کدینگ

1. بخش هفتم کدینگ Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

2. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

3. کدینگ Coding • مواردی 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 پیام • داشتن تضمینی برصحت عملیات آشکارسازی • ایمن سازی و کنترل دسترسی Cryptography • البته 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، هزینه • تضمین صحت انتقال با حفظ سرعت انتقال قابل قبول نرخ بیت انجام گیرد. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

4. Source Modulator Channel Demodulator Sink کدینگ 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. 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

5. 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 Channel encoder Channel decoder کدینگ کانال Channel Coding (2) بعنوان یک اصل، برای تمام روشهای کدینگ با افزودن یکسری بیت هایی ، با افزایش افزونگی Redundancy نرخ بیتهای خطا کاهش می یابد. Transmitter Receiver مقصد منبع 0 1 1 1 0 1 1 1 Channel Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

6. کدینگ 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

7. کدینگ کانال بروش مستقیم FEC این 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

8. انواع روشهای کدینگ FEC سه 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

9. روش Block Code از کدینگ FEC (1) در 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. Transmitter Receiver Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

10. انواع روشهای Block Code: • repetition codes • parity codes • Hamming codes • cyclic codes Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

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

12. کدینگ 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 . G Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

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

14. چیدمان تجهیزات کدینگ در DVB-T Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

15. روش کدینگReed-Solomon در 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 مدولاتور Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

16. روش کدینگ کانولوشنال برای ایجاد کد کانولوشنال m حافظه رجیستر بهمراه n جمع کنندۀ modulo-2 نیاز است که نهایتا این مجموعه کد نهایی را ایجاد میکند: در 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

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. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

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

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). Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

20. روش Interleaving برای 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: Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

21. اجرا Interleaving در DVB-T Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

22. محاسبات روش کدینگ FEC 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 RateDR= 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. 188/204m= 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) Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

23. نکات کلیدی اندازه گیری های مبتنی بر کدینگ لینک ماهواره • بعنوان 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: Bandwidth = -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.  Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

24. بیان ویژگیهای روش های کدینگ FEC مزایا: 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 پایین Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

25. مقایسه روش های کدینگ FEC • Block 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. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

26. کدینگ ARQ 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. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh

27. Autor:Seyed Mohammad Reza Razavizadeh