Раздел: ОХРАННАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ Тема: Системы оповещения Автор: Алексей МИХАЙЛОВ, эксперт
Выбор оптимального метода кодирования извещений в РСПИ
В данной статье рассмотрим дальнейшие пути повышения эффективности радиосистем передачи извещений (РСПИ), но уже с точки зрения оптимального кодирования передаваемых извещений. Это продолжение статьи «Пути достижения максимальных возможностей базовых станций радиосистем передачи извещений (РСПИ)» (№ 6–2015). Если мы собираемся оценивать эффективность кодирования, то в первую очередь необходимо определиться со структурой передаваемых извещений и объемом передаваемой информации. Структура передаваемой информации определяется алгоритмом работы РСПИ и в абсолютном большинстве состоит из эпизодических извещений, передаваемых с объекта охраны. Обычно передается от 1 до 3 извещений от каждого объекта охраны за 120 с. Более сложным является вопрос об объеме передаваемой информации. В большинстве случаев извещение РСПИ укладывается в 128 битовый формат. В последнее время появляется тенденция увеличивать информативность передаваемых извещений, автор не является сторонником данной тенденции, поскольку это решение вместе с небольшим увеличением неких сервисных и диагностических возможностей резко увеличивает скорость передачи информации, а значит, уменьшается энергия полезного сигнала, приходящегося на один бит информации. Любой здравомыслящий человек скажет, что нужно стремиться к минимуму передаваемой информации. Попытаемся определить этот минимум необходимой информации. 1) «Номер охраняемого объекта», выделим для передачи этого извещения 12 двоичных разрядов (4096 объектов охраны). Достаточное количество объектов для любой РСПИ. 2) «Виды извещений» – 8 двоичных разрядов (256 видов извещений). У большинства разработчиков после 3 десятков извещений фантазия иссякает, они начинают повторяться или вставлять извещения, являющиеся синонимами ранее введенных. 3) Осталось еще незаполненным поле «Номер системы». Данное поле вводится для того, чтобы по анализу цифрового кода («Номер системы») отбросить чужие извещения при совпадении типа РСПИ и рабочей частоты. Такие эффекты возникают достаточно часто, когда в одной местности работают несколько РСПИ. Длина данного поля небольшая, обычно составляет 1–2 байта, но можно обойтись и без него. На передаваемую информацию (после кодирования помехозащищенным кодом) мы наложим маску из определенного набора 1 и 0 (произведем «исключающее ИЛИ» (XOR) между маской и передаваемой информацией). Данная маска будет являться в наших извещениях «Номером системы». Таким образом, нам удалось уложиться в 20 информационных бит. Реклама: kursai Vilniuje vaikams ir kitiems - Рис. 1 Вероятность прохождения извещения в зависимости от избыточности кода для РСПИ В настоящее время известно огромное количество помехозащищенных кодов, см. рис 2, поэтому простор для выбора конкретной реализации помехозащищенного кода огромен.
Рис. 2 Основные классы корректирующих кодов В настоящее время стали наиболее популярны такие помехозащищенные коды, как сверточные, Рида – Соломона, кодов с малой плотностью проверок на четность (Low-Density Parity-Check – LDPC), турбокоды. Однако мы говорим о РСПИ. Мы точно не знаем электромагнитную обстановку в конкретной местности, где будет развертываться РСПИ. Значит, надо ориентироваться как на «белый» шум в канале передачи, так и на импульсные помехи от сторонних радиосредств. Поэтому наш код должен успешно исправлять как одиночные ошибки, так и блочные ошибки (поражаются несколько бит подряд). Информационная длина кода – 20 бит, сложность декодирования должна быть как можно проще (к этому надо стремиться, чтобы при программной реализации не допустить ошибок в программе), вид модуляции – ЧМ. Поэтому при всем богатстве выбора помехозащищенного кода в РСПИ чаще всего применяют коды Хэмминга или БЧХ. Остальные коды или плохо работают с блочными ошибками (например, сверточные коды), или у них достаточно сложен алгоритм декодирования, или они рассчитаны на длину кодовой посылки в 500–1000 бит. Коды Рида – Соломона являются недвоичными кодами, что при работе с ними непривычно. Примечание. Иногда алгоритмы кодирования/декодирования уже реализованы на аппаратном или программном уровне внутри микросхемы приемопередатчика, (например, сверточный кодек и декодирование по алгоритму Витерби). Разумеется, в этом случае разумно воспользоваться готовым решением. В РСПИ из-за вида модуляции и принципа построения не применимы сигнально-кодовые конструкции или пространственно-временное кодирование и т. д. Мне очень симпатичен старый добрый код Хэмминга. Любой код характеризуется параметрами (n, k, r). Первое число (n) – количество элементов последовательности, второе (k) – количество информационных символов, третье (r) – количество проверочных бит. Для каждого числа проверочных бит r = 3,4,5… Существует классический код Хемминга с маркировкой (n, k, r) = (2r-1, 2r-1-1, r), т. е. (7,4,3), (15,11,4), (31,26,5) и т. д. Мы будем ориентироваться на код (7,4,3). Код Хэмминга является «совершенным» кодом, т. е. кодом, который обладает при своей длине и избыточности максимальной исправляющей способностью. В соответствии с теорией кодирования код, имеющий расстояние Хемминга D = 2t + 1, позволяет восстанавливать t ошибок и является «совершенным» кодом. Примечание. Хэмминг не только изобрел свой код, но и внес большой вклад в развитие теории информации и кодирования – отсюда и название величины D – расстояние Хемминга. Следует учесть, что более простого кодирования и декодирования, чем у кода Хэмминга, мы больше не встретим нигде. Это кодирование настолько просто, что я его рискну привести на странице журнала, не прибегая к использованию математического аппарата из теории кодирования.   Алгоритм кодирования кода Хемминга (7,4,3) . Длина кода – 7 бит, информационных – 4 бита, избыточность – 3 бита, скорость кодирования R = 4/7. Формирование проверочных разрядов Записываем число в двоичном представлении в информационные разряды (7,6,5,3), затем складываем порядковые номера ячеек, в которых получились единицы. Полученное двоичное число записываем в 4, 2 и 1 разряды. Пример: закодируем число 13 (десятичное представление) и 1101 в двоичном представлении. Таблица 1
Получили единицы в 7, 6, и 3 разрядах. Складываем номера ячеек 7 = 111 по модулю 2 +6 =110 +3 = 11 ------------ 010 010 Таблица 2 Правила бинарного сложения по модулю 2
Декодирование и исправление ошибки кода Хемминга (7,4,3) 13 в десятичном представлении, закодированное кодом Хемминга 1 1 0 0 1 1 0 7 6 5 4 3 2 1 (разряды) 1 1 0 0 1 1 0 (код) * допустим, в 3 разряде ошибка, меняем «1» на «0». 1 1 0 0 0 1 0 Складываем номера ячеек, где «1». Складываем разряды ячеек по модулю 2 7 = 111 + 6 =110 +2 = 10 ------------ 011 т. е. 3 в десятичном представлении. Ошибка в 3 разряде, меняем «0» на «1». Перемежение битов в извещении РСПИ. Перемежение или перемешивание (англ. – interleaving) применяется для борьбы с блочными ошибками. Код Хэмминга (7,4,3) может исправить 1 битовую ошибку, имеет 4 информационных бита. В нашей РСПИ 20 информационных бит. Значит, мы имеем 5 кодовых слов, последовательно закодированных кодом Хэмминга, см. табл. 3. Таблица 3. Извещение РСПИ закодированнее кодом Хэмминга
Примечание. 12 означает 1 бит из 2 слова. Особым способом осуществим перестановку битов (осуществим перемежение). Сначала сгруппируем первые биты из каждого слова подряд друг за другом, затем вторые биты и т. д., см. табл. 4. Таблица 4. Принцип перемежения кода
На приеме при декодировании 5 битовая групповая ошибка равномерно распределится по коду, см. табл. 5. Перемежение не увеличивает длину кода. Таблица 5
Вывод Снижая избыточность информации и используя для кодирования код Хэмминга с перемежением, мы уложились в 35 бит извещения и таким образом повысили соотношение сигнал/шум почти в 2 раза [2] Если сравнивать с извещениями без использования помехозащищенного кода, то наш выигрыш увеличится раза в 4. Кроме того, мы можем исправлять 5 битовую групповую ошибку. Перспективы развития РСПИ Использование многоуровневой модуляции (например, амплитудно-фазовой, см. рис. 3), что позволит применять мощные помехозащищенные коды.
Рис.3 Пример сигнального созвездия АФМ Переход при построении РСПИ на кодовое разделение информации от объектов охраны (расширение спектра методом прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) и методом частотных скачков FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)). Однако это будет другой класс РСПИ и данный вопрос требует отдельного обстоятельного разговора. Список литературы 1) М. Н. Чесноков «Микропроцессорные помехоустойчивые устройства приема цифровых сигналов», СПб.:ВАС, 1994; 2) Д. Прокис «Цифровая связь», М. «Радио и связь», 2000; 3) http://refleader.ru/jgeotryfs.html; 4) Ю. Брауде-Золотарев «Современная электроника и беспроводные технологии», журнал «Современная электроника № 9–2013»; 5) В. А. Алехин, В. Т. Корниенко, В. В. Шеболков «Построение радиоканала передачи аналоговых сообщений», Южный федеральный университет; 6) В. М. Охорзин, Д. С. Кукунин, М. С. Новодворский «Построение каскадных кодов на основе кодов Боуза – Чоудхури – Хоквингема и Рида – Соломона». Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций; 7) Крис Касперски «Могущество кодов Рида – Соломона, или Информация, воскресшая из пепла». Журнал «Системный администратор»; 8) П. В. Трифонов «Адаптированное кодирование в многочастотных системах», dcn.infos.ru/~petert/papers/PhD.pdf ; 9) A Tutorial on Reed-Solomon Coding for Fault-Tolerance in RAID-like Systems - James S. Plank, Technical Report UT-CS-96-332, University of Tennessee, July, 1996.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 5  (голосов: 1)
Ваша оценка: