Скляр Б. Цифровая связь (2003) (1151859), страница 110
Текст из файла (страница 110)
Кодовые символы последовательно подаются в блок из Лг репгстров; каждый последующий регистр может хранить на У символов больше, чем предыдущий. Нулевой регистр не предназначен для хранения 488 Глава 8. Канальное кодирование: часть 3 (символ сразу же передается). С каждым новым кодовым символом коммутатор переключается на новый регистр, и кодовый символ подается на него до тех пор, пока наиболее старый кодовый символ в регистре не будет передан на модулятор/передатчик После (Ф- 1)-го регистра коммутатор возвращается к нулевому регистру и повторяет все снова После приема операции повторяются в обратном порядке. И вход, и выход устройств чередования и восстановления должны быть синхронизированы.
Переключатели коммутатора о~ д 1 — о о-((Лг - я)д — о 1 декодеру о~~~-~~ -о Устройство чередования Устройство аосслкноаления Рис. 8 12 Реализация регистра сдвига для сверточного устройства чередования/восстановления На рис. 8.13 показан пример простого сверточного четырехрегистрового (У= 1) устройства чередования, загруженного последовательностью кодовых символов. Одновременно представлено синхронизированное устройство восстановления, которое передает обработанные символы на декодер. На рис.
8.13, а показана загрузка символов 1 — 4; знак "х" означает неизвестное состояние. На рис. 8.13, б представлены первые четыре символа, подаваемые в регистры, и показана передача символов 5 — 8 на выход устройства чередования. На рис. 8.13, в показаны поступающие в устройство символы 9 — 12. Теперь устройство восстановления заполнено символами сообщения, но еше не способно ничего передавать на декодер. И наконец, на рис. 8.13, г показаны символы 13-16, поступившие в устройство чередования, и символы 1 — 4, переданные на декодер.
Процесс продолжается таким образом до тех пор, пока полная последовательность кодового слова побудет передана на декодер в своей исходной форме. Рабочие характеристики сверточного устройства чередования сходны с параметрами блочного устройства. Важным преимуществом сверточного устройства перед блочным является то, что при сверточном чередовании прямая задержка составляет М()У-1) символов при Ммгуг, а требуемые объемы памяти — М(гу-1)гл на обоих концах канала.
Очевидно, что требования к памяти и время задержки снижаются вдвое, по сравнению с блочным чередованием 19). 8.2.3. Каскадные коды Каскадными называются коды, в которых кодирование осуществляется в два уровня; имеется внутренний и внешний коды, с помощью которых и достигается желаемая надежность передачи сообщений.
На рис. 8.14 изображен порядок кодирования и декодирования. Внутренний код связан с модулятором (демодулятором) и каналом; он, как правило, настраивается для исправления большинства канальных ошибок. Внешний код, чаше всего высокоскоростной (с низкой избыточностью), снижает вероят- 8.2. Коды с чередованием и каскадные коды ность появления ошибок до заданного значения.
Основной причиной использования каскадного кода является низкая степень кодирования и общая сложность реализации, меньшая той, которая потребовалась бы для осуществления отдельной процедуры кодирования. На рис. 8.14 между двумя этапами кодирования располагается устройство чередования. Обычно это делается для того, чтобы разнести пакетные ошибки, которые могли бы появиться в результате внутреннего кодирования.
Устройство восстансоленил Устройство чередование Ив кодера К декодеру Переключатели коммукетора а) ББ г х, х 6) 10 6 6 2 )г в) 14 14 18 18 1! 16 16 12 8 1О 7 4 ю 6 г 7 3 г) Рис. Д13. Пример сверточного чередовании/восстановления Глава 8.
Канальноекодиоованиа:частьЗ В одной из наиболее популярных систем каскадного кодирования для внутреннего кода применяется сверточное кодирование по алгоритму Витерби, а для внешнего — код Рида- Соломона с чередованием между двумя этапами кодирования [21. Функционирование таких систем при Егу)ув, находяшемся в пределах от 0,2 до 2,5 дБ, для доспокения Р,= 10" реально достижимо в прикладных задачах 19). В этой системе демодулятор выдает мягко квантованные кодовые символы на внутренний сверточный декодер, который, в свою очередь, выдает жестко квантованные кодовые символы с пакетными ошибками на декодер Рида-Соломона. Входные данные Декоднроеанные данные Рис. 8.!4. Блочная диаграмма каскадной системы кодирования (В системе декодирования по алгоритму Витерби выходные ошибки имеют тенденцию к появлению пакетами.) Внешнии код Рида-Соломона образуется из т-битовых сегментов двоичного потока данных, Производительность такого (недвоичного) кода Рида-Соломона зависит только от числа символьных ошибок в блоке.
Код не искажается пакетами ошибок внутри т-битового символа. Иными словами, для данной символьной ошибки производительность кода Рида-Соломона такова, как если бы символьная ошибка была вызвана одним битом или т бит. Тем не менее производительность каскадных систем несколько ухудшается за счет коррелируюших ошибок в последовательных символах. Поэтому чередование между кодированиями нужно выполнять на уровне символов (а не битов).
Работа (10] представляет собой обзор каскадных кодов, которые были разработаны для дальней космической связи. В следуюшем разделе мы рассмотрим распространенную практическую реализацию символьного чередования в каскадных системах. 8.3. Кодирование и чередование в системах цифровой записи информации на компакт-дисках В 1979 году компании Р)н)1)ж Согр. (Нидерланды) и бопу Согр. (Япония) запатентовали стандарт хранения и воспроизведения цифровой записи аудиосигналов, известный как система цифровой записи на компакт-дисках (сотрасг оЬс й18]га) аогйо — СО-ОА). Зта система стала мировым стандартом, позволяюшим достичь безукоризненной точности воспроизведения звука, и опередила другие методики.
Для хранения оцифрованных аудиосигналов используется пластиковый диск диаметром 120 мм. Сигнал дискретизирован с частотой 44100 фрагментов/с дпя получения записи в полосе 20 кГц. Каждый аудиофрагмент однозначно квантован на один из 2ге уровней (1б бит/фрагмент), что даст в результате динамический диапазон в 96 дБ и нелинейное искажение 0,005%. Отдельный диск (время звучания составляет порядка 70 минут) хранит порядка 10'е бит в виде коротких впадин, которые сканируются лазером.
В данном случае существует несколько источников канальных ошибок: 1) маленькие нежелательные частички или воздушные пузырьки в материале пластика или неточное расположение впадин при изготовлении диска; 2) отпечатки пальцев нли цара- 8.3. Кодирование н чередование в системах цифровой записи информации... 491 Таблица 8.4. Спецификация кода Рида-Соломона с перекрестным чередованием, применяемого а аудиокомпакт-дисках Максимальная длина исправимого пакета Максимальная длина пакета, который можно интерполировать Скорость интерполяции фрагмента 4000 бит (2,5 мм длины дорожки на диске) 12000 бит (8 мм) 1 фрагмент/! 0 часов при Рв = 10 ', 1000 фрагментов/мии. при Рв = 10 ' Менее чем ! на 750 часов при Рв= 10' Пренебрежимо малое количество при Рв б 1(Г4 Необнаруженные фрагменты с ошибками (щелчки) Качество нового лиска Рв 104 В системе С(ВС зашита от ошибок обеспечивается множеством способов.
1. Декодер обеспечивает нужный уровень коррекции ошибок. 2. Если исчерпывается способность к коррекции ошибок, то декодер переходит на уровень коррекции стираний (см. раздел 6.5.5). 3. Если исчерпывается и зта способность, декодер предпринимает попытки замаскировать ненадежные фрагменты данных путем илшерлоллции между ближайшими надежными фрагментами.
4. Если исчерпывается способносп к интерполяции, декодер выключает или лодавллет систему на период ненадежного фрагмента. Глава Я. Канальное кодирование:частьЗ пины, появившиеся при эксплуатации. Трудно предсказать, как в среднем можно повредить компакт-диск; но при наличии точной канальной модели можно со всей уверенностью сказать, что канал, в основном, склонен вносить лакетолвдоблые ошибки, поскольку царапины или пятна от пальцев будут вызывать ошибки в нескольких последовательных фрагментах данных. Важным элементом разработки системы получения высококачественных характеристик является каскадная схема защиты от ошибок, которая называется кодам Рида-Соломона с перекрестным чередованием (стоят-!пгег!еате Кееб-Бо!ошоп себе — С1ВС).
Данные перемешиваются во времени так, что знаки, выходящие из последовательных фрагментов сигнала, оказываются разлесеинылги во времени. Таким образом, появление ошибок представляется в виде одиночных случайных ошибок (см. предыдущий раздел). Цифровая информация защищена посредством прибавления байтов четности, получаемых в двух кодерах Рида-Соломона. Защита от ошибок, осуществляемая на компакт-лисках, зависит обычно от кодирования Рида- Соломона и алгоритма чередования. В прикладных задачах передачи цифровой аудиоинформации, невыявляемая ошибка декодирования очень значительна, поскольку является результатом щелчка при воспроизведении, в то время как выявляемые ошибки незначительны, так как их можно скрыть.
Схема зашиты от ошибок С1ВС в системе С0-РА включает в себя и исправление, и маскировку ошибок. Технические характеристики схемы С1ВС даются в табл. 8.4. Из данных таблицы должно быть ясно, что компакт-диск может выдержать сильные повреждения (например, 8-миллиметровые отверстия, пробитые в диске) без значительных потерь в качестве звучания.
8.3.1. Кодирование по схеме С!ЯС На рис. 8.15 показана основная блочная диаграмма кодера С!йС (с оборудованием для записи компакт-диска) и декодера (с оборудованием для воспроизведения компакт-диска). Процедура кодирования состоит из собственно кодирования и чередования, где введены следующие обозначения: Л-чередование, Ст-кодирование, Речередование, С,-кодирование и 0-чередование. Процедура декодирования состоит из этапов декодирования и восстановления исходного порядка битов, которые выполняются в обратном порядке; здесь идут 1х-восстановление, С,-декодирование, 1зевосстановление, С,-декодирование и Л-восстановление.
Вход кодера Кодер ~ Выход ~ кодера ~ Вход 1 декаде Декодер Выход декодере Рис. Д15. Схема кодера и декодера СИС На рис. 8.16 показан элементарный период системного кадра и шесть периодов дискретизации, каждый из которых состоит из пары стсрсофрагмснтов (1б-битовый левый фрагмент и 1б-битовый правый фрагмент). Биты собраны в символы или байты размером 8 бит каждый, Следовательно, каждая пара фрагментов содержит 4 байт, а нскоди- 1 рованный кадр — к = 24 байт. На рис.
8.1б, а-д представлены ляигь эеалов кодироваиия, которые характеризуют систему С!кС. Функции каждого этапа будут более понятны, если мы рассмотрим процедуру декодирования. Этапы выглядят следующим образом. а) Ь-чередоваиие. Четные фрагменты отделяются от нечетных двумя кадрами для псрсмсшивания ошибок, которые определены, но нельзя исправить. Это облегчает процесс интерполяции. б) Смкодироваиие. К д-чсрсдованному 24-байтовому кадру прибавляется четыре байта четности Рида Соломона, что дает в итоге л-28 байт. Такой кол (28, 24) ! называется вмеиеиим, 8.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
