Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современные алгоритмические и схемные решения в области помехоустойчивого кодирования имеют характер последовательного многоступенчатого действия и реализуются на микросхемах со средней степенью интеграции или в виде заказных БИС, что ограничивает быстродействие реальных кодеков.
Поэтому необходимо проведение исследований, направленных на создание качественно новых принципов построения систем помехоустойчивого кодирования с максимально достижимым быстродействием как важной составной части информационных технологий (ATM, специальные системы связи и управления) - отрасли, бурно развивающейся в настоящее время в республике Беларусь и, как следствие, способствующей развитию радиоэлектронной промышленности нашей страны.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Выполнение представленной работы проводилось в рамках научно-исследовательской темы "Разработка элементов информационных технологий" (№ ГР 19961190), включенной в план государственной научно-технической программы "Электровика" на 1997 г. по теме "Разработка и исследование новых принципов создания перспективных опто- и микроэлектронных систем хранения, передачи.и обработки информации", ведущая организация — Институт электроники АН РБ.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является разработка новых алгоритмических и схемотехнических решений, позволяющих достичь потенциально возможного быстродействия кодирующих и декодирующих устройств современных кодовых конструкций, включающих наиболее важные классы линейных блоковых кодов, таких как КЧХиРС.
Для этого необходимо решить задачи: во-первых, новой организации вычислительных процессов, необходимых для реализации режима исправления ошибок; во-вторых, схемной реализации процессов кодирования и декодирования иа основе использования современной элементной базы широкого назначения в виде СБИС с регулярной структурой, таких как ПЗУ, ПЛМ или систолических параллельных структур (БМК, FPGA (Flash Programmable C5ate Arrays)).
Научная новизна полученных результатов. В работе впервые предложен качественно новый принцип проектирования кодеков, заключающийся в проведении предварительных специальных вычислений, существенно отличающихся от традиционно выпол-
2 няемых непосредственно в процессе кодирования либо декодирования. Результаты этих
предварительных вычислений и определяют схемную реализацию соответствующих устройств, параллельных по входу и выходу и обладающий максимальным быстродействием.
Предложена методика синтеза кодирующих устройств, заключающаяся в умножении информационного вектора на порождающую матрицу кода и получении системы конечных булевых функций, полностью описывающих работу кодера, реализуемого в виде комбинационной схемы.
Разработан алгоритм синтеза кодирующих устройств на основе предварительного вычисления всего множества остатков для заданных параметров кодового блока и кратности исправляемых ошибок, которое затем располагается в виде адресного пространства с однозначным соответствием "информационный вектор — остаток". Данная структура предполагает очевидную реализацию в виде ПЗУ или соответствующей области памяти ОЗУ компьютера.
Определена процедура синтеза декодирующих устройств, подразумевающая размещение различных конфигураций ошибок в кодовом блоке. Для каждого такого размещения вычисляется синдром путем умножения принятого кодового блока с ошибками на проверочную матрицу кода. При этом декодер проектируется в виде структуры БМК-ПЗУ, где БМК реализует проведенное заранее вычисление системы булевых функций для координат синдрома (ВС), являющихся адресным пространством ПЗУ, запрограммированного в соответствии с предварительно вычисленными однозначными отношениями "конфигурация ошибок — синдром".
Использование полученных однозначных соотношений "конфигурация ошибок — синдром" позволяет синтезировать декодер в виде структуры ВС-ПЛМ, где последняя реализует данные соотношения, предварительно приведенные к СДНФ.
Дальнейшее развитие предложенных методик дает возможность реализации декодера в виде единой комбинационной схемы, позволяющей логически связать координаты принятого кодового блока с конфигурациями ошибок.
Показана возможность тестирования разработанных кодеков без физического вмешательства в структуру схемы и проведения непосредственных электрических измерений.
Впервые разработан составной комбинированный код с самосинхронизацией, в котором границы основного кодового блока определяются с помощью совокупности коротких кодовых блоков совершенного, а, значит, высокоэффективного, надежного кода Го-лея, который декодируется с высокой скоростью на каждом такте на основе разработанных алгоритмов быстрого декодирования. По сравнению с ие защищенными от ошибок
з флагом п протоколе V.42 и заголовком в пакете ATM это является важным шагом вперед в
технике помехоустойчивого кодирования.
Разработана и исследована вероятностно-статистическая модель оценки качества передачи данных, основанная на временном мультиплексировании базисных последовательностей с фиксированными вероятностями появления единичных символов.
Программно реализованная модель позволяет имитировать процесс передачи данных по реальным каналам и задавать поток ошибок с различными средними вероятностями и законами распределения.
Практическая значимость полученных результатов Результаты работы позволяют использовать достижения теории кодирования в инженерной практике при проектировании и технической реализации конкретных кодовых конструкций в самых современных телекоммуникационных и информационных технологиях.
Предложены алгоритмы проектирования кодеков, позволяющие избежать сложных для восприятия и понимания математических вычислительных процедур и использующие доступный аппарат векторно-матричной и булевой алгебры.
Рассмотрены варианты технической реализации быстродействующих кодеков параллельного типа на элементной базе широкого назначения и виде СБИС с регулярной структурой.
Показанная возможность тестирования разработанных кодеков имеет чисто практическое значение при необходимости обнаружения дефектов и неисправностей, возникающих в процессе эксплуатации.
Описание проведенных исследований сопровождается соответствующими примерами, что значительно облегчает использование полученных в процессе работы результатов на практике.
Изготозлен действующий макет кодирующего устройства параллельного типа для кода БЧХ Аі5.7 на основе разработанного быстрого алгоритма кодирования, используемый в учебном процессе. Его испытания подтвердили увеличение скорости работы на порядок по сравнению с кодером последовательного типа.
Кроме того, даны практические рекомендации по оценке сложности синтеза кодеков и минимизации получаемых булевых функций.
Разработанная вероятностно-статистическая модель для оценки качества передачи данных реализована программно и может быть использована при проектировании реальных кодеков.
Предложенный составной комбинированный код с самосинхронизацией может быть использован при работе по реальным каналам, в том числе высокоскоростным с применением технологии ATM, и попускает как аппаратную, так и программную реализацию.
Практическая значимость полученных в работе результатов также подтверждена актами внедрения в НИР, ОКР и учебный процесс, которые приведены в Приложении 1.
Экономическая значимость полученных результатов. Проведенные исследования позволяют улучшить ряд технико-экономических показателей, таких как быстродействие кодеков (по меньшей мере на порядок); снижение стоимости технической реализации в 4-5 раз за счет использования элементной базы широкого назначения, а не заказных БИС; возможность оценки качества передачи данных без использования реальных оплачиваемых каналов; сокращение времени обмена данными при использовании составного комбинированного кода за счет уменьшения числа циклов повторной передачи. Возможно тиражирование и платное распространение программных продуктов, разработанных в диссертации.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. В Для более эффективного использования достижений теории кодирования на практике и улучшения ряда технико-экономических характеристик кодеков, таких как быстродействие и унификация, необходимо сложные для понимания и реализации последовательные вычислительные процедуры, традиционно входящие непосредственно в процессы кодирования и декодирования, заменить простыми предварительными вычислениями с использованием аппарата формальных полиномов, векторно-матричной, булевой алгебры и полей Галуа, результаты которых определяли бы все возможные варианты схемотехнических решений для кодовых конструкций с заданными параметрами.
Параллелизм в реализация кодеков в виде однородных систолических структур позволяет достичь максимально возможного быстродействия, по меньшей мере на порядок превышающего быстродействие традиционных схем.
Предложенные алгоритмы вычислений, совокупностей операций и конкретных технических приемов в процессе проектирования кодеков предоставляют возможность их реализации на элементной базе широкого назначения в виде СБИС с регулярной структурой, что позволяет снизить ее стоимость в 4-5 раз по сравнению с заказными БИС.
Разработанная вероятностно-статистическая модель процессов кодирования и декодирования для оценки качества передачи данных с использованием предложенных кодеков позволяет аналитически выразить заданную среднюю вероятность ошибки на бит и закон ее распределения, предоставляет возможность для проведения детального анализа технических характеристик систем и устройств кодирования на компьютере без использования реального канала с целью экономии средств.
Личный вклад соискателя. Основные положения, результаты диссертации получены автором самостоятельно. Анализ существующих технических решений в исследуемой области проведен автором самостоятельно. Методы синтеза быстродействующих кодеков, алгоритмы детальной реализации вычислител'чых операций, конкретные схемотехнические решения, возможность выполнения тестирования, практические рекомендации по минимизации получаемых булевых функций и оценке сложности синтеза кодеков, вероятностно-статистическая модель и программные продукты таюке разработаны автором самостоятельно.
Авторское свидетельство № 1727201 "Помехоустойчивый кодек для передачи дискретных сообщений" получено в соавторстве, при этом вклад автора заключается в разработке структуры блоков и связей декодера помехоустойчивого кодека с обнаружением кратных ошибок.
Вклад научного руководителя и соавтора большинства опубликованных по теме диссертации работ заключается в формировании общих или достаточно общих принципов теоретических и практических положений диссертации.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, включенные в диссертацию, докладывались и обсуждались на: Третьем Межреспубликанском семинаре "Физика быстропротекающнх плазменных процессов", проходившем в г. Гродно 11-14 мая 1992 г.; Международной научно-технической конференции "Современные средства связи", проводимой БГУИР в г.п. Наррчь в октябре 1995 г.; научно-технической конференции "Современные методы обработки сигналов в системах измерения, контроля, диагностики и управления", проходившей в БГУ 18-22 декабря 1995 г.; республиканском научно-техническом семинаре "Организация и технология средств связи, проводившемся на базе Высшего колледжа связи в г.Минске 27 июня 1996 г.; Второй Международной конференции "Новые информационные технологии в образовании" (г. Минск, БГЭУ, 12-13 ноября 1996 г.); Второй Международной научно-технической конференции «Современные средства связи», проводимой БГУИР и Высшим колледжем связи в т.п. Нарочь 22-26 сентября 1997 г.
Опубликоеанпость результатов. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в числе которых одно авторское свидетельство, два учебно-методических пособия, тезисы двух докладов на республиканских семинарах, двух докладов на международных конференциях и четыре статьи в сборниках трудов международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики, четырех глав, выводов, списка литературы из 83 наименований на 6 стр., 4-х приложений на 26 стр.; включает 22 иллюстрации на 8 стр., 4 таблицы кэ 2 стр.
6 Обший объем диссертации составляет 131 страницу. Список литературы дан в порядке
следования ссылок по тексту.
