RU2409897C1 - Кодер, передающее устройство, система передачи и способ кодирования информационных объектов - Google Patents

Abstract

Предлагаемые технические решения относятся к устройствам кодирования и передачи информации для систем беспроводной связи. Достигаемый технический результат - увеличение скорости передачи информационных объектов. Передающее устройство и система передачи информационных объектов содержат кодер, включающий блок предварительного кодирования (БПК), модулятор, блок добавления синхропоследовательности (БДС), мультиплексор, буфер выборки (БВ), блок формирования пакета (БФП), формирователь контрольных данных (ФКД), кодер контрольных данных (ККД), генератор номера выборки (ГНВ), генератор адреса кодера (ГАК). 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Предлагаемые технические решения относятся к способам и устройствам кодирования и передачи информации для систем беспроводной связи, в частности к технике систем короткодистанционной связи между стационарными либо мобильными устройствами и мобильными (в том числе носимыми) устройствами, используя при этом акустический канал связи для передачи информации на небольшом расстоянии.

Широко известны устройства кодирования и передачи данных, используемые для различных типов каналов связи, содержащие разделитель объекта на информационные пакеты, каждый из которых в определенной последовательности поступает в блок помехоустойчивого кодирования, блок перемежения, блок добавления контрольных данных. В таких устройствах используют способ кодирования, при котором закодированные пакеты передают в модулятор, блок добавления синхропоследовательности и далее - на выход кодера для передачи по каналу связи (J.Proakis, "Digital Communications," 4th Ed., McGraw-Hill, 2000, стр.469). Высокая помехоустойчивость передачи данных достигается обычно за счет кодирования с большой избыточностью, что позволяет передавать объекты с большой вероятностью безошибочного приема в канале связи со значительной помеховой составляющей при существенной потере скорости передачи объекта.

Известны системы передачи информационных объектов посредством акустических сигналов, содержащие приемопередающее устройство ППУ (включающее передающее устройство) как на приемной, так и на передающей стороне. При этом при передаче ППУ1 содержит разделитель объекта на информационные пакеты, каждый из которых в определенной последовательности поступает в кодер и перемежитель. Кроме того ППУ1 содержит модулятор, в котором преобразованные пакеты модулируют сигналами звуковой частоты и через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и громкоговоритель передают на ППУ2. При приеме в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) ППУ2 оцифровывают поступающий через микрофон звуковой сигнал, который далее передают последовательно на блок синхронизации, демодулятор, деперемежитель, декодер, восстановитель информации. При этом восстанавливают каждый из поступающих информационных пакетов, постепенно получают переданный объект и определяют его качество/целостность. При потерях ППУ2 передает соответствующий сигнал на ППУ1, после поступления которого устанавливают новые параметры передачи по акустическому каналу связи (например, увеличивают мощность звукового сигнала) и вновь передают объект на ППУ2.

Недостатками таких систем являются сложность устройств на приемной и передающей стороне, так как обязательно наличие обратной связи между устройствами на приемной и на передающей стороне (каждый из них должен содержать ППУ); медленное реагирование на изменяющуюся шумовую ситуацию и, как следствие, низкая скорость передачи информационных объектов.

Известны также системы акустической передачи ([1] и [2]), в которых скорость передачи информационного объекта постоянна, не учитывает помеховой (акустической) обстановки (степень зашумленности акустического канала). Кроме того, в них также используется обратный канал связи для подстройки типа модуляции или скорости помехоустойчивого кода.

Ближайшим аналогом является система акустической передачи данных без обратной связи (из патента № US 7349481, 25.03.2008, Communication using audible tones), в которой передающим устройством кодируют информационный объект в целом и циклически повторяют его передачу. Приемное устройство, находящееся в режиме приема, пытается принять закодированный объект до тех пор, пока не получит его без ошибок. Недостатком является неэффективность системы, так как при возникновении хотя бы одной ошибки на приеме ждут повторную передачу, причем неизменными остаются характеристики передаваемого кода и акустического сигнала. Таким образом, при передаче объектов, особенно больших размеров, резко возрастает вероятность ошибочного приема, а скорость передачи падает и не может быть оптимальной для произвольного соотношения сигнал/шум в канале связи. Приходится передавать объекты либо с высокой помехозащищенностью (много избыточных (проверочных) данных при кодировании объекта), такой, что можно обеспечить безошибочный прием за один-два повтора, что влияет на скорость, либо увеличивать скорость передачи, что при увеличении шума в канале связи влияет на помехоустойчивость и объект может быть не принят вообще.

Целью предлагаемых технических решений является создание кодера, передающего устройства, системы передачи, а также способа кодирования информационных объектов, позволяющих значительно увеличить скорость передачи информационных объектов по сравнению с существующими устройствами и системами, используя оптимальный объем передаваемой информации и оптимальную избыточность помехоустойчивого кода в выбранном канале связи. Создание таких устройств и системы позволит передавать информационные объекты любого объема, что значительно расширит сферу их применения.

Цель достигается тем, что в кодере, передающем устройстве, системе передачи и способе кодирования информационных объектов входящие данные (информационный объект и его размер) кодируют по основному и контрольному каналам. При этом информационный объект предварительно кодируют любым известным способом, а из полученного блока данных формируют псевдослучайные выборки определенного размера. Контрольные данные, содержащие размер объекта и номер текущей выборки, кодируют с большой избыточностью. Затем объединяют выборки и контрольный пакет оптимального объема в пакет данных для передачи, который преобразуют в сигнал передачи по каналу связи. Информационный объект передают непрерывной передачей псевдослучайных пакетов данных по каналу связи, что позволяет безошибочно принимать большие информационные объекты с высокой скоростью при итеративном декодировании.

Цель достигается в способе кодирования информационных объектов, заключающемся в том, что из информационного объекта (ИО) формируют пакеты данных, каждый из которых преобразуют в сигнал для передачи, при этом для формирования пакетов данных ИО предварительно кодируют любым известным способом, а из полученного блока данных формируют псевдослучайные выборки определенного размера. Для каждой выборки формируют контрольный пакет, кодируя с большой избыточностью контрольные данные, содержащие размер ИО и номер этой выборки. Каждый из пакетов данных получают объединением выборки с соответствующим ей контрольным пакетом.

Цель достигается также в Кодере, содержащем блок предварительного кодирования (БПК), первый и второй входы которого являются соответствующими информационными входами кодера, а также модулятор, подключенный через блок добавления синхропоследовательности (БДС) к выходу кодера. При этом хотя бы один вход/выход БПК подключен к соответствующему входу/выходу мультиплексора, соединенного через Буфер выборки (БВ) с первым входом Блока формирования пакета (БФП), образуя основной канал кодера, а второй вход кодера через последовательно соединенные Формирователь контрольных данных (ФКД) и Кодер контрольных данных (ККД) подключен ко второму входу БФП с образованием контрольного канала. Генератор номера выборки (ГНВ) соединен с ФКД, а также с мультиплексором через Генератор адреса кодера (ГАК), подключенный ко второму входу кодера, а выход БФП соединен с модулятором. Кодер выполнен с возможностью запуска ГНВ.

Предпочтительно, чтобы БПК содержал последовательно соединенные Блок упаковки в контейнер (БУК), первый и второй входы которого являются соответствующими входами БПК, Блок повтора и перемежения (БПП), Сверточный кодер (СК), Буфер прекодера (БП).

Предпочтительно, чтобы второй вход кодера был соединен с БПП.

Предпочтительно также, чтобы модулятор являлся модулятором со многими несущими.

Предпочтительно также, чтобы выход БФП был соединен с модулятором через корректор спектра (КС).

Предпочтительно, чтобы кодер содержал хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

Предпочтительно, чтобы дополнительный вход кодера был подключен к КС через последовательно соединенные Анализатор канала связи (АКС) и Блок вычисления спектра БВС. Это позволяет обеспечить динамическое реагирование на изменяющуюся помеховую обстановку в канале связи.

Цель достигается также в Передающем устройстве, выполненном с возможностью подачи соответствующего питающего напряжения на все элементы схемы, требующие питания, и содержащее кодер, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и громкоговоритель. Причем кодер выполнен в одном из вышеописанных вариантов.

Предпочтительно, чтобы передающее устройство и/или кодер содержал хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

Предпочтительно, чтобы к дополнительному входу кодера, являющемуся дополнительным входом передающего устройства и подключенному к КС через последовательно соединенные АКС и БВС, был подключен Микрофон передающего устройства M1 через аналого-цифровой преобразователь передающего устройства (АЦП1). Это позволяет обеспечить динамическое реагирование на изменяющуюся помеховую (в частности, акустическую) обстановку в канале связи, при этом использовать особенности слухового восприятия акустических шумов человеком.

Цель достигается также в Системе передачи информационных объектов, содержащей передающее и приемное устройства, выполненные с возможностью подачи соответствующего питающего напряжения на все элементы их схем, требующие питания. Передающее устройство содержит кодер, ЦАП и громкоговоритель. Причем кодер выполнен в одном из вышеописанных вариантов. Передающее устройство дополнительно может содержать Ml и АЦП1, для изменения характеристик передаваемого акустического сигнала в зависимости от состояния акустического канала между передающим и принимающим устройствами при передаче каждого из пакетов, используя и учитывая особенности слухового восприятия акустических шумов человеком.

Приемное устройство системы содержит Микрофон приемного устройства (М2), через аналого-цифровой преобразователь приемного устройства (АЦП2) подключенный к входу декодера. Декодер включает Синхронизатор и Демодулятор, последовательно подключенные к входу декодера, а также Блок проверки целостности (БПЦ) и Блок распаковки и восстановления (БРВ), последовательно подключенные к выходу декодера, являющемуся информационным выходом приемного устройства. Причем в декодере разделяют принятый пакет на данные основного (выборку) канала и данные контрольного канала. Для этого Демодулятор соединен с Первым демультиплексором (ДМ1), первый выход которого соединен с первым входом Второго демультиплексора (ДМ2), а Выходы ДМ2 соединены через соответствующие Сумматоры Σ с соответствующими входами Буфера накопления БН. Второй выход ДМ1 соединен с Декодером контрольного канала (ДКК), первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами генератора адреса декодера ГАД, выход которого соединен со вторым входом Дм2. БН через Итеративный декодер (ИД) подключен к БПЦ.

Предпочтительно, чтобы Демодулятор был соединен с ДМ1 через Блок оценки и компенсации канала связи (БОКС).

Предпочтительно, чтобы приемное устройство и/или декодер содержало хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

Предпочтительно, чтобы БПЦ был подключен к дополнительному выходу декодера, являющемуся дополнительным выходом приемного устройства.

Предпочтительно, чтобы БПЦ был выполнен с возможностью подачи команды прекращения итераций на ИД.

Реализация предлагаемых технических решений может быть осуществлена, например, программно на базе устройств, имеющих в своем составе:

- громкоговоритель и процессор (для передающего устройства);

- микрофон и микропроцессор (для приемного устройства),

путем модернизации встроенного основного программного обеспечения (ПО) устройств. Дополнительное ПО устройств, как и их основное ПО, имеет блочную структуру, предназначено для обработки, формирования, передачи, обмена командами и информацией между блоками, а также извне и вовне.

В качестве устройств могут быть использованы мобильные телефоны, карманные персональные компьютеры, ноутбуки, диктофоны, аудиопроигрыватели и другие подобные устройства.

Далее состав и работа кодера, передающего устройства и системы передачи информационных объектов (далее - система), а также реализация способа кодирования информационных объектов (способ) будут раскрыты на примере системы передачи информационных объектов с помощью акустических сигналов, содержащей передающее устройство с кодером в предпочтительном варианте и приемное устройство с декодером в предпочтительном варианте.

Фиг.1 - структурная схема передающего устройства в предпочтительном варианте.

Фиг.2 - пример распределения амплитудного спектра передаваемого сигнала ((а) - при равномерном спектре акустических шумов, (б) - при наличии акустического шума, сконцентрированного в узкой полосе частот).

Фиг.3 - структурная схема приемного устройства в предпочтительном варианте.

Фиг.4 - Сравнение характеристик предлагаемой системы с традиционным методом (в виде зависимости времени, затрачиваемого на передачу объекта, от отношения сигнал/шум в канале связи).

Передающее устройство системы, представленное на Фиг.1, содержит Кодер 101, первый (Вх1) и второй (Вх2) входы которого являются информационными. К выходу (Вых) кодера последовательно подключены цифроаналоговый преобразователь ЦАП 102 и громкоговоритель 103. К дополнительному входу (Доп.Вх) кодера, предназначенному для диагностики канала связи, через аналого-цифровой преобразователь кодера передающего устройства АЦП1 104 подключен Микрофон передающего устройства M1 105.

Кодер содержит последовательно соединенные и образующие Блок предварительного кодирования (БПК): Блок упаковки в контейнер БУК 106 входящих данных, входы которого являются также первым (Вх1) и вторым (Вх2) входами БПК, кодера и передающего устройства, Блок повтора и перемежения БПП 107, Сверточный кодер СК 108, Буфер прекодера БП 109. Входы/выходы БП являются входами/выходами БПК и соединены с соответствующими входами/выходами Мультиплексора 110. Выход Мультиплексора соединен через Буфер выборки БВ 111 с первым входом (Вх1) Блока формирования пакета БФП 112. При этом образуется канал подготовки основных данных кодера (основной канал).

Вх2 кодера подключен к первому входу (Bx1) Формирователя контрольных данных ФКД 113 и далее - через Кодер контрольных данных ККД 114 - ко второму входу (Вх2) БФП. При этом образуется канал подготовки контрольных данных кодера (контрольный канал).

Выход Генератора номера выборки ГНВ 115 соединен со вторым входом (Вх2) ФКД, а также с мультиплексором через Генератор адреса кодера ГАК 116, подключенный также к Вх2 кодера. Вх2 кодера может быть соединен с дополнительным входом БПП.

Выход (Вых) БФП подключен к выходу (Вых) кодера через последовательно соединенные Корректор спектра 117, Модулятор 118, Блок добавления синхропоследовательности БДС 119.

Дополнительный вход (Доп.Вх) кодера подключен к дополнительному входу БКА через последовательно соединенные Анализатор канала связи АКС 120 и Блок вычисления спектра БВС 121 для расчета оптимального амплитудного спектра передаваемого сигнала.

Могут быть предусмотрены другие дополнительные входы кодера и/или передающего устройства (на Фиг.1 не показаны). Например, стартовый вход для подачи сигнала на определенные блоки кодера о необходимости передачи входящих данных, а также вход альтернативного канала связи, предназначенный, в том числе, для команды кодеру на окончание передачи входящих данных.

Схема передающего устройства выполнена с возможностью подачи соответствующего питающего напряжения на все элементы схемы, требующие питания.

Передающая часть системы, содержащая передающее устройство, работает следующим образом.

Передающее устройство включено, когда подают питание на Кодер, ЦАП, АЦП1, Громкоговоритель, Микрофон, и находится в режиме ожидания.

На предварительной стадии кодирования при поступлении на Вх1 передатчика входящих данных (информационного объекта ИО - файла, сообщения, приложения и т.п.), а на Вх2 передатчика - данных о размере ИО, поступающих одновременно на ГАК 116 и на Вх1 ФКД 113, в БУК 106 проводят упаковку ИО в стандартный контейнер. Для этого к ИО добавляют заголовок и набор байт для проверки на целостность (например, контрольную сумму, CRC, Hash-код и т.п.). Дополнительно, в БУК контейнер может быть закодирован с помощью помехоустойчивого кода (например, кода Рида-Соломона). Контейнер (из БУК) и размер ИО (из БУК либо с Вх2 кодера) передают в БПП 107, где информационные биты контейнера повторяют определенное число раз и перемешивают. Псевдослучайная функция таких перестановок зависит от размера ИО. Далее проводят кодирование сверточным кодом в СК 108. Известно, что формирование кодированных бит указанным образом (т.е. повтор с перемежениями с последующим кодированием сверточным кодом) позволяет добиться высокой помехоустойчивости кода, при итеративном декодировании на приемной стороне (см. например [3]). Однако, в предлагаемых технических решениях закодированные таким образом ИО (блок данных для передачи) не передают непосредственно на модулятор и в канал связи. От СК их передают в БП 109. Блок данных хранят в БП для осуществления основной стадии кодирования. Предварительную стадию осуществляют всего один раз до начала передачи по каналу связи (в данной реализации - акустическому), не изменяя содержимое БП при необходимости дальнейшей подстройки характеристик передачи под изменяющийся канал связи.

Надо иметь в виду, что БПК в других реализациях предлагаемых технических решений может быть сформирован любым известным способом. При этом может быть использован помехоустойчивый код с произвольной избыточностью.

Далее осуществляют основную стадию кодирования. Во включенном передающем устройстве любым известным способом осуществляют запуск ГНВ 115 (в частности, посредством подачи команды от стартового входа либо от БПП). ГНВ с определенной периодичностью формирует идентификационные номера (случайные либо последовательные значения) для выборки бит из БП и передает в ГАК и на Вх2 ФКД 113.

При поступлении информации с Вх2 кодера в ГАК 116, означающем поступление ИО в кодер, поступившее значение номера выборки из ГНВ инициализирует псевдослучайный ГАК, формирующий набор из k адресов, которые последовательно передают в Мультиплексор 110. В соответствии с набором адресов через входы/выходы Мультиплексора производят псевдослучайную выборку k бит из БП и сохраняют их в БВ 111. ГАК генерирует k адресов в диапазоне от 1 до N, где N - число бит в БП для заданного размера контейнера. При этом адреса могут повторяться один или более раз как в одном наборе, так и при псевдослучайной генерации следующих наборов адресов. В предпочтительном варианте псевдослучайная функция ГАК задается таким образом, чтобы интервал повторения генерируемых адресов был максимальным. В то же время, следует отметить, что повторение выборок не приводит к существенному снижению скорости и помехозащищенности рассматриваемой системы передачи при оптимальном декодировании в приемном устройстве, представленном на Фиг 3.

Из БВ биты выборки передают на Вх1 БФП 112, не используя дополнительное помехоустойчивое кодирование. Таким образом завершают подготовку к передаче фрагментов ИО в так называемом «основном канале».

При поступлении информации с Вх2 кодера в ФКД через Вх1, поступившее на Вх2 ФКД значение номера выборки из ГНВ инициализирует работу ФКД, который формирует контрольные данные, содержащие размер объекта и/или контейнера (с учетом работы БУК), идентификационный номер выборки, а также другую вспомогательную информацию. Контрольные данные в ККД 114 кодируют помехоустойчивым кодом и добавляют к ним специальные проверочные символы для проверки целостности контрольного пакета (например, его CRC, контрольная сумма и т.д.), получая контрольный пакет, который передают на Вх2 БФП. Таким образом, одновременно с формированием каждой выборки в «основном канале» формируют соответствующий ей контрольный пакет в так называемом «контрольном канале». Кодирование в контрольном канале, как правило, проводят кодом с большой избыточностью и, соответственно, высокой помехоустойчивостью, для того, чтобы контрольный канал мог быть принят в условиях очень сильных шумов и помех в канале связи. В то же время, контрольный канал несет в себе небольшое количество информации по сравнению с объемом информации в основном канале, поэтому суммарная избыточность, обусловленная присутствием контрольного канала, сравнительно мала.

Организация такого двухканального кодирования (избыточность в основном канале мала по сравнению с избыточностью контрольного канала) обеспечивает возможность значительного увеличения скорости передачи ИО, в том числе больших размеров (чем меньше избыточность данных основного канала, тем быстрее передача ИО посредством псевдослучайных выборок). При одинаковой степени помехоустойчивости в основном и контрольном каналах скорость передачи ИО также значительно увеличивается за счет высокой вероятности итеративного приема отдельных выборок и, соответственно, успешного восстановления ИО.

Биты контрольного пакета и биты выборки образуют пакет данных оптимального размера. Оптимальный размер пакета выбирается исходя из двух соображений: с одной стороны, как уже было отмечено, объем передаваемых данных в основном канале должен быть существенно больше, чем объем данных в контрольном канале, чтобы высокая избыточность кода в контрольном канале не существенно влияла на суммарную эффективность системы передачи; с другой стороны, во многих приложениях передача пакета должна занимать сравнительно небольшой интервал времени (напр. 1 с), так как чрезмерно длинный пакет может привести к нежелательным задержкам при приеме объектов, особенно небольших размеров. Пакет данных модулируют в БФП с помощью одного или нескольких видов модуляции (таких как BPSK, QPSK, n-QAM), дополнительно добавляя специальные пилотные символы для упрощения процедуры оценки и выравнивания канала в приемном устройстве. В рассматриваемой системе может использоваться широкополосная модуляция с одной или со многими несущими (например, OFDM, CDMA и т.д.).

Для того чтобы уменьшить заметность акустического сигнала для пользователя, сохранив при этом среднюю мощность и широкополосные свойства сигнала, спектр сигнала перед передачей на модулятор 118 корректируют в Корректоре спектра 117, в качестве которого используют, например, фильтр. Корректировку спектра могут осуществлять адаптивно. Такая корректировка возможна, если устройство имеет M1 105 и АЦП1 104. В этом случае, в АКС 120 с определенной периодичностью анализируют акустические сигналы, поступающие с Ml через АЦП1, оценивая уровень и спектральный состав акустического шума в канале связи. При этом в данной реализации системы под акустическим шумом подразумеваются все акустические сигналы (речь, музыка, акустические сигналы оповещения и т.д.), кроме сигнала, излучаемого самим передающим устройством. Затем, в соответствии с психоакустической моделью акустического восприятия, реализованной в БВС 121, осуществляют расчет оптимального спектра сигнала, т.е. такого распределения амплитудного спектра сигнала, при котором мощность сигнала максимальна при неизменной акустической заметности его. В частности, в БВС используют эффект частотного маскирования, который иллюстрируется Фиг.2, где показаны сплошной линией предпочтительные спектры сигнала в каналах связи с акустическим шумом (прерывистая линия). Так, если уровень акустического шума близок к равномерному (Фиг.2(а)), то распределение амплитудного спектра обратно пропорционально усредненной чувствительности человеческого уха к шумовому сигналу (например, такая характеристика чувствительности определена в стандарте ITU-R 468). При наличии сильных акустических помех с выраженными пиками на определенных частотах, оптимальное распределение будет определяться чувствительностью уха к шумовым сигналам с учетом эффекта частотного маскирования. Пример такого распределения приведен на Фиг.2(б). Сильный посторонний акустический сигнал маскирует сигнальные составляющие, находящиеся на соседних частотных интервалах, поэтому на соседних частотах интенсивность передаваемого сигнала может быть увеличена без субъективного увеличения акустической громкости передаваемого сигнала. Из БВС передают расчетные данные в Корректор спектра, где проводят коррекцию спектра сигнала в соответствии с изменяющимся каналом связи для каждого из пакетов данных, что дополнительно повышает вероятность безошибочного приема данных приемным устройством (а значит и скорость передачи), оставляя сигнал передатчика малозаметным для пользователя.

Далее в Модуляторе 118 корректированные символы модулируют, получая информационный сигнал, а в БДС 119 к информационному сигналу во временной области добавляют синхросигналы для упрощения процедуры синхронизации и канального выравнивания в приемном устройстве. Полученный таким образом сигнал передачи передают на ЦАП 102 и Громкоговоритель 103 - в канал связи.

Таким образом, псевдослучайные выборки из ИО непрерывно передают в канал связи.

Приемное устройство системы, представленное на Фиг.3, содержит Декодер 201, к входу (Вх) которого через аналого-цифровой преобразователь приемного устройства АЦП2 202 подключен Микрофон приемного устройства М2 203.

Декодер содержит последовательно подключенные к Вх Декодера Синхронизатор 204, Демодулятор 205, Блок оценки и компенсации канала связи БОКС 206 и Первый демультиплексор ДМ1 207.

Первый выход (Вых1) ДМ1 соединен с первым входом (Вх1) Второго демультиплексора ДМ2 208, выходы которого соединены через соответствующие Сумматоры Σ 209 с соответствующими входами Буфера накопления БН 210. Количество сумматоров соответствует количеству битов в БП Кодера.

Второй выход (Вых2) ДМ1 соединен с Декодером контрольного канала ДКК 211, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами генератора адреса ГАД 212 декодера, выход которого соединен со вторым входом (Вх2) Дм2.

БН подключен к выходу декодера, являющемуся информационным выходом (Вых) приемного устройства, через последовательно соединенные Итеративный декодер ИД 213, Блок проверки целостности БПЦ 214, Блок распаковки и восстановления БРВ 215. При этом дополнительный выход БПЦ соединен с дополнительным входом ИД, а также с дополнительным выходом декодера, являющимся дополнительным выходом (Доп.Вых) приемного устройства.

Схема приемного устройства выполнена с возможностью подачи соответствующего питающего напряжения на все элементы схемы, требующие питания.

Приемная часть системы, содержащая приемное устройство, работает следующим образом.

Приемное устройство включено, когда подают питание на Декодер, АЦП2, М2, и находится в режиме ожидания.

Сигнал из канала связи через М2 203 поступает в АЦП2 202, где его дискретизируют и передают на Вх Декодера. В Синхронизаторе 204, обнаружив сигнал передачи по синхросигналу, восстанавливают границы символов и проводят подстройку частоты дискретизации, принимают поступающий сигнал. Далее принятый сигнал передают на Демодулятор 205 с одной или со многими несущими, выполненный соответственно Модулятору 118 (на базе набора фильтров или быстрого преобразования Фурье (см. например, [1])). В БОКС 206, используя пилотные символы, проводят оценку канала связи и шумовых составляющих и адаптивно оценивают спектр искажения. В ДМ1 210 определяют «мягкие» значения принятых бит, разделяя биты выборки для «основного» канала и биты контрольного пакета для «контрольного» канала приема.

«Мягкие» решения контрольного пакета поступают на ДКК 211, построенный в соответствии с ККД 114. В случае успешного декодирования контрольного пакета, информацию о размере контейнера через первый выход ДКК и идентификационный номер выборки через второй выход ДКК передают на соответствующие входы псевдослучайного ГАД 212, аналогичного ГАК передающего устройства. При этом в ГАД генерируют адреса бит, соответствующие адресам в БП кодера передающего устройства.

«Мягкие» решения, соответствующие выборке, демультиплексируют ДМ2 208 в соответствии с адресной информацией, генерируемой ГАД. Далее «мягкие» решения постепенно, с каждой принимаемой выборкой, накапливают в соответствующих Σ 209 (каждый накопитель соответствует одному биту в БП 109). Накопленные таким образом «мягкие» решения через некоторое количество принятых выборок сохраняют в БН 210. Как только в БН поступает определенное минимально необходимое число (определяемое ИД 213) «мягких» решений, соответствующих битам блока данных из БП 109, в итеративном декодере 213 начинают процедуру декодирования по «мягким» решениям принимаемого из БП 109 блока данных. Примеры таких процедур широко известны (аналогичная процедура описана, например в [3]), не касается предмета заявки и поэтому подробно не раскрывается. Заметим, что в ИД могут начать декодирование, даже когда часть ячеек в БН еще не заполнена. При этом свойства кода при итеративном декодировании будут эквивалентны свойствам аналогичного кода с выкалыванием [4, 5], т.е. близки к оптимальным.

После каждой попытки декодирования в БПЦ 214, запрашивая соответствующую итерацию (жесткие решения) из ИД, выполняют проверку на целостность принимаемого блока данных (в соответствии с заложенным в кодере), используя эти жесткие решения. Если проверка выполняется успешно, передают полученный блок данных в БРВ 215 для распаковки с выделением контейнера и восстановления информационного объекта. Дополнительно в БПЦ формируют и передают на ИД команду прекращения итерации. Затем ИО передают через Вых приемного устройства на устройство пользователя (на верхний уровень обработки). Одновременно через ДопВых приемного устройства могут выдать сигнал подтверждения приема по альтернативному вспомогательному (обратному) каналу связи (например, по радиоканалу или по визуальному каналу).

Следующее декодирование данных из БН проводят с определенной периодичностью в том случае, если за полный цикл декодирования (например, определенный несколькими десятками итераций) блок данных не был восстановлен и если приходит новая выборка с ДМ1 (т.е. обновляется содержимое БН). В ИД начинают процедуру декодирования повторно, используя новые данные из БН. Такую схему повторного декодирования повторяют до тех пор, пока декодер не сможет восстановить передаваемый Блок данных БП 109 без ошибок.

Описанная Система обладает следующими свойствами.

- Во-первых, без использования обратного канала связи система может передать информационный объект от передатчика к приемнику за минимально короткое время при определенном отношении сигнал/шум в канале связи. При правильном выборе сверточного кодера (в СК) и алгоритма перемежения в БПП (известны и не описываются в данной заявке) кодер, применяемый для передачи ИО по любым каналам связи, и система передачи обеспечивает скорость передачи, близкую к пропускной способности канала связи в широком диапазоне отношений сигнал/шум. Зависимость скорости передачи от отношения сигнал/шум проиллюстрирована на Фиг.4. Для сравнения на Фиг.4 приведены характеристики системы, использующей турбо-код в сочетании с идеальным кодом со стираниями (например, код раптора [6]). Как видно из сравнения графиков на Фиг.4, традиционная система, использующая турбо-код с фиксированной скоростью кода, рассчитана на определенное отношение сигнал/шум (в данном примере на минус 6 дБ) и обеспечивает в этой точке скорость передачи, близкую к пропускной способности канала связи. Однако, при увеличении отношения сигнал/шум скорость передачи остается неизменной и существенно отличается от пропускной способности канала. Также при уменьшении отношения сигнал/шум ниже минус 6 дБ скорость передачи резко падает, так как при таких отношениях сигнал/шум корректирующая способность турбо-кода с фиксированной скоростью не позволяет добиться приема информационного объекта с малой вероятностью ошибок. С другой стороны, предложенная система, несущественно проигрывая системе с фиксированным кодом в одной точке (минус 6 дБ), позволяет добиться скорости передачи, близкой к пропускной способности канала в широком диапазоне отношений сигнал/шум. В данном примере использована реальная система передачи с учетом избыточности, связанной с передачей контрольного канала и необходимостью передавать пилотные сигналы для работы канального выравнивателя в приемнике. Поэтому, реальная скорость передачи не может вплотную приблизиться к теоретической пропускной способности канала. Кроме того, при низких отношениях сигнал/шум возникают проблемы, связанные с ошибками синхронизации и ошибками при приеме контрольного канала, что сказывается на работе системы при очень низких отношениях сигнал/шум (меньше минус 8 дБ).

- Во-вторых, за счет применения адаптивной подстройки спектра передаваемого сигнала достигается максимально возможная мощность передаваемого сигнала при минимальной акустической заметности с сохранением широкополосных свойств сигнала.

Несмотря на то что изобретение показано и описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.

Источники информации

[1] V.Gerasimov, W.Bender, "Things that talk: Using sound for device-to-device and device-to-human communication," IBM Systems Journal, Volume 39, Numbers 3 & 4, 2000.

[2] Патент США, US7349481, Communication using audible tones.

[3] D.Divsalar, H.Jin and R.J.McEliece. "Coding theorems for 'turbo-like' codes." Proc. 36th Allerton Conf. on Communication, Control and Computing, Allerton, Illinois, Sept. 1998, pp.201-210.

[4] J.Hagenauer, "Rate-compatible punctured convolutional codes (RCPC codes) and their applications," IEEE Trans. Commun., vol.36, no.4, pp.389-400, 1988.

[5] A.S.Barbulescu and S.S.Pietrobon, "Rate compatible turbo codes," IEE - Electronics Letters, vol.31, no.7, pp.535-536, 1995.

[6] A.Shokrollahi, Raptor Codes, IEEE Trans. Information theory, vol.52, no.6, pp.2551-2567, 2006.

Claims (25)

1. Кодер, содержащий блок предварительного кодирования (БПК), первый и второй входы которого являются соответствующими информационными входами кодера, а также модулятор, подключенный через блок добавления синхропоследовательности (БДС) к выходу кодера, отличающийся тем, что хотя бы один вход/выход БПК подключен к соответствующему входу/выходу мультиплексора, соединенного через буфер выборки (БВ) с первым входом блока формирования пакета (БФП), а второй вход кодера через последовательно соединенные формирователь контрольных данных (ФКД) и кодер контрольных данных (ККД) подключен ко второму входу БФП, причем генератор номера выборки (ГНВ) соединен с ФКД, а также с мультиплексором через генератор адреса кодера (ГАК), подключенный ко второму входу кодера, а выход БФП соединен с модулятором, причем кодер выполнен с возможностью запуска ГНВ.

2. Кодер по п.1, отличающийся тем, что БПК содержит последовательно соединенные блок упаковки в контейнер (БУК), первый и второй входы которого являются соответствующими входами БПК, блок повтора и перемежения (БПП), сверточный кодер (СК), буфер прекодера (БП).

3. Кодер по п.2, отличающийся тем, что его второй вход соединен с БПП.

4. Кодер по п.1, отличающийся тем, что модулятор является модулятором со многими несущими.

5. Кодер по п.1, отличающийся тем, что выход БФП соединен с модулятором через корректор спектра (КС).

6. Кодер по п.5, отличающийся тем, что содержит хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

7. Кодер по п.6, отличающийся тем, что дополнительный вход кодера подключен к КС через последовательно соединенные анализатор канала связи (АКС) и блок вычисления спектра БВС.

8. Передающее устройство, выполненное с возможностью подачи соответствующего питающего напряжения на все элементы схемы, требующие питания, и содержащее кодер, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и громкоговоритель, причем кодер включает БПК, первый и второй входы которого являются соответствующими информационными входами передающего устройства и кодера, а также модулятор, подключенный через БДС к выходу кодера, соединенному через ЦАП с громкоговорителем, отличающееся тем, что в кодере хотя бы один вход/выход БПК подключен к соответствующему входу/выходу мультиплексора, соединенного через БВ с первым входом БФП, а второй вход кодера через последовательно соединенные ФКД и ККД подключен ко второму входу БФП, причем ГНВ соединен с ФКД, а также с мультиплексором через ГАК, подключенный ко второму входу кодера, а выход БФП соединен с модулятором, причем кодер выполнен с возможностью запуска ГНВ.

9. Передающее устройство по п.8, отличающееся тем, что БПК кодера содержит последовательно соединенные БУК, первый и второй входы которого являются соответствующими входами БПК, блок повтора и перемежения (БПП), СК, БП.

10. Передающее устройство по п.9, отличающееся тем, что его второй вход соединен с БПП.

11. Передающее устройство по п.8, отличающееся тем, что модулятор является модулятором со многими несущими.

12. Передающее устройство по п.8, отличающееся тем, что выход БФП соединен с модулятором через корректор спектра (КС).

13. Передающее устройство по п.12, отличающееся тем, что передающее устройство и/или кодер содержит хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

14. Передающее устройство по п.13, отличающееся тем, что к дополнительному входу кодера, являющемуся дополнительным входом передающего устройства и подключенному к КС через последовательно соединенные АКС и БВС, подключен микрофон передающего устройства Ml через аналогоцифровой преобразователь передающего устройства (АЦП1).

15. Система передачи информационных объектов, содержащая передающее и приемное устройства, выполненные с возможностью подачи соответствующего питающего напряжения на все элементы их схем, требующие питания, причем передающее устройство содержит кодер, ЦАП и громкоговоритель, а кодер включает БПК, первый и второй входы которого являются соответствующими информационными входами передающего устройства и кодера, а также модулятор, подключенный через БДС к выходу кодера, соединенному через ЦАП с громкоговорителем, а приемное устройство содержит микрофон приемного устройства (М2), через аналого-цифровой преобразователь приемного устройства (АЦП2) подключенный к входу декодера, включающего синхронизатор и демодулятор, последовательно подключенные к входу декодера, а также блок проверки целостности (БПЦ) и блок распаковки и восстановления (БРВ), последовательно подключенные к выходу декодера, являющемуся информационным выходом приемного устройства, отличающаяся тем, что в кодере хотя бы один вход/выход БПК подключен к соответствующему входу/выходу мультиплексора, соединенного через БВ с первым входом БФП, а второй вход кодера через последовательно соединенные ФКД и ККД подключен ко второму входу БФП, причем ГНВ соединен с ФКД, а также с мультиплексором через ГАК, подключенный ко второму входу кодера, а выход БФП соединен с модулятором, причем кодер выполнен с возможностью запуска ГНВ, а в декодере демодулятор соединен с первым демультиплексором (ДМ1), первый выход которого соединен с первым входом второго демультиплексора (ДМ2), выходы которого соединены через соответствующие сумматоры Ј с соответствующими входами буфера накопления БН, а второй выход ДМ1 соединен с декодером контрольного канала (ДКК), первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами генератора адреса декодера ГАД, выход которого соединен со вторым входом ДМ2, а БН через итеративный декодер (ИД) подключен к БПЦ.

16. Система по п.14, отличающаяся тем, что БПК кодера содержит последовательно соединенные БУК, первый и второй входы которого являются соответствующими входами БПК, блок повтора и перемежения (БПП), СК, БП.

17. Система по п.15, отличающаяся тем, что второй вход передающего устройства соединен с БПП.

18. Система по п.14, отличающаяся тем, что модулятор является модулятором со многими несущими.

19. Система по п.14, отличающаяся тем, что кодер содержит хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

20. Система по п.18, отличающаяся тем, что к дополнительному входу кодера, подключенному к КС через последовательно соединенные АКС и БВС, подключен микрофон передающего устройства через АЦП1.

21. Система по п.14, отличающаяся тем, что демодулятор соединен с ДМ1 через блок оценки и компенсации канала связи (БОКС).

22. Система по п.14, отличающаяся тем, что приемное устройство и/или декодер содержит хотя бы один дополнительный вход и/или выход.

23. Система по п.20, отличающаяся тем, что БПЦ подключен к дополнительному выходу декодера, являющегося дополнительным выходом приемного устройства.

24. Система по п.14, отличающаяся тем, что БПЦ выполнен с возможностью подачи команды прекращения итераций на ИД.

25. Способ кодирования информационных объектов, заключающийся в том, что из информационного объекта (ИО) формируют закодированные пакеты данных, каждый из которых преобразуют в сигнал для передачи, отличающийся тем, что каждый пакет данных формируют объединением псевдослучайной выборки определенного размера из предварительно кодированного ИО и соответствующего ей контрольного пакета, полученного кодированием с большой избыточностью контрольных данных, содержащих размер ИО и номер этой выборки.

Images