На правах рукописи

Архипкин Андрей Владимирович

Разработка алгоритмов кодирования

и декодирования для

телекоммуникационных систем

радиосвязи с ортогональными

поднесущими

Специальность 05.12.13

«Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2008 2

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника»

Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Бархоткин В.А.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Шорин О.А.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Трофимов Ю.К.

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт систем связи и управления

Защита состоится «_» _2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.02 в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, строение 5, МИЭТ(ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ(ТУ).

Автореферат разослан «_» _ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент Гуреев А.В.

Общая характеристика работы

Аннотация Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке алгоритмов кодирования и декодирования для телекоммуникационных систем радиосвязи с ортогональными поднесущими. В работе обоснована актуальность теоретических исследований, направленных на совершенствование трактов кодирования и декодирования, как в части функционирования, так и снижения сложности технической реализации. Проведен анализ и синтез алгоритмов декодирования многоуровневых сигнально-кодовых конструкций (МСКК). Для блоковых турбокодов, с линейными двоичными парциальными кодами, синтезированы экономичные близкие к оптимальным алгоритмы мягкого декодирования.

Синтезированные в работе алгоритмы легли в основу разрабатываемых цифровых модемов телекоммуникационных систем радиосвязи с ортогональными поднесущими, обладающих высокими характеристиками спектральной эффективности и надежности обмена информацией.

Практическая ценность результатов диссертации подтверждена тремя актами об использовании и внедрении ее результатов.

Актуальность работы В последнее время разработаны и рекомендованы к использованию стандарты для беспроводных сетей цифровой радиосвязи различного назначения.

Для современных сетей цифровой радиосвязи характерны требования высокой пропускной способности и помехоустойчивости.

Разработка высокоскоростных помехоустойчивых цифровых систем радиосвязи требует решения целого комплекса научно-техническим проблем, связанных с теорией и практикой цифровой обработки сигналов и помехоустойчивого кодирования.

Одним из путей решения данных проблем можно рассматривать использование рекомендаций принятого в 2004 году стандарта фиксированной радиосвязи IEEE 802.16-2004 (WiMAX) [10].

В данном стандарте представлены наиболее перспективные технические и технологические решения в области радиодоступа, такие как устойчивый к многолучевости и замираниям метод модуляции OFDM, спектрально-эффективные многоуровневые сигнально-кодовые конструкции (МСКК), и эффективные методы помехоустойчивого кодирования. Вышеуказанные особенности делают стандарт WiMAX привлекательным для применения при разработке современных цифровых систем радиосвязи высокой пропускной способности (в том числе и специального назначения), а исследования и разработка новых кодеков, обеспечивающих высокую надежность обмена информацией в условиях воздействия внешних помех, актуальной научно-технической задачей.

На физическом уровне стандарт WiMAX предусматривает три принципиально различных метода передачи данных [10]: метод модуляции одной несущей (SC), метод модуляции посредством ортогональных поднесущих (OFDM) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных поднесущих (OFDMA). Наиболее перспективным для использования представляется вариант c OFDM, который дает значительный выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с SC и менее сложен в реализации, чем OFDMA. Общим для режимов OFDM и OFDMA является то, что каждая поднесущая модулируется с помощью бинарной фазовой манипуляции (ФМ-2), квадратурной фазовой манипуляции (ФМ-4), или квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ) порядка 16 или 64.

Как правило, разработчики систем цифровой радиосвязи, в том числе и OFDM систем, решают компромиссную задачу «сложностьэффективность». На программно-аппаратном уровне, решение этих задач приводит к необходимости как алгоритмического, так и технического упрощения, включающего выбор минимально возможной разрядности при цифровой реализации алгоритмов.

Полосно-эффективные системы передачи дискретной информации, соответствующие стандарту WiMAX используют многоуровневые сигнально-кодовые конструкции, в которых манипулируемые амплитуды и фазы элементарных сигналов принимают одно из 2 значений. В последнее время появилось большое число исследований, посвященных декодированию МСКК, но в то же время ряд вопросов остается еще недостаточно изученным и исследованным. По этой причине разработка алгоритмов декодирования МСКК является актуальной задачей для проектирования современных спектрально-эффективных телекоммуникационных систем радиосвязи [2].

Решение проблемы помехоустойчивости при передаче информации по каналу связи является одной из основных при разработке современных телекоммуникационных систем. В мире разработано и используется большое количество различных вариантов помехоустойчивых кодеков. Предпочтение тому или иному варианту отдается исходя из различных факторов (шум в канале, скорость передачи, способ передачи, тип передаваемых данных и т.д.). Каждая конкретная задача может требовать разработки новых кодеков. В настоящее время популярными стали алгоритмы декодирования с мягкими (недвоичными) решениями. Наилучшие результаты при таком подходе позволяет получать турбокодирование, основанное на произведении двух или более парциальных кодов [8].

Среди известных работ можно выделить целый ряд публикаций, посвященных упрощенным алгоритмам мягкого декодирования, а также упрощению итеративной процедуры декодирования. В этих работах показано что значительные упрощения оптимальных алгоритмов декодирования могут быть достигнуты без существенного ухудшения эффективности работы декодера.

Однако следует отметить, что в известных работах упрощения алгоритмов мягкого декодирования парциальных кодов исследованы без учета возможности их инженерной реализации. В настоящей диссертационной работе предпринята попытка решения этой проблемы, а именно: помимо исследования возможности дальнейшего упрощения алгоритмов для любых парциальных линейных двоичных кодов [4-7], решена задача определения разрядности функционирования всех узлов тракта декодирования, и определены требования к точности вычисления энергетических параметров канала (т.н. канального измерителя) [11].

Учитывая всё возрастающий интерес к высокоскоростным беспроводным помехоустойчивым телекоммуникационным связным приложениям, основой которых являются рекомендации стандарта WiMAX, можно утверждать, что разработка, исследование и доведение до инженерного уровня алгоритмов кодирования и декодирования (как основных частей этих систем), является важной и актуальной задачей, не решенной в полной мере ни в одной из известных на сегодняшний день работ.

Полученные в работе результаты дают основание для проектирования отечественных лицензионно чистых кодеков применительно к стандарту WiMAX, реализуемых на FPGA 1 и ASIC 2, и как следствие, позволят частично уйти от экспансии импортной элементной базы при построении телекоммуникационных систем радиосвязи, в том числе и специального назначения.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка рекомендаций по проектированию и инженерной реализации экономичных и эффективных кодеров и декодеров многоуровневых сигнально-кодовых конструкций для повышения спектральной эффективности и помехоустойчивости телекоммуникационных систем радиосвязи с ортогональными поднесущими.

Основные задачи исследования:

1) проанализировать алгоритмы декодирования МСКК с точки зрения их эффективности и реализуемости;

2) провести исследование помехоустойчивого кодирования для OFDM систем;

3) синтезировать близкие к оптимальным алгоритмы побитовых оценок, удобные для инженерной реализации;

4) исследовать возможности технической реализации синтезированных алгоритмов;

5) разработать экономичный с точки зрения реализации алгоритм декодирования блоковых турбокодов с парциальными линейными двоичными кодами;

6) разработать математическую модель трактов кодирования и декодирования для телекоммуникационной системы радиосвязи с ортогональными поднесущими;

7) провести моделирование разработанных алгоритмов, оценить их эффективность и сложность реализации;

8) провести исследование и определить минимально допустимую разрядность в узлах тракта декодирования;

9) определить требования к точности канального измерителя;

10) определить наборы коэффициентов обратных связей для итеративного декодера блоковых турбокодов;

11) получить важные с инженерной точки зрения зависимости BER=f(Eb/No) для различных сигнально-кодовых конструкций, FPGA – программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) ASIC – специализированная интегральная схема которые служат инструментом при проведении энергетических расчетов систем радиосвязи.

Методы исследования Основные результаты, изложенные в работе, получены с использованием аппарата теории сигналов и теории потенциальной помехоустойчивости.

Для проверки и подтверждения результатов, полученных аналитическим путем, использовался метод компьютерного имитационного моделирования с применением среды Matlab и программного пакета Simulink.

Научная новизна работы 1. Впервые, применительно к КАМ конструкциям иерархической структуры и КАМ конструкциям с кодами Грея, синтезированы близкие к оптимальным алгоритмы мягких побитовых оценок для декодирования парциальных кодов. Синтез основан на функциональном представлении КАМ конструкций [2].

2. Для турбокодов с парциальными линейными двоичными кодами, синтезированы оригинальные экономичные алгоритмы мягкого декодирования, не требующие знания отношения сигнал/помеха, и не требующие сложных экспоненциальных преобразований [4-7].

3. На основе синтезированных алгоритмов мягких побитовых оценок для КАМ конструкций с кодами Грея разработана блоксхема аппаратной реализации деманипулятора.

4. На основе синтезированного алгоритма мягкого декодирования блоковых турбокодов с парциальными линейными двоичными кодами разработана блок-схема его аппаратной реализации.

5. Получены наборы коэффициентов обратных связей для рекомендованных в стандарте WIMAX. Для турбокода (64,57) со скоростью R=0.8 энергетический выигрыш составляет 7дБ (при 6-ти итерациях) по сравнению с некодированной передачей.

6. Выработаны требования к точности оценки коэффициентов передачи в системе радиосвязи с ортогональными поднесущими. Показано, что увеличение точности оценки на 3дБ приводит к улучшению вероятностно-энергетической характеристики системы на 1.5дБ. [11].

7. Для всех узлов тракта декодирования определена минимально допустимая разрядность, упрощающая их практическую реализацию без существенного ухудшения эффективности 8. Разработанный в работе декодер блоковых турбокодов защищен патентом на полезную модель «Устройство итеративного декодирования блоковых турбокодов»

№2007103864/22(004161).

Практическая значимость диссертационной работы 1. Полученные результаты позволяют проектировать эффективные лицензионно-чистые алгоритмы кодирования и декодирования и использовать их в разработках отечественных телекоммуникационных систем радиосвязи, в том числе и специального назначения, что позволит частично избежать зависимости от импортной элементной базы.

2. Применение синтезированных в работе алгоритмов кодирования и декодирования в телекоммуникационных системах радиосвязи дает возможность получать высокие технические и потребительские характеристики, обеспечивая высокую надежность обмена информацией в условиях воздействия внешних помех.

3. Полученные в работе вероятностно-энергетические характеристики в виде зависимостей BER=f(Eb/No) служат для инженерной практики инструментом при проведении энергетических расчетов систем радиосвязи стандарта WiMAX.

Внедрение результатов Основные научно-технические результаты, полученные автором в процессе работы над диссертацией, нашли применение в ОКР «Цифровой модем WiMAX» на ФГУП «Нижегородский завод им.

М.В.Фрунзе», ОКР по теме «Борисоглебск» на ФГУП «НПП «Кант» и в ОКР по разработке «системы на кристалле» WiMAX (шифр темы «Термит») в компании ООО «Юник Ай Сиз», что подтверждается соответствующими актами об использовании и внедрении, а также в НИР № 866-ГБ-53-Б-ВТ «Исследование информационного взаимодействия интеллектуальных объектов для решения многофакторных задач в системах дистанционного управления подвижными объектами» и НИР № 664-ГБ-53-Б-ВТ «Исследование принципов построения сетевой топологии телекоммуникационных систем для подвижных объектов» на кафедре Вычислительной техники МИЭТ.

Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью полученных в работе теоретических выводов и практических результатов.

Личный вклад автора Основными из полученных автором результатов, являются:

1) синтез близких к оптимальным алгоритмов мягких побитовых оценок для КАМ конструкций иерархической структуры и для КАМ конструкций с кодами Грея;

2) анализ наиболее эффективных алгоритмов помехоустойчивого телекоммуникационных систем радиосвязи с ортогональными поднесущими;

3) синтез экономичных алгоритмов мягкого декодирования блоковых турбокодов, не требующих знания отношения сигнал/помеха, и не требующих сложных экспоненциальных преобразований;

4) компьютерное моделирование синтезированных алгоритмов и анализ результатов моделирования. Проверка полученных результатов путем их сравнения с теоретическими расчетами и результатами других авторов.

5) определение параметров трактов кодирования и декодирования, в числе которых: точность функционирования канального измерителя; разрядность функционирования всех узлов тракта декодирования; коэффициенты обратных связей для итеративного декодирования.

6) разработка блок-схем аппаратной реализации деманипулятора и декодера блоковых турбокодов, рекомендованных в стандарте WiMAX, в соответствии с синтезированными алгоритмами.

7) получение важных с инженерной точки зрения зависимости BER=f(Eb/No) для различных сигнально-кодовых конструкций, которые служат инструментом при проведении энергетических расчетов систем радиосвязи.

8) разработанные блок-схемы аппаратной реализации использованы в проектно-конструкторской деятельности ФГУП «Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе» при проведении ОКР по теме «Цифровой модем WiMAX» для реализации OFDM 9) разработанная блок-схема аппаратной реализации декодера блоковых турбокодов внедрена в опытно-конструкторскую работу (шифр «Борисоглебск») при проектировании и производстве системы внутрикомплексного информационного обмена на ФГУП «НПП «Кант», что позволило увеличить помехоустойчивость системы на 2дБ по сравнению с использованной ранее схемой каскадного кодирования.

10) разработанные блок-схемы аппаратной реализации использованы в компании ООО «Юник Ай Сиз» при дизайне «системы на кристалле» (шифр темы «Термит»), основанной на рекомендациях стандарта IEEE 802.16-2004 (WiMAX).

11) диссертант является соавтором патента на полезную модель «Устройство итеративного декодирования блоковых турбокодов» №2007103864/22(004161) на разработанный в диссертации декодер блоковых турбокодов.

Положения, выносимые на защиту 1) Алгоритм вычисления мягких побитовых оценок для КАМ конструкций иерархической структуры и для КАМ конструкций с кодами Грея.

2) Экономичный алгоритм декодирования блоковых турбокодов, не требующий знания отношения сигнал/помеха, и не требующий сложных экспоненциальных преобразований.

3) Блок-схемы аппаратной реализации деманипулятора и декодера блоковых турбокодов, построенные в соответствии с синтезированными алгоритмами.

4) Результаты определения минимально допустимой разрядности для всех узлов тракта декодирования системы связи с ортогональными поднесущими.

5) Требования к точности измерения канальным измерителем.

6) Акт об использовании результатов диссертационной работы в проектно-конструкторской деятельности ФГУП «Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе» при проведении ОКР по теме «Цифровой модем WiMAX» для реализации OFDM модема на FPGA.

7) Акт о внедрении результатов диссертационной работы в опытноконструкторскую работу (шифр «Борисоглебск») при проектировании и производстве системы внутрикомплексного информационного обмена на ФГУП «НПП «Кант».

8) Акт об использовании результатов диссертационной работы в компании ООО «Юник Ай Сиз» при дизайне «системы на кристалле»

(шифр темы «Термит»), основанной на рекомендациях стандарта IEEE 802.16-2004 (WiMAX).

9) Патент на полезную модель «Устройство итеративного декодирования блоковых турбокодов» №2007103864/22(004161).

Апробация работы Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научнотехнических совещаниях по НИР и ОКР на кафедре Вычислительной Техники Московского государственного института электронной техники, научно-технических совещаниях с представителями ФГУП «Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе», на защите этапа ОКР «Борисоглебск» на ФГУП «Кант», на этапе согласования технического задания и сопровождения ОКР «Термит» в компании ООО «Юник Ай Сиз», а также всероссийских и международных научно-технических конференциях, в числе которых: 11-я всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатикаМИЭТ, Москва, 2004), научно-техническая конференция «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2004), конференция «Телекоммуникационные и вычислительные системы» (МТУСИ, Москва, 2004), конференция «Телекоммуникационные и вычислительные системы» (МТУСИ, Москва, 2005), международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPAМосква, 2006), 61-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио (ЛЭТИ, Санкт-Петербург, 2006), 13-я всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006»

(МИЭТ, Москва, 2006), международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2007» (Москва, 2007), международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2008» (Москва, 2008).

Публикации Диссертант является соавтором 1 монографии. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 3 статьях, научных докладах на российских и международных конференциях и патенте полезной модели «Устройство итеративного декодирования блоковых турбокодов» №2007103864/22(0041161).

Структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав Диссертация изложена на 130 страницах основного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из наименований и 3 приложений, содержит 26 рисунков.

Содержание работы В первой главе приведены принципы построения трактов кодирования и декодирования для телекоммуникационных систем радиосвязи с ортогональными поднесущими (OFDM).

При формировании OFDM-сигнала последовательный цифровой поток данных делится в модуляторе на N подпотоков, из которых формируется OFDM символ. Для OFDM сигнала, сгенерированного OFDM-системой с N поднесущими комплексная огибающая на интервале T описывается следующим выражением:

где xk - символы данных, A - амплитуда.

Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции. В OFDM-системах отдельные поднесущие могут модулироваться с использованием бинарной фазовой манипуляции (BPSK, ФМ-2), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK, ФМ-4) или квадратурной амплитудной манипуляции (QAM, КАМ) порядка 16 или 64.

Деманипулятор сигналов ФМ или КАМ выдает мягкие решения на помехоустойчивый декодер, который декодирует информацию, используя внесенную кодером избыточность.

В настоящее время популярными стали алгоритмы декодирования с мягкими решениями, т.е. когда на выход декодера подается не только информация, но и правдоподобие этой информации.

Наилучшие результаты при таком подходе позволяет получать турбокодирование, основанное на произведении двух или более парциальных кодов [5,8].

В первой главе дается обзор известных работ как по декодированию МСКК на основе ФМ и КАМ, так и по алгоритмам декодирования блоковых турбокодов. Показана актуальность проведения комплексных теоретических исследований, направленных на построение спектрально эффективных помехоустойчивых систем радиосвязи на основе КАМ и турбокодов [5,8]. Обоснована актуальность теоретических исследований, направленных на совершенствование тракта декодирование, как в части функционирования, так и снижения сложности технической реализации [7].

Во второй главе рассмотрены вопросы синтеза алгоритмов декодирования МСКК, и адаптации этих алгоритмов к инженерным применениям.

Многоуровневые сигнально-кодовые конструкции, в которых манипулируемые амплитуды и фазы элементарных сигналов принимают одно из 2 значений, широко применяются в полосноэффективных системах передачи дискретной информации.

Смысл КАМ заключается в одновременной передаче двух отдельных k-битовых информационных блоков на несущих, находящихся в квадратуре:

(где I и Q - синфазная и квадратурная компоненты сигналов, соответственно, а f c - центральная частота). Если точка созвездия на IQ-плоскости имеет координаты (x,y), то передаваемый сигнал имеет вид:

где R = ( x + y ), = tan ( y / x ), а T – длительность символа.

Чтобы выполнить декодирование, демодулятор приемника использует алгоритм генерации мягких решений по принятому модулированному сигналу. Алгоритм отображения генерирует мягкие решения, каждое из которых соответствует выходным битам кодера канала.

На практике чаще всего используют разновидности алгоритма отображения, предложенного фирмой Motorola и описанного в патенте «Method and apparatus for calculating bit log-likelihood ratios for QAM signals» (EP 1 246 419 A1). Данный алгоритм основан на вычислении значения логарифмического отношения правдоподобия (ЛОП) для выходных битов и использует вычисленные значения ЛОП в качестве значений мягкого решения, которые подаются на вход декодера канала. Однако аппроксимация сложной формулы вычисления ЛОП более простой аппроксимированной формулой вызывает неточность вычисления, что приводит к ухудшению рабочих характеристик. Более сложные метрические процедуры требуют увеличения количества вычислений, что естественно приводит к значительному усложнению оборудования.

Существует другой, достаточно мало исследованный подход к решению задачи вычисления мягких решений. Этот подход основан на функциональном представлении кодов Грея и получении побитовых оценок в виде линейно-ломаных преобразований входных отcчетов.

1) Получены простые алгоритмы оптимального декодирования, включающие в себя побитовые оценки в виде линейно-ломанных преобразований входных отсчетов и поэтапное декодирование парциальных двоичных кодов, аналогичное декодированию сигналов ФМ-2 в белом гауссовском шуме.

2) Разработаны простые соотношения для оценки энергетических потерь. Показано, что потери уменьшаются с ростом отношения сигнал/помеха, т.е. поэтапный декодер является асимптотически оптимальным.

3) Для КАМ конструкций с кодами Грея синтезированы близкие к оптимальным алгоритмы мягких побитовых оценок. Синтез основан на функциональном представлении кодов Грея. Побитовые оценки представляют собой линейно-ломаные преобразования входных отсчетов. Моделированием получены параметры побитовых оценок в виде эквивалентного отношения сигнал/помеха.

4) Синтезированные во второй главе алгоритмы доведены до уровня инженерного применения; предложен вариант построения блоксхемы аппаратной реализации манипулятора и деманипулятора для МСКК, рекомендованных в стандарте WiMAX (рис.1).

Рис.1. Блок-схема практической реализации деманипулятора.

Из рис.1 видно, что для декодирования одного символа КАМ- требуется 2 операции сложения и 5 операций умножения, а для декодирования одного символа КАМ-64 требуется 4 операции сложения и 8 операций умножения, что нетрудно реализовать на практике.

Следует отметить, что в работах других авторов, посвященных декодированию КАМ-конструкций, при декодировании, помимо операций сложения и умножения, требуется вычисление сложных в реализации функций max (min), log или exp.

Основные результаты этой главы опубликованы в работах [1, 2, 7, 9].

В третьей главе рассмотрены вопросы построения алгоритмов итеративного декодирования блоковых турбокодов.

Итеративный декодер блоковых турбокодов образуется путем последовательного соединения двух декодеров парциальных блоковых кодов. Декодер парциальных блоковых кодов основан на вычислении логарифма отношения апостериорных вероятностей двоичных символов парциальных кодов:

где кодовое слово R = {rl ; 0 l N 1}, а N – длина кодового слова.

В третьей главе проведен подробный анализ существующих методов итеративного декодирования блоковых турбокодов с точки зрения их аппаратной реализации. Анализ показал ряд недостатков этих методов декодирования для практического использования:

• зависимость от отношения сигнал/шум в канале • наличие сложных для реализации экспоненциальных • большой объем множества тестовых векторов ошибок (велико время перебора гипотез), что уменьшает производительность работы декодера.

Автором предложены и синтезированы экономичные близкие к оптимальным алгоритмы вычисления кодовых добавок для блоковых турбокодов с парциальными линейными двоичными кодами.

Синтезированные алгоритмы не требуют знания отношения сигнал/помеха, и не требуют экспоненциальных преобразований.

На основе синтезированных алгоритмов разработана блок-схема итеративного декодера двоичных блоковых турбокодов (рис.2) с близкими к предельным вероятностно-энергетическими характеристиками.

Рис.2. Блок-схема итеративного декодера двоичных блоковых Блоки «Анализ строк» и «Анализ столбцов» основаны на вычислении логарифма отношения апостериорных вероятностей двоичных символов парциальных кодов.

Для вычисления логарифма отношения апостериорных вероятностей используется алгоритм Чейза. Алгоритм Чейза использует множество более вероятных последовательностей ошибок и обеспечивает почти оптимальное декодирование. Это множество ошибок выбирается на основе оценок надежности принятых символов.

В известных работах алгоритм Чейза для декодирования парциальных блоковых кодов используется не экономно [12], вследствие чего требуется большее количество вычислительных операций для декодирования, что усложняет аппаратную реализацию и увеличивает задержку на декодирование.

В третьей главе показано, что в алгоритме Чейза на промежуточных этапах определяются двойственные характеристики – гипотетические вектора ошибок и их веса. Определена зависимость логарифма апостериорных вероятностей от двойственных характеристик, что позволило упростить реализацию декодера блоковых турбокодов, исключив определение гипотетических кодовых слов и их метрик.

Основные результаты данной главы опубликованы в работах [4,9,12,13].

В четвертой главе разработана математическая модель трактов кодирования и декодирования, позволяющая провести их анализ.

Проведена оценка энергетических потерь из-за неточности измерения коэффициентов передачи. При работе OFDM системы в Lлучевом канале коэффициент передачи на m -й поднесущей представляется в виде:

где OFDM символа без циклического префикса, N – количество поднесущих.

При анализе результатов моделирования определены требования к точности оценки коэффициентов передачи. Показано, что увеличение точности оценки на 3дБ приводит к улучшению вероятностно-энергетической характеристики системы на 1.5дБ, что является существенной величиной для повышения качества работы системы [11].

С помощью компьютерного имитационного моделирования в четвертой главе получены показатели эффективности синтезированных во второй и третьей главах алгоритмов. На рис.3 представлены результаты моделирования зависимостей BER=f(Eb/No) в однолучевом зеркальном канале, и сравнение полученных результатов с приведенными в литературе теоретическими зависимостями. Из рис. видно, что разработанный в главе 2 алгоритм работы деманипулятора обладает высокой точностью, при простоте практической реализации.

ФМ-4, КАМ-16, КАМ-64 в АБГШ канале. Расчетные данные и результаты моделирования Рис.3. Зависимости BER=f(Eb/No) (без ограничения разрядности) для ФМ-4, КАМ-16, КАМ-64 в однолучевом канале с аддитивным белым В четвертой главе моделированием получены наборы коэффициентов обратных связей для итеративного декодера блоковых турбокодов, разработанного в третьей главе (табл.1). Результаты моделирования работы декодера для 2, 4 и 6 итераций при заданных коэффициентах обратных связей представлены на рис.4.

Табл.1. Коэффициенты обратных связей для итеративного декодера.

Kx=[0.5 0.9] Kx=[0.5 0.5 0.6 0.9] Kx=[0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 0.9] Ky=[0.5 0.9] Ky=[0.5 0.5 0.6 0.9] Ky=[0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 0.9] Bit Error Rate Рис.4. Результаты моделирования блокового турбокода (64,57)2 и сравнение с результатами каскадного кода RS+Viterbi при С помощью разработанной в четвертой главе математической модели оценена минимально допустимая разрядность во всех узлах тракта декодирования (рис.5., табл.2). Процесс квантования действительной и мнимой частей сигнала задавался выражениями:

где n – разрядность представления чисел rm, А – уровень ограничения.

Табл.2. Минимально допустимая разрядность во всех узлах тракта декодирования Минимально допустимое количество разрядов В четвертой главе приведены результаты моделирования разработанного алгоритма декодирования блоковых турбокодов для кода (64,57)2 и каскадной схемы кодирования RS+Viterbi (рис.4). Чтобы такое сравнение было корректным, оно должно проводиться при близких (либо равных) кодовых скоростях.

Использование кода (64,57)2 подразумевает скорость кодирования Rturbo=(57*57)/(64*64)=0,793. Наиболее близким по скорости вариантом каскадного кода является комбинация RS(255,239) и сверточного кода со скоростью 5/6, имеющим скорость Rrsv=(239/255)*(5/6)=0,781.

Результаты сравнения этих кодов приведены на рис.4. Из рис. следует, что энергетический выигрыш от применения блокового турбокода (64,57)2 (при 6 итерациях) составляет около ~2дБ по сравнению с близким по скорости каскадным кодом RS(255,239)+Viterbi (R=5/6).

Обычно качество системы связи измеряется отношением энергии, приходящейся на один информационный символ, к спектральной плотности шума ( Eb / N 0 ), которое требуется для достижения требуемого качества работы системы. Введенный в литературе термин «выигрыш от кодирования» указывает на улучшение энергетических характеристик от использования данной схемы кодирования. Очевидно, что оценка выигрыша от кодирования состоит в сравнении графиков, показывающих зависимость вероятности ошибки от Eb / N 0, и определении разности значений при фиксированной вероятности ошибки. Из рис.4 следует, что энергетический выигрыш для блокового турбокода (64,57)2 составляет 7дБ (для 6 итераций) по сравнению с некодированной передачей, что на ~2дБ лучше результатов, которые дает близкий по скорости каскадный код.

1. Разработана математическая модель трактов кодирования и декодирования, позволяющая провести их анализ.

2. Проведена оценка энергетических потерь, возникающих из-за неточности измерения коэффициентов передачи и выработаны требования к точности измерения. Показано, что увеличение точности оценки на 3дБ приводит к улучшению вероятностно-энергетической характеристики системы на 1.5дБ.

3. Проведен анализ реализуемости разработанных в главе 2 и главе 3 алгоритмов. С помощью компьютерного имитационного моделирования оценена минимально допустимая разрядность во всех узлах тракта декодирования.

4. Моделированием получены наборы коэффициентов обратных связей для итеративного декодера блоковых турбокодов, определенных в стандарте WiMAX.

5. Получены важные с инженерной точки зрения зависимости BER=f(Eb/No), которые служат инструментом при проведении энергетических расчетов систем радиосвязи.

6. Моделированием оценен энергетический выигрыш от турбокодирования, который составил 7дБ (для 6 итераций), что на 2дБ больше, чем при использовании близкого по скорости каскадного кода.

7. Путем сравнения полученных результатов моделирования с теоретическими расчетами и результатами других авторов проведена проверка полученных результатов. Полученные результаты согласуются с известными данными и не противоречат известным границам и оценкам.

8. Получена карта разрядности представления данных во всех узлах тракта декодирования, необходимая для аппаратной реализации разработанных алгоритмов.

Таким образом, моделирование, проведенное в главе 4, позволило довести разработанные алгоритмы до инженерного уровня.

Основные результаты этой главы отражены автором в работах [8,11,13] В заключении приведены кратко сформулированные основные результаты и выводы, полученные в ходе работы над диссертацией, а также намечены направления дальнейших исследований.

Основные результаты и выводы Основные результаты, полученные в диссертационной работе, следующие:

1) проведен общий анализ алгоритмов декодирования МСКК;

помехоустойчивого кодирования для OFDM систем;

3) синтезированы близкие к оптимальным алгоритмы побитовых оценок, удобные для реализации;

4) разработан экономичный алгоритм декодирования блоковых турбокодов с парциальными линейными двоичными кодами;

синтезированных алгоритмов;

6) построены блок-схемы аппаратной реализации деманипулятора и декодера блоковых турбокодов;

7) разработана математическая модель трактов кодирования и декодирования для системы радиосвязи с ортогональными 8) проведено моделирование разработанных алгоритмов и анализ результатов; результаты компьютерного моделирования согласуются с полученными теоретическими результатами;

9) определена минимально допустимая разрядность во всех узлах тракта декодирования, наборы коэффициентов обратных связей для итеративного декодера блоковых турбокодов, требования к точности канального измерителя.

10) получены важные с инженерной точки зрения зависимости BER=f(Eb/No) для различных сигнально-кодовых конструкций, которые служат инструментом при проведении энергетических расчетов систем радиосвязи.

Полученные автором результаты использовались при выполнении ряда НИР и ОКР, в частности:

1. Анализ перспективных методов помехоустойчивого кодирования, проведенный в первой главе, представлен в НИР взаимодействия интеллектуальных объектов для решения многофакторных задач в системах дистанционного управления Вычислительной техники МИЭТ.

2. Синтезированные во второй и третьей главах алгоритмы представлены в НИР № 664-ГБ-53-Б-ВТ «Исследование телекоммуникационных систем для подвижных объектов», проводимой на кафедре Вычислительной техники МИЭТ.

3. Синтезированные в главах 2 и 3 алгоритмы использованы при реализации цифрового модема WiMAX на FPGA на ФГУП «Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе», что подтверждено соответствующим актом об использовании.

4. Синтезированный в главе 3 алгоритм декодирования блоковых турбокодов внедрен в опытно-конструкторскую работу (шифр «Борисоглебск») при проектировании и производстве системы внутрикомплексного информационного обмена на ФГУП «НПП «Кант», что позволило увеличить помехоустойчивость системы на 2дБ по сравнению с использованной ранее схемой каскадного кодирования, что подтверждено соответствующим 5. Для формирования технического задания на разработку трактов кодирования и декодирования в «системе на кристалле»

WiMAX в компании ООО «Юник Ай Сиз» (шифр темы «Термит») использованы результаты, полученные во второй, третьей и четвертой главах диссертационной работы, что подтверждено соответствующим актом об использовании.

Полученные в работе результаты дают основание для реализации отечественных лицензионно чистых кодеков применительно к стандарту WiMAX, реализуемых на FPGA или ASIC и как следствие, позволят частично уйти от экспансии импортной элементной базы при построении систем связи, в том числе и специального назначения.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях 1. Архипкин А.В. Численная оценка энергетических потерь при фазовом рассогласовании в демодуляторе OFDM-символов по стандарту IEEE 802.16a // труды 11-й всероссийской «Микроэлектроника и информатика-2004», Москва: МИЭТ, 2. Архипкин В.Я., Архипкин А.В., Иванов П.В., Смольянинов В.М. Побитовая оценка при декодировании многоуровневых сигнально-кодовых конструкций, основанных на кодах Грея // «Радиолокация. Навигация. Связь». Тезисы докладов научнотехнической конференции // стр.817-821, Воронеж, 2004.

помехоустойчивого кодирования в стандарте 802.16a для многолучевого (релеевского) канала // труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», Москва:

МТУСИ, 2004 // стр.246-247.

4. Архипкин А.В. Упрощенный алгоритм декодирования блочных турбокодов // труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», Москва: МТУСИ, 2005 // стр.227Архипкин А.В. Алгоритмы турбокодирования для российских систем связи // М.: Электросвязь №6 2006г // стр.34-36.

6. Архипкин А.В. Экономный алгоритм декодирования двоичных блочных турбокодов // труды международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2006» // стр.49-53, Москва, 2006.

7. Архипкин А.В. Оптимизация тракта декодирования в системе связи стандарта WiMAX // труды 61-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Санкт-Петербург:

ЛЭТИ, 2006 // стр.48-49.

8. Архипкин А.В. Турбокоды – мощные алгоритмы для современных систем связи // М.: Беспроводные технологии, № (02) 2006, стр.63-64.

9. Архипкин А.В. Разработка алгоритмов кодирования и декодирования для системы связи стандарта WiMAX // труды 13-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006» // Москва: МИЭТ, 2006 // стр.272.

10. Стандарт WiMAX: техническое описание, варианты реализации и специфика применения, Архипкин А.В. // М.: Беспроводные технологии, №3 (04) 2006, стр.18-21.

11. Архипкин А.В. Оценка влияния неточности измерений на качество функционирования тракта декодирования стационарной OFDM системы // труды международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2007» // стр.39-40, Москва, 2007.

12. Архипкин А.В. Алгоритм Чейза в итеративном декодере блоковых турбокодов // труды международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2008» // стр.34-37, Москва, 2008.

13. Заявка на патент полезной модели «Устройство итеративного №2007103864/22(0041161).

14. Архипкин В.Я., Архипкин А.В., Bluetooth. Технические требования. Практическая реализация. Приложения, ИТЦ «Мобильные коммуникации», Москва, 2004.