کدینگ

کدینگ

اسلاید 1: کدینگ بخش هفتمSlide 1Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 2: 2Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 3: Slide 3مواردی که بطور خلاصه از کدینگ(چه در بخش کدینگ منبع و چه در سایر موارد کدینگ) مد نظر است را میتوان بقرار زیر بیان نمود:کاهش حجم اطلاعات پیامداشتن تضمینی برصحت عملیات آشکارسازی ایمن سازی و کنترل دسترسی Cryptographyالبته بدیهی است در اجراء هر هدفی، مواردی هم وجود دارد که شاید در نگاه اول مهندسی هم بنظر نرسند لیکن توجه به آنها ضروری است که مهمترین آنها بقرار زیر است:توجه به استفاده بهینه از زمان، هزینهتضمین صحت انتقال با حفظ سرعت انتقال قابل قبول نرخ بیت انجام گیرد.کدینگ CodingAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 4: Slide 4SourceModulatorSinkDemodulatorChannel0 0 1 1 0 1 1 1 0 00 0 1 1 1 1 1 1 0 0کدینگ کانال Channel Coding (1)همانطوریکه میدانیم اگر کانالی خالی از هر گونه عوارض داشته باشیم و همچنین گیرنده ائی با توان تشخیص کاملا درست بیتهای دریافتی، عملا آنچه ارسال میشود، توسط گیرنده بازشناسی خواهد گردید، ولی همانطور که میدانیم وجود عوارض فیزیکی متعدد و متنوع در کانالهای انتشار متنوع نظیر ”نویز“، ”فیدینگ“،“تداخل“،،“ دریافت چند مسیره“ و ... ما را بر آن داشته تا حتما لفاف های حفاظتی مناسب و متناسب با هر عارضه و کانالی خلق و ارایه نماییم.Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 5: Slide 501011110TransmitterReceiver11010001 1111منبعChannelencoderChanneldecoderChannel1101کدینگ کانال Channel Coding (2)مقصدبعنوان یک اصل، برای تمام روشهای کدینگ با افزودن یکسری بیت هایی ، با افزایش افزونگی Redundancy نرخ بیتهای خطا کاهش می یابد. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 6: Slide 6کدینگ کانال Channel Coding (3)بطور کلی دو شیوه بمنظور کدینگ کانال امروزه، بقرار زیر اجراء می گردد:ARQ: کدینگ با نگاه به عقب یا Automatic Repeat Request FEC: کدینگ مبتنی بر تصحیح مستقیم یا Forward Error Correction که خود به سه دسته کدینگ کانولوشنال و کدینگ بلوکی و Interleaving(بهم بافتگی)تقسیم می گردند.Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 7: Slide 7کدینگ کانال بروش مستقیم FECاین روش از تکنیک کدینگ مبتنی بر استفاده از کدهای کنترل کننده خطاء بهره میبرد، چنین روشهایی با بهره گیری از اصل افزونگی اطلاعات(وارد ساختن بیتها و اطلاعات اضافه بر جریان اصلی داده ها) که اصطلاحا redundancy گفته میشود به سیستمهای مخابراتی این امکان را میدهد تا در مقصد بتوانند در وهله نخست ”خطاء را آشکار“ نموده و سپس ”تصحیح خطاء“ را در گام بعدی اجراء نمایند.Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 8: Slide 8انواع روشهای کدینگ FECسه نوع کدینگ مستقیم یا FEC در سیستمهای مخابراتی اجراء میگردد، که ذیلاً بطورمختصر معرفی میکنیم:روش Block Code: این متد بلوکهای n بیتی ایجاد می کند، بدین ترتیب که با گرفتن هر k بیت از دنباله ارسالی اصلاعات اصلی و افزودن n-k بیت اضافه(redundant bit) به آنها بلوکهای کدی جدیدی با شناسه (n,k) ایجاد میکنند.که اصطلاحا نسبت k/n را با R نمایش و Code Rate معرفی مینمایند.روش Convolutional Codes : کدهای تولیدی بروش کانولوشنال بر سه دسته بیت استوارند، بطوریکه یک کدر کانولوشنال در هر لحظه k بیت اطلاعات را به n بیت تبدیل می کند، و این دنباله نهایی تولیدی ضمن اینکه بهk بیت اصلی وابسته است ، به m بیت قبلی آنها نیز طبق ضابطه ائی وابسته بوده و بهمین خاطر به این m بیت، حافظه انکدر گفته میشوند.نرخ کد انکدر کانولوشنال در اینجا نیز با R=k/n تعریف می گردد.روش Interleaving:Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 9: Slide 9TransmitterReceiverدر شکل زیر عملکرد فرستنده و گیرنده بهمراه کدر و دیکدر FEC را به تصویر کشیده، یک انکدر FEC بزبان ساده هر بلوک کد k بیتی را به یک بلوک n بیتی نگاشت می کند.روش Block Code از کدینگ FEC (1)Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 10: انواع روشهای Block Code: repetition codesparity codesHamming codescyclic codes10Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 11: Slide 11یکی از ساده ترین روشهای کدینگ Repeat Code میباشد که بزبان ساده بقرار زیر قابل تعریف است:ارسال:0000 1 111دریافت و تصمیم گیری گیرنده در خصوص کد دریافتی دچار خطا: 000, 001, 010, 100  000111, 110, 101, 011  111کدینگ Repetition CodingAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 12: Slide 12کدینگ Hamming Coding(1)یکی از شیوه های کدینگ FEC، به آلگوریتم Hamming معروف است، در این روش هر کد واژه d با ضرب در یک ماتریس بنام ماتریس مولدG (Generation Matrix) کد واژه جدید c ائی تولید میشود.در مثال زیر کد واژه [0110] پس از ورود به انکدر تبدیل به کدواژه7تایی [0110110] شده است.c = d . GAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 13: Slide 13s = HT. cروش دیکدینگ Hamming نیز بر اساس همان آلگوریتم ضرب ماتریسی انجام میشود، منتهی اینجا ماتریسی که باید ضرب شود متفاوت است؛کدینگ Hamming Coding(2)Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 14: چیدمان تجهیزات کدینگ در DVB-T14Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 15: روش کدینگReed-Solomonدر فرستنده های DVB-T قبل از اینکه بسته های 188bytes به مدولاتورQAM ، جهت انجام مالتی پلکس COFDMتزریق شوند، ابتدا بمنظور اطمینان از اینکه داده ها بطور یک رشته کاملا با احتمال بیت ½ آرایش یابند توسط یک اسکرمبلر، که یک ژنراتور دنباله باینری شبه تصادفی (PBRS) است، رندومایز شده و سپس توسط شیوه کدینگ بلوکی بنام Reed-Solomon با 16 بایت Parity اضافه، یک بسته 204bytes را تحویل مدولاتور15Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 16: Slide 16برای ایجاد کد کانولوشنال m حافظه رجیستر بهمراه n جمع کنندۀ modulo-2 نیاز است که نهایتا این مجموعه کد نهایی را ایجاد میکند:روش کدینگ کانولوشنالدر این مثال یک بیت ورودی پس از ورود به انکدر بواسطۀ سه حافظه رجیستر سه بیت خروچی را ایجاد میکند.Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 17: روش کدینگ کانولوشنال در DVB-T(1)در فرستنده dvb-t پس از کدینگ بروش Reed-Solomon که بنام روش کدینگ خارجی معرفی شد برای حفاظت بیشتر انجام میگیرد بنام کدینگ داخلی بیان و بر اساس کدهای کانولوشنال اجرا میگردد،دراین فرآیند به ازای هر بیت ورودی دو بیت در خروجی ظاهر و بعبارتی code rate برابر ½ است. با فرآیند دیگری بنام پانچینگ امکان این وجود دارد که کمتر از دو بیت بازای هر بیت ورودی تولید و بزبان دیگر امکان دستیابی به کدریت های بالاتر 7/8,5/6,3/4,2/3 تحقق یابد.17Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 18: روش کدینگ کانولوشنال در DVB-T(2)18Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 19: روش دیکدینگ کانولوشنال در DVB-T(آلگوریتم Viterbi)الگوریتم های زیادی برای کد گشایی از کدهای کانولوشنال وجود دارد که الگوریتم ویتربی یکی از متداولترین روشها است.این شیوه از الگوریتم کدگشایی به روش بیشترین تشابه استفاده می کند، که با دریافت خروجی کانال، نمودار ترلیس را برای یافتن مسیری که در تولید رشته دریافتی از همه محتمل تر است جستجو کند(صفحه434،سیستمهای مخابراتی به کمک MATLAB).19Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 20: Slide 20برای شرایط سخت کانال نظیر امکان فیدینگ تکنیک اینترلیوینگ در کنار دو روش مطروحۀ کدینگ بسیار کارساز خواهد بود.در صورت وجود بیدینگ امکان تحقق خطا های Burst(توده ائی) بسیار است، که با بهم ریزی تعمدی و منطقی بیتها میتوان خطاهای Burst را در کل استریم توزیع نمود.البته تنها معزل اینکار تحمیل یک تاخیر دیگر به لینک خواهد بود. در شکل زیر مثالی از اینترلیوینگ ارایه شده است:روش InterleavingAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 21: اجرا Interleaving در DVB-T21Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 22: Slide 22   نرخ بیت کدر FEC بطور تیپیکال در گسترۀ 1/2 تا 7/8 قرار دارد و لذا همیشه نرخ بیت خروجی انکدر بیشتر خواهد بود.با توجه به انجام دو کدینگ کانال نهایتا نرخ بیتی که در کانال مخابراتی جریان خواهد یافت برابرست با:   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   نرخ بیت ورودی کانال = نرخ بیت ورودی انکدرها  × 1/ (FEC rate)SR = DR / (m ×CRv ×CRrs)محاسبات روش کدینگ FECAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 23: Slide 23Bandwidth = -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. نکات کلیدی اندازه گیری های مبتنی بر کدینگ لینک ماهوارهبعنوان یک قانون کلی میتوان دو رویکرد را در خصوص انتخاب شیوه مدولاسیون و نوع کدینگ از حیث Code Rate را ملاحظه نمود:چنانچه ”پهنای باند“ مساله اصلی باشد: توصیه میشود از کدینگ FEC با نرخ بالاتر(1/2یا 2/3) و نیزمدولاسیونهای با مرتبۀ پایین تر استفاده نمود. چنانچه ”توان“ مساله اصلی باشد: توصیه میشود از کدینگ FEC با نرخ پایین تر(3/4یا 7/8) و نیزمدولاسیونهای با مرتبۀ بالاتر استفاده نمود.نکات اندازه گیری در خصوص DVB-S(مدولاسیون QPSK):نقاط -3.8dB اطراف کاریر طیف دیجیتال تقریباً همان نرخ سمبل میباشد.پهنای باند محدود به نقاط -12dB تقریبا 1.28برابر نرخ بیت است. پهنای باند اشغالی یا فاصله بین کاریرها تقریبا 1.35برابر نرخ بیت است.مثال: برای یک کانال تلویزیونی با نرخ سمبل 27.5MSym/sec پس از مشاهده طیف بترتیب نقاط مختلف طیف بقرار زیر بدست آمده است:Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 24: Slide 24مزایا:این روش زمانی که عملاً 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.معایب:تحمیل بار اضافی به خط، افزایش تاخیر ارسال بواسطه بیت های اضافه، توانائی حمل نرخ بیت پایینبیان ویژگیهای روش های کدینگ FECAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 25: Slide 25Block Codes ساختار دیکدر ساده است.برای جاهائیکه SNR و نیز Code Rate بالاست مناسب است.R>(2/3)Convolutional Codes نیاز به فضای حافظه(storage space)مناسب برای شرایطی که SNR ونرخ کد پایین است. R<(2/3)نتایج محاسبات انتقال بیت خیلی شبیه ظرفیت حداکثری است که توسط روابط شانون ارایه شده است.مقایسه روش های کدینگ FECAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 26: Slide 26 کدینگ با نگاه به عقب یا Automatic Repeat Request ، مبتنی بر وجود یک مسیر برگشت است و فرمی خاص از دایورسیتی است. بعبارتی به یک معنا ”ارسال مجدد Retransmition“ داریم و لذا وجود یک انتقال دوطرفه(Duplex Transmission)مورد نیاز است. بدین ترتیب میتوان اینگونه نتیجه گرفت که عملیات تصحیح (Correction)، بر روی سیگنال دریافتی بر اساس برخی دانسته های ارسال مجدد شده توسط فرستنده انجام میگردد.کدینگ ARQAutor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

اسلاید 27: 27Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh