку формується сигнал SIG_SAT 15 і декодований блок поступає до приймача інформації через ключ 16. 7. Пристрій керування 17 видає сигнали для забезпечення заповнення регістрів 7, 8, для функціонування елементу 9 та компаратору 13. 8. Елемент 19 використовує додаткові біти по завершенню кодування блока даних з метою примусового переведення решітчастої діаграми рекурсивного систематичного згортувального коду ТК в початковий стан (ця інформація надходить до елементів 1, 2 декодеру ТК). 9. Елемент 20 враховує інформацію про стан каналу зв'язку при декодуванні ТК (ця інформація надходить до елементів 1, 2 декодеру ТК). При моделюванні ймовірностних характеристик завадозахищеності [5] при модуляції ФМ-2 та ТК з РСЗК виду (1, 17/13), псевдовипадковим перемежувачем/деперемежувачем, швидкістю кодування R=1/3, 8 ітерацій декодування алгоритмом Log Map з 5 східчастою апроксимацією, отримані залежності ймовірності бітової помилки декодування від відношення сигнал-шум в каналі (Фіг.3). Відбувалось моделювання передачі по каналу 10000 блоків по 1000 біт в блоці. Аналіз цих зале 7 жностей показує, що, застосовуючи запропонований пристрій підвищення завадозахищеності, можна отримати виграш в 0,25дБ для Рв=10-1, 0,95дБ для Рв=10-2, 1,15дБ для Рв=10-3, 0,2дБ для Рв=10-4. При відношенні сигнал-завада в каналі більше 1дБ застосування методу стає недоцільно, тому що ймовірністні характеристики завадозахищеності відповідають прототипам-аналогам. Для отримання виграшу при ВСШ в каналі більше 1дБ необхідно провести аналогічне моделювання передачі по каналу більше ніж 10000 блоків. Список використаної літератури 1. Патент WO2007059389 (А2) "Method and apparatus for interleaving within a communication system": Kaith В., Yufei В., Brian C. - 2007-05-24. 2. Патент WO2008057906 "Turbo interleaving for high data rates": Yongbin W., Jing S., Prasad M. 2008-05-15. 43111 8 3. Патент KR20080030493 "Tail-bitting turbocode for arbitrary number of information bits": Zong S., Так L. - 2008-04-04. 4. Патент KR20020031721 "Device for decoding turbo code using channel information and method thereof: Geun K., Seop L. - 2002-05-03. 5. Зайцев СВ., Ливенцев СП., Горлинский Б.В., Артюх А.И. Свидетельство о регистрации авторского права на произведение №17007 от 20.06.2006. Компьютерная программа "Имитационная модель системы радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и помехоустойчивым турбокодированием, функционирующая в условиях радиоэлектронного противодействия". 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 43111 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601