مشاهده فایل

Download Report

Transcript مشاهده فایل

‫بخش هفتم‬
‫کدینگ‬
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
Slide 1
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
2
‫کدینگ ‪Coding‬‬
‫مواردی که بطور خالصه از کدینگ(چه در بخش کدینگ منبع و چه در سایر موارد کدینگ) مد‬
‫نظر است را میتوان بقرار زیر بیان نمود‪:‬‬
‫‪ o‬کاهش حجم اطالعات پیام‬
‫‪ o‬داشتن تضمینی برصحت عملیات آشکارسازی‬
‫‪ o‬ایمن سازی و کنترل دسترس ی ‪Cryptography‬‬
‫البته بدیهی است در اجراء هر هدفی‪ ،‬مواردی هم وجود دارد که شاید در نگاه اول مهندس ی هم‬
‫بنظر نرسند لیکن توجه به آنها ضروری است که مهمترین آنها بقرار زیر است‪:‬‬
‫‪ o‬توجه به استفاده بهینه از زمان‪ ،‬هزینه‬
‫‪ o‬تضمین صحت انتقال با حفظ سرعت انتقال قابل قبول نرخ بیت انجام گیرد‪.‬‬
‫‪Slide 3‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫کدینگ کانال ‪)1( Channel Coding‬‬
‫همانطوریکه ههه میه ههدانیم اگه ههر کانه ههاوی خه ههاوی از هه ههر گونه ههه عه ههوار‬
‫داش ههته باش ههیم و همین ههین گیرن ههده اش ه ب هها ت ههوان ه ی ک هامال‬
‫درسه ههت بیدهه ههای دریه ههارسی‪ ،‬عمه ههال آنیه ههه ارسه ههال می ه ههود‪ ،‬توس ه ه‬
‫گیرن ههده بازشناسه ه ی خواه ههد گردی ههد‪ ،‬وو ههی هم ههانطور ک ههه می ههدانیم‬
‫وجود عوار ریزیک متعدد و متنوع در کانالهای انت ار متنوع‬
‫نظیر ”نویز“‪” ،‬ریدینگ“‪“،‬تداخل“‪ “،،‬دریارت چنهد میهیره“ و ‪...‬‬
‫مه هها را به ههر آن داشه ههته ته هها حتمه هها لفه هها هه ههای حفه هها سی مناسه ه و‬
‫متناس با هر عارضه و کاناوی خلق و ارایه نماییم‪.‬‬
‫‪Source‬‬
‫‪0011011100‬‬
‫‪g()xx‬‬
‫‪Modulator‬‬
‫)(‪g‬‬
‫‪xx‬‬
‫)(‪g‬‬
‫‪xx‬‬
‫‪Channel‬‬
‫‪Demodulator‬‬
‫‪0011111100‬‬
‫‪Sink‬‬
‫‪Slide 4‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
)2( Channel Coding ‫کدینگ کانال‬
‫ با ارزایش ارزونگ‬، ‫ برای تمام روشهای کدینگ با ارزودن یکیری بیت های‬،‫بعنوان یک اصل‬
.‫ نرخ بیدهای خطا کاهش م یابد‬Redundancy
‫منبع‬
Transmitter
1 1 0 1
1 1 0 1
1 0 0 1 1 1 0 1
1 1 0 1 1 1 0 0
Channel
encoder
‫مقصد‬
Receiver
Channel
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
Channel
decoder
Slide 5
‫کدینگ کانال ‪)3( Channel Coding‬‬
‫بطور کلی دو شیوه بمنظور کدینگ کانال امروزه‪ ،‬بقرار زیر اجراء م گردد‪:‬‬
‫• ‪ :ARQ‬کدینگ با نگاه به عق یا ‪Automatic Repeat Request‬‬
‫• ‪ :FEC‬کدینگ مبتنی بر تصحیح میتقیم یا ‪ Forward Error Correction‬که خود به سه دسته‬
‫کدینگ کانولوشنال و کدینگ بلوک و ‪(Interleaving‬بهم بارتگ )تقییم م گردند‪.‬‬
‫‪Slide 6‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫کدینگ کانال بروش میتقیم ‪FEC‬‬
‫این روش از تکنیک کدینگ مبتنی بر استفاده از کدهای کنترل کننده خطاء بهره میبرد‪ ،‬چنین روشهای با بهره‬
‫گیری از اصل ارزونگ اطالعات(وارد ساختن بیدها و اطالعات اضاره بر جریان اصلی داده ها) که اصطالحا‬
‫‪ redundancy‬گفته می ود به سییتمهای مخابرا این امکان را میدهد تا در مقصد بتوانند در وهله‬
‫نخیت ”خطاء را آشکار“ نموده و سپس ”تصحیح خطاء“ را در گام بعدی اجراء نمایند‪.‬‬
‫‪Slide 7‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫انواع روشهای کدینگ ‪FEC‬‬
‫ً‬
‫سه نوع کدینگ میتقیم یا ‪ FEC‬در سییتمهای مخابرا اجراء میگردد‪ ،‬که ذیال‬
‫بطورمختصر معرفی میکنیم‪:‬‬
‫روش ‪:Block Code‬‬
‫این متد بلوکهای ‪ n‬بیسی ایجاد م کند‪ ،‬بدین ترتی که با گررتن هر ‪ k‬بیت از دنباله ارساوی اصالعات اصلی و‬
‫ارزودن ‪ n-k‬بیت اضاره)‪ (redundant bit‬به آنها بلوکهای کدی جدیدی با شناسه )‪ (n,k‬ایجاد‬
‫میکنند‪.‬‬
‫که اصطالحا نیبت ‪ k/n‬را با ‪ R‬نمایش و ‪ Code Rate‬معرفی مینمایند‪.‬‬
‫روش ‪: Convolutional Codes‬‬
‫کدهای تولیدی بروش کانولوشنال بر سه دسته بیت استوارند‪ ،‬بطوریکه یک کدر کانولوشنال در هر لحظه ‪k‬‬
‫بیت اطالعات را به ‪ n‬بیت تبدیل م کند‪ ،‬و این دنباله نهای تولیدی ضمن اینکه به‪ k‬بیت اصلی وابیته‬
‫است ‪ ،‬به ‪ m‬بیت قبلی آنها نیز طبق ضابطه اش وابیته بوده و بهمین خاطر به این ‪ m‬بیت‪ ،‬حارظه انکدر‬
‫گفته می وند‪.‬‬
‫نرخ کد انکدر کانولوشنال در اینجا نیز با ‪ R=k/n‬عریف م گردد‪.‬‬
‫روش ‪:Interleaving‬‬
‫‪Slide 8‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫روش ‪ Block Code‬از کدینگ ‪)1( FEC‬‬
‫در شکل زیر عملکرد ررستنده و گیرنده بهمراه کدر و دیکدر ‪ FEC‬را به تصویر ک یده‪ ،‬یک‬
‫انکدر ‪ FEC‬بزبان ساده هر بلوک کد ‪ k‬بیسی را به یک بلوک ‪ n‬بیسی نگاشت م کند‪.‬‬
‫‪Receiver‬‬
‫‪Slide 9‬‬
‫‪Transmitter‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
:Block Code ‫انواع روشهای‬
•
•
•
•
repetition codes
parity codes
Hamming codes
cyclic codes
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
10
‫کدینگ ‪Repetition Coding‬‬
‫یک از ساده ترین روشهای کدینگ ‪ Repeat Code‬میباشد که بزبان ساده بقرار زیر قابل‬
‫عریف است‪:‬‬
‫ارسال‪:‬‬
‫‪1 111‬‬
‫‪0000‬‬
‫دریارت و تصمیم گیری گیرنده در خصوص کد دریارسی دچار خطا‪:‬‬
‫‪000, 001, 010, 100  000‬‬
‫‪111, 110, 101, 011  111‬‬
‫‪Slide 11‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫کدینگ ‪)1(Hamming Coding‬‬
‫یک از شیوه های کدینگ ‪ ،FEC‬به آلگوریتم ‪ Hamming‬معرو است‪ ،‬در این روش هر کد‬
‫واژه ‪ d‬با ضرب در یک ماتریس بنام ماتریس مولد‪ (Generation Matrix) G‬کد واژه جدید‬
‫‪ c‬اش تولید می ود‪.‬‬
‫در مثال زیر کد واژه ]‪ [0110‬پس از ورود به انکدر تبدیل به کدواژه‪7‬تای ]‪ [0110110‬شده‬
‫است‪.‬‬
‫‪c=d.G‬‬
‫‪Slide 12‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫کدینگ ‪)2(Hamming Coding‬‬
‫روش دیکدینگ ‪ Hamming‬نیز بر اساس همان آلگوریتم ضرب ماتریس ی انجام می ود‪ ،‬منتهی‬
‫اینجا ماتریس ی که باید ضرب شود متفاوت است؛‬
‫‪s = HT. c‬‬
‫‪Slide 13‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
DVB-T ‫چیدمان تجهیزات کدینگ در‬
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
14
‫روش کدینگ‪Reed-Solomon‬‬
‫در ررستنده های ‪ DVB-T‬قبل از اینکه بیته های ‪ 188bytes‬به مدوالتور‪ ، QAM‬جهت انجام‬
‫مالسی پلکس ‪COFDM‬تزریق شوند‪ ،‬ابتدا بمنظور اطمینان از اینکه داده ها بطور یک رشته کامال با‬
‫احتمال بیت ½ آرایش یابند توس یک اسکرمبلر‪ ،‬که یک ژنراتور دنباله باینری شبه تصادفی )‪(PBRS‬‬
‫است‪ ،‬رندومایز شده و سپس توس شیوه کدینگ بلوک بنام ‪ Reed-Solomon‬با ‪ 16‬بایت‬
‫‪ Parity‬اضاره‪ ،‬یک بیته ‪ 204bytes‬را تحویل مدوالتور‬
‫‪15‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫روش کدینگ کانولوشنال‬
‫برای ایجاد کد کانولوشنال ‪ m‬حارظه رجییتر بهمراه ‪ n‬جمع کنندۀ ‪ modulo-2‬نیاز است که نهایتا‬
‫این مجموعه کد نهای را ایجاد میکند‪:‬‬
‫در این مثال یک بیت ورودی پس از ورود به انکدر بواسطۀ سه حارظه رجییتر سه بیت خروچی را ایجاد میکند‪.‬‬
‫‪Slide 16‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫روش کدینگ کانولوشنال در ‪)1(DVB-T‬‬
‫در ررستنده ‪ dvb-t‬پس از کدینگ بروش ‪ Reed-Solomon‬که بنام روش کدینگ خارجی معرفی شد برای‬
‫حفا ت بی تر انجام میگیرد بنام کدینگ داخلی بیان و بر اساس کدهای کانولوشنال اجرا میگردد‪،‬دراین ررآیند به‬
‫ازای هر بیت ورودی دو بیت در خروجی اهر و بعبار ‪ code rate‬برابر ½ است‪ .‬با ررآیند دیگری بنام پانیینگ‬
‫امکان این وجود دارد که کمتر از دو بیت بازای هر بیت ورودی تولید و بزبان دیگر امکان دستیاب به کدریت های‬
‫باالتر ‪ 7/8,5/6,3/4,2/3‬تحقق یابد‪.‬‬
‫‪17‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
)2(DVB-T ‫روش کدینگ کانولوشنال در‬
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
18
‫روش دیکدینگ کانولوشنال در ‪(DVB-T‬آلگوریتم ‪)Viterbi‬‬
‫الگوریتم های زیادی برای کد گ ای از کدهای کانولوشنال وجود دارد که الگوریتم ویترب یک از‬
‫متداولترین روشها است‪.‬‬
‫این شیوه از الگوریتم کدگ ای به روش بی ترین ابه استفاده م کند‪ ،‬که با دریارت خروجی کانال‪،‬‬
‫نمودار ترلیس را برای یارتن مییری که در تولید رشته دریارسی از همه محتمل تر است جیتجو‬
‫کند(صفحه‪،434‬سییتمهای مخابرا به کمک ‪.)MATLAB‬‬
‫‪19‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫روش ‪Interleaving‬‬
‫برای شرای س ت کانال نظیر امکان ریدینگ تکنیک اینترلیوینگ در کنار دو روش مطروحۀ کدینگ‬
‫بییار کارساز خواهد بود‪.‬‬
‫در صورت وجود بیدینگ امکان تحقق خطا های ‪(Burst‬توده اش ) بییار است‪ ،‬که با بهم ریزی عمدی‬
‫و منطق بیدها میتوان خطاهای ‪ Burst‬را در کل استریم توزیع نمود‪.‬‬
‫البته تنها معزل اینکار تحمیل یک تاخیر دیگر به لینک خواهد بود‪ .‬در شکل زیر مثاوی از اینترلیوینگ ارایه‬
‫شده است‪:‬‬
‫‪Slide 20‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
DVB-T ‫ در‬Interleaving ‫اجرا‬
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
21
FEC ‫محاسبات روش کدینگ‬
‫ × نرخ بیت ورودی انکدرها = نرخ بیت ورودی کانال‬1/ (FEC rate)
‫ قرار دارد و لذا همیشه نرخ بیت خروجی‬7/8 ‫ تا‬1/2 ‫ بطور تیپیکال در گسترۀ‬FEC ‫نرخ بیت کدر‬
.‫انکدر بیشتر خواهد بود‬
‫با توجه به انجام دو کدینگ کانال نهایتا نرخ بیتی که در کانال مخابراتی جریان خواهد یافت‬
:‫برابرست با‬
SR = DR / (m ×CRv ×CRrs)
SR = Symbol Rate
DR = Data Rate
CRv = Viterbi forward error correction (FEC) Code Rate. Eg. 1/2, 2/3, 3/4, 5/6,
7/8
CRrs = Reed Soloman forward error correction (FEC) Code Rate. Eg. 188/204
m = modulation factor (transmission rate bits per symbol). BPSK=1, QPSK=2,
8PSK=3 etc
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
Slide 22
‫نکات کلیدی اندازه گیری های مبتنی بر کدینگ لینک ماهواره‬
‫بعنوان یک قانون کلی میتوان دو رویکرد را در خصوص انتخاب شیوه مدوالسیون و نوع‬
‫کدینگ از حیث ‪ Code Rate‬را مالحظه نمود‪:‬‬
‫• چنانیه ”پهنای باند“ میاله اصلی باشد‪ :‬توصیه می ود از کدینگ ‪ FEC‬با نرخ باالتر(‪1/2‬یا ‪ )2/3‬و‬
‫نیزمدوالسیونهای با مرتبۀ پایین تر استفاده نمود‪.‬‬
‫• چنانیه ”توان“ میاله اصلی باشد‪ :‬توصیه می ود از کدینگ ‪ FEC‬با نرخ پایین تر(‪3/4‬یا ‪ )7/8‬و‬
‫نیزمدوالسیونهای با مرتبۀ باالتر استفاده نمود‪.‬‬
‫نکات اندازه گیری در خصوص ‪(DVB-S‬مدوالسیون ‪:)QPSK‬‬
‫ً‬
‫‪ ‬نقاط ‪ -3.8dB‬اطرا کاریر طیف دیجیتال تقریبا همان نرخ سمبل میباشد‪.‬‬
‫‪ ‬پهنای باند محدود به نقاط ‪ -12dB‬تقریبا ‪1.28‬برابر نرخ بیت است‪.‬‬
‫‪ ‬پهنای باند اشغاوی یا راصله بین کاریرها تقریبا ‪1.35‬برابر نرخ بیت است‪.‬‬
‫مثال‪:‬‬
‫برای یک کانال تلویزیون با نرخ سمبل ‪ 27.5MSym/sec‬پس از م اهده طیف بترتی نقاط مختلف طیف‬
‫بقرار زیر بدست آمده است‪:‬‬
‫‪Bandwidth = -1 dB 20.9 MHz, -2 dB 24.2 MHz, -3 dB 26.25 MHz, -3.8 dB 27.5 MHz‬‬
‫‪-4 dB 27.7 MHz, -6 dB 30.3 MHz,‬‬
‫‪-12 dB 35 MHz.‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Slide 23‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫بیان ویژگیهای روش های کدینگ ‪FEC‬‬
‫مزایا‪:‬‬
‫ً‬
‫این روش زمانی که عمال خط برگشتی در اختیار نباشد کارساز است‪ .‬دارا بودن ثبات توان‬
‫بسبب طراحی دقیق کد واژه های طراحی شده و لذا بازای یک توان ثابت نسبت به سایر روش‬
‫ها ضمانت رخداد یک نرخ بیت خطای پایین‪.‬‬
‫معای ‪:‬‬
‫تحمیل بار اضافی به خط‪ ،‬افزایش تاخیر ارسال بواسطه بیت های اضافه‪ ،‬توانائی حمل نرخ‬
‫بیت پایین‬
‫‪Slide 24‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫مقاییه روش های کدینگ ‪FEC‬‬
‫‪ Block Codes‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪Slide 25‬‬
‫ساختار دیکدر ساده است‪.‬‬
‫برای جاهائیکه ‪ SNR‬و نیز ‪ Code Rate‬باالست مناس‬
‫است‪R>(2/3).‬‬
‫‪ Convolutional Codes‬‬
‫نیاز به رضای حارظه)‪(storage space‬‬
‫مناس برای شرایط که ‪ SNR‬ونرخ کد پایین است‪R<(2/3) .‬‬
‫نتایج محاسبات انتقال بیت خیلی شبیه رریت حداکثری است که توس‬
‫رواب شانون ارایه شده است‪.‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
‫کدینگ ‪ARQ‬‬
‫کدینگ با نگاه به عق یا ‪ ،Automatic Repeat Request‬مبتنی بر وجهود یهک میهیر‬
‫برگ ه ههت اسه ههت و ررم ه ه خه ههاص از دایورس ه ههیسی اس ه ههت‪ .‬بعبه ههار به ههه یه ههک معنه هها ”ارسه ههال مجه ههدد‬
‫‪(Duplex‬‬
‫‪ “Retransmition‬داری ه ه ه ههم و له ه ه ه ه ا وج ه ه ه ههود ی ه ه ه ههک انتق ه ه ه ههال دوطرر ه ه ه ههه‬
‫)‪Transmission‬مورد نیاز است‪.‬‬
‫بههدین ترتی ه میتههوان اینگونههه نتیجههه گررههت کههه عملیههات تصههحیح )‪ ،(Correction‬بههر روی‬
‫سههیگنال دریههارسی بههر اسههاس بریههی دانیههته هههای ارسههال مجههدد شههده توس ه ررسههتنده انجههام‬
‫میگردد‪.‬‬
‫‪Slide 26‬‬
‫‪Autor:Seyed Mohammad Reza‬‬
‫‪Razavizadeh‬‬
Autor:Seyed Mohammad Reza
Razavizadeh
27