9.10 Коригувальні коди

Наряду з багатопозиційними сигналами для підвищення ефективності СПІ широко використовуються завадостійкі коди. Застосування коригувальних кодів дозволяє підвищити вірність передачі повідомлень або при заданій вірності підвищити енергетичну ефективність системи. Останнє є особливо важливим для систем з малою енергетикою (систем супутникового та космічного зв'язку).

На практиці використовуються як блокові, так і безперервні решітчасті коди. Серед блокових кодів найцікавішими є циклічні коди (зокрема, коди БЧХ), а серед безперервних – згорткові коди. Розрахунок енергетичної ефективності коду (ЕЕК) визначається за формулами, наведеними у гл. 7.

На рис. 9.20 наведені і -залежності для циклічного коду (БЧХ) і для згорткового коду (ЗК) з декодуванням за алгоритмом Вітербі. Як бачимо, застосування циклічного коду дозволяє одержати енергетичний виграш дБ, а згорткового коду дБ в обмін на зниження частотної ефективності в 2 рази (3 дБ).

Застосування каскадних кодів, як показують розрахунки, дозволяє одержати ще більший енергетичний виграш та значно наблизитися до граничної кривої для двійкових систем. Енергетичний виграш від застосування завадостійкого кодування тим більший, чим вища необхідна вірність передачі.

Для безперервного постійного каналу з білим гаусівським шумом при необхідній імовірності помилки граничний енергетичний виграш кодування в порівнянні із ФМ без кодування й при оптимальному когерентному прийомі становить приблизно 10 дБ. При сучасній елементній базі витрати на реалізацію пристроїв кодування і декодування значно скоротилися.

У той же час вартість енергетичних витрат каналу практично не змінилася. Таким чином, «ціна» виграшу за рахунок кодування може бути значно меншою ціни того ж виграшу, отриманого за рахунок збільшення енергетики каналу (потужності сигналу або розмірів антен).

Відзначимо, що вибір способів кодування і модуляції залежить від характеристик каналу. Поліпшення цих характеристик (наприклад, вимірюванням завад і спотворень сигналу з їхньою наступною компенсацією) знижує втрати в каналі й створює кращі умови для застосування коригувальних кодів.

Найбільш розробленими є коди для з незалежними помилками. Для будь-якого іншого каналу ці коди малоефективні. Зокрема, при передачі дискретних повідомлень по каналу з повільними завмираннями виникає групування помилок. Дискретний канал у цьому випадку буде істотно відрізнятися від – він буде каналом з пам'яттю. У цих умовах можна вибрати код, який виправляє пачки помилок.

Для каналів із змінними параметрами цей код повинен бути адаптивним. У цих випадках перед кодуванням (або тільки перед декодуванням) проводиться вимірювання параметрів каналу й відповідно до їх результатів змінюється алгоритм кодування (або декодування). Вимірювання параметрів каналу може здійснюватися, наприклад, за допомогою спеціального іспитового (зондувального) сигналу [41] або на підставі результатів обробки попередніх відрізків сигналу. У деяких умовах можливі методи кодування, оптимальні або близькі до оптимальних для широкого класу каналів.

Інший шлях полягає в тому, що вихідні канали з пам'яттю приводяться до деякого «стандартного» дискретного каналу, для якого оптимальні коди відомі. Найпростішим прикладом цього є метод декореляції помилок за допомогою рознесення (перемеження) символів, що входять в один кодовий блок. Цей метод дозволяє перетворити різноманітні дискретні канали приблизно в Тому в багатьох випадках для ефективного використання кодування може виявитися доцільним за допомогою модему й канальних пристроїв перетворювати вихідні реальні канали в канал, близький до

Аналогічно тому, як для ефективного використання автотранспорту потрібні гарні дороги, так і для ефективного використання кодування потрібні гарні канали, узгоджені з кодом. Пристроєм, що здійснює узгодження може бути модем, а гарним каналом - _.

Окрім рознесення (перемеження) символів можна здійснювати й інші перетворення, що мають метою додати потоку символів властивості, схожі на випадкову послідовність рівноймовірних і незалежних двійкових символів. Така операція називається скремблюванням. Її здійснюють пропускаючи потік символів через регістр зсуву із зворотними зв'язками, у якому ці символи «перемішуються» і перетворюються.

Зрозуміло, що характеристика скремблера повинна бути оборотною. Тоді прийняті після демодулятора символи піддаються зворотної операції - дескремблюванню для відновлення вихідної послідовності.

Скремблювання часто застосовують для підвищення надійності системи синхронізації. Але воно також поліпшує роботу декодера, особливо в системах із зворотним зв'язком.

В каналах із завмираннями часто використовують сигнали складної структури, такі, наприклад, як багаточастотні, частотно-часові, шумоподібні й ін. Так, при використанні частотно-часових сигналів за допомогою багаточастотних модемів утворюється двовимірний канал. Передані й прийняті символи в такому каналі розміщуються у вигляді матриці, у якій рядка відповідають різним інтервалам часу, а стовпці - різним частотам.

Варіюючи параметри модему, можна, не змінюючи загальної швидкості передачі інформації, перерозподіляти пам'ять у дискретному каналі, наприклад збільшувати кореляцію між символами за часом і зменшити кореляцію між символами, близькими по частоті. У таких каналах зручно застосовувати каскадні коди при різних алгоритмах декодування.

Застосування модемів, що створюють двовимірний дискретний канал, є корисним і для безперервних каналів, у яких мають місце зосереджені й імпульсні завади великої інтенсивності. У цих випадках помилки мають тенденцію вражати символи, що передаються на одній піднесучій (при зосереджених завадах) або в одному інтервалі часу (при імпульсних завадах). Відомі коди, які дозволяють успішно виправляти такі решітчасті конфігурації помилок.

Прикладом узгодженого підходу до кодування й модуляції з урахуванням властивостей безперервного каналу є системи зі зворотним зв'язком. Невід'ємним елементом цих систем є кодування з виявленням помилок.

Практично майже всі діючі системи передачі даних по каналах зі змінними параметрами використовують вирішуючий зворотний зв'язок. У цьому випадку за результатами «вимірювання» стану каналу за допомогою коду автоматично здійснюється зміна режиму роботи системи шляхом перепитування.

Кодування й декодування з виявленням помилок у каналі зі змінними параметрами здійснюється значно ефективніше, ніж безпосереднє виправлення помилок. Однією із причин цього є той факт, що оптимальний алгоритм декодування з виявленням помилок зовсім не залежить від характеристик каналу, імовірність невиявленої помилки мало залежить від цих характеристик і визначається головним чином структурою коду.

Найважливішою проблемою на шляху створення високоефективних систем передачі інформації є проблема узгодження модемів і кодеків з урахуванням статистичних властивостей безперервного каналу. Кодування й модуляцію необхідно розглядати як єдиний процес формування найкращого сигналу, а демодуляцію й декодування - як процес найкращої обробки сигналів.