8.6.6. Схемное построение декодера Витерби

Обобщенная структурная схема декодера, работающего по алгоритму Витерби, показана на рис. 8.36. Для каждого такта работы, соответствующего приему кодовых символов, полученных за один цикл опроса коммутатора кодера, вычислитель метрики ребер (BMP) вычисляет правдоподобие ребер, сливающихся в каждом узле. Например, в случае двоичного симметричного канала с жесткими решениями он вычисляет Хеммингово расстояние между каждым из путей, сливающихся в любом узле, и соответствующей последовательностью принимаемых кодовых символов, поступивших с выхода первой решающей схемы приемника, выносящей жесткие решения о значении каждого принимаемого кодового символа.

Вычислитель метрики путей (ВМП), для каждого из путей, выживших на предыдущем такте декодирования и хранимых в ЗУ путей, осуществляет следующие операции: вводит каждый из этих путей в аналог кодера, где генерируются 2его возможных продолжений; вычисляет правдоподобие каждого из этих продолжений, для чего суммирует метрики выживших путей, хранимые в ЗУ метрики путей, с новыми вычисленными значениями метрик ребер; заносит вновь полученные пути в ЗУ путей, а их метрики — в ЗУ метрики путей, а затем отбирает из них пути, каждый из которых максимально правдоподобен для одного из узлов и сохраняет его в ЗУ путей, а его метрику — в ЗУ метрики путей. Затем эта же последовательность операций повторяется для следующего такта работы и т. д.

Важным достоинством декодера Витерби является то, что когда в результате воздействия шумов в канале связи или по другим причинам при декодировании сделана ошибка в выборе пути на решетчатой диаграмме кода, т. е. выбран неправильный путь, то за несколько тактов, в течение которых могут происходить ошибки при декодировании, декодер вновь выходит на правильный путь.

Это позволяет начать процесс декодирования с любого момента времени, не заботясь о взаимной синхронизации кодера и декодера по началу работы. Действительно, отсутствие такой синхронизации эквивалентно нахождению декодера на неправильном пути по решетчатой диаграмме кода. В силу этого свойства декодер, начав декодирование в произвольный момент, через несколько тактов сам выйдет на правильный путь, автоматически установив указанную синхронизацию.

8.7. Методы борьбы с ошибками

8.7.1. Системы с обратной связью

При передаче данных по каналам связи всегда возникают ошибки. Причины их могут быть самые различные, но результат оказывается один — данные искажаются и не могут быть использованы на приемной стороне для дальнейшей обработки. Борьба с возникающими ошибками ведется на разных уровнях семиуровневой модели OSI (в основном на первых четырех). Для борьбы с возникающими ошибками известно много различных способов. Все их можно подразделить на две группы: не использующие обратную связь и использующие обратную связь.

В первом случае на передающей стороне передаваемые данные кодируются одним из известных кодов с исправлением ошибок. На приемной стороне, соответственно, производится декодирование принимаемой информации и исправление обнаруженных ошибок. Исправляющая возможность применяемого кода зависит от числа избыточных битов, генерируемых кодером. Если вносимая избыточность невелика, то есть опасность того, что принимаемые данные будут содержать необнаруженные ошибки, которые могут привести к ошибкам в работе прикладного процесса. Если же использовать код с высокой исправляющей способностью (большой избыточностью), то это приводит к необоснованно низкой реальной скорости передачи данных.

Нередко встречаются случаи, когда информация может пере­даваться не только от одного корреспондента к другому, но и в обратном направлении.

В таких условиях появляется возможность использовать обратный поток информации для существенного по­вышения верности сообщений, переданных в прямом направлении. При этом не исключено, что по обоим каналам (прямому и обрат­ному) в основном непосредственно передаются сообщения в двух направлениях («дуплексная связь») и только часть пропускной способности каждого из каналов используют для передачи допол­нительных данных, предназначенных для повышения верности.

Возможны различные способы использования системы с обрат­ной связью в дискретном канале. Обычно их подразделяют на два типа: системы с информационной обратной связью и системы с управляющей обратной связью.

Системами с информационной обратной связью называются такие, в которых с приемного устройства на передающее поступает информация о том, в каком виде принято сообщение. На основании этой информации передающее устройство может вносить те или иные изменения в процесс передачи сообщения: например, повторить ошибочно принятые от­резки сообщения, изменить применяемый код (передав предвари­тельно соответствующий условный сигнал и убедившись в том, что он принят), либо вообще прекратить передачу при плохом со­стоянии канала до его улучшения.

В системах с управляющей обратной связью приемное устрой­ство на основании анализа принятого сигнала само принимает ре­шение о необходимости повторения, изменения способа передачи, временного перерыва связи и передает об этом приказание пере­дающему устройству. Возможны и смешанные методы использо­вания обратной связи, когда в некоторых случаях решение при­нимается на приемном устройстве, а в других случаях на переда­ющем устройстве на основании полученной по обратному каналу информации.

Простейшим по идее методом информационной обратной связи является метод полной обратной проверки и повторения (ОПП). В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. При этом принятый сигнал полностью ретранслируется на передающее устройство, где каждая принятая кодовая комбинация сверяется с переданной. В случае их несовпадения передающее устройство передает сигнал для стирания неправильно при­нятой комбинации, а затем повторяет нужную комбинацию. В качестве сиг­нала для стирания применяют специальную кодовую комбинацию, не исполь­зуемую при передаче сообщения.

Функциональная схема такой системы показана на рис. 8.37. Передаваемое сообщение, закодированное примитивным кодом, посылают в канал и одно­временно записывают в запоминающем устройстве (накопителе). Принятая ко­довая комбинация сразу не декодируется, запоминается в приемном накопи­теле и возвращается по обратному каналу на передающую сторону, где она сравнивается с переданной комбинацией. Если они совпадают, то передается следующая кодовая комбинация, в противном случае передается сигнал стирания.

При этом методе окончательный ошибочный прием кодовой комбинации возможен лишь тогда, когда ошибки в принятой комбинации компенсируются ошибками, возникающими в канале обратной связи. Другими словами, для того чтобы некоторый символ в переданной кодовой комбинации был окончательно принят ошибочно, необходимо и достаточно, чтобы, во-первых, произошла ошибка в прямом канале и, во-вторых, при ретрансляции произошла такая ошибка, которая изменит неправильный ретранслируемый символ на действи­тельно переданный. Это позволяет сразу вычислить вероятность необнаружен­ной, а следовательно, и неисправленной ошибки (в расчете на один символ):

,

где — вероятность ошибки в прямом канале; — вероятность противополож­ной ошибки в канале обратной связи.

Следовательно, если ивелики, то система с полной ретрансляцией дает неудовлетворительные результаты. Практически данный метод имеет смысл в тех случаях, когда канал обратной связи обеспечивает весьма высокую вер­ность (например, при передаче сообщений на спутник с Земли), а прямой канал имеет низкую верность (например, при передаче сообщений со спутника на Землю ввиду того, что мощность передатчика на спутнике мала). Существен­ным недостатком системы с полной ретрансляцией является большая загрузка канала обратной связи. Существуют и более сложные системы с информа­ционной обратной связью, в которых используются помехоустойчивые коды.

Наиболее распространены системы с управляющей обратной связью (УОС) при использовании избыточных кодов для обнару­жения ошибок (рис. 8.38). Такие системы часто называют систе­мами с переспросом, или с автоматическим запросом ошибок, или с решающей обратной связью (РОС).

В большинстве случаев это системы дуплексные, т.е. инфор­мация в них передается в обоих направлениях. В кодере переда­ваемое сообщение кодируется кодом, позволяющим с большой вероятностью обнаруживать возникающие в канале ошибки. При­нятый кодовый блок декодируется с обнаружением ошибок. Если ошибки не обнаружены, то декодированный отрезок сообщения поступает к получателю. При обнаружении ошибок блок браку­ется и по обратному каналу передается специальный «сигнал переспроса». В большинстве систем этот сигнал представляет собой специальную кодовую комбинацию, на время передачи которой прерывается поток информации, идущей по обратному каналу. Прием сигнала переспроса вызывает повторение забракованного блока, который для этого хранится в накопителе-повторителе до тех пор, пока по обратному каналу не будет принята очередная кодовая комбинация, не содержащая переспроса.

В системах с решающей обратной связью применяются процедуры обнаружения ошибок и переспроса также называемые решающей обратной связью или обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения (АЗП, ARQ — Automatic Repeat Request). В этом случае код применяется только в режиме обнаружения ошибок, что позволяет достичь очень низкой вероятности необнаруженной ошибки при незначительном уровне вводимой избыточности.

Для реализации механизма ARQ передаваемые данные организуются в специальные блоки, которые называются кадрами.