Устройство моделирования канала связи со сжатием без потерь
Предлагаемая полезная модель относится к области техники связи, предназначена для оценки влияния ошибки в канале связи при наличии сжатия. Техническим результатом, достигаемым полезной моделью является расширение области применения устройства за счет расчета вероятности ошибки в канале со сжатием при моделировании потока ошибок в канале связи по блочной статистике канала связи. Эта цель достигается тем, что в устройство моделирования канала связи содержащее сумматор по модулю два, коммутатор источника ошибок, блок источника ошибок, два датчика случайных чисел, запоминающие устройства, коммутатор состояний, дешифратор нуля, введены, кодер Хаффмана, декодер Хаффмана, блок сравнения. 1 ил.
Устройство относится к области техники связи и может быть использовано для оценки помехоустойчивости алгоритмов декомпрессии на основе модели дискретного канала с независимыми и группирующимися ошибками.
Полезная модель, описанная в настоящей заявке, может применяться для моделирования двоичного симметричного канала со сжатием и позволяет получать условные вероятности ошибки для оценки помехоустойчивости алгоритмов декомпрессии.
Известно устройство моделирования канала связи с группирующимися ошибками, содержащее сумматор по модулю два, вход которого является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, и выход сумматора по модулю два является выходом устройства [Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982, стр.29].
Недостатком этого устройства является то, что область применения этого устройства ограничивается только моделированием тех каналов связи, для которых точно известен закон получения потока ошибок.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному, выбранное в качестве прототипа, является устройство ["Устройство моделирования канала связи" по патенту РФ №2319301 класс Н03М 13/01, заявленное 20.02.2006], содержащее сумматор по модулю два, коммутатор источника ошибок, блок источника ошибок, два датчика случайных чисел, запоминающие устройства, коммутатор состояний, дешифратор нуля, причем вход сумматора по модулю 2 является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, выход коммутатора источника ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел и входом дешифратора нуля, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого ПЗУ и второго ПЗУ, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход
подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок, выход сумматора по модулю два является выходом устройства.
Недостатком данного устройства является тот факт, что в нем отсутствуют функциональные узлы, позволяющие получать поток ошибок для канала связи со сжатием без потерь.
Технический результат на достижение которого направлена полезная модель заключается в расширение области применения устройства за счет оценки помехоустойчивости алгоритма декомпрессии.
Для достижения этого технического результата в известном устройстве моделирования канала связи содержащем сумматор по модулю два, коммутатор источника ошибок, блок источника ошибок, два датчика случайных чисел, запоминающие устройства, коммутатор состояний, дешифратор нуля, причем вход сумматора по модулю 2 является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, выход коммутатора источника ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел и входом дешифратора нуля, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого ПЗУ и второго ПЗУ, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок, выход сумматора по модулю два является выходом устройства, дополнительно введены кодер Хаффмана, декодер Хаффмана, блок сравнения причем вход кодера Хаффмана является информационным входом, информационный выход которого соединен со сумматором по модулю два, а выход сумматора по модулю два соединен со входом декодера Хаффмана, выход которого является информационным выходом устройства, один вход блока сравнения является вторым информационным входом, второй вход блока сравнения соединен с информационным выходом устройства, причем выход блока сравнения является вторым информационным выходом для рассчитанной вероятности ошибки.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет введения кодера Хаффмана, декодера Хаффмана, блока сравнения осуществляется оценка помехоустойчивость алгоритма декомпрессии. Этим достигается возможность расширения области применения заявленного устройства, в частности, для анализа канала связи со сжатием.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественны всем признакам
заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг.1, на котором представлена структурная схема предлагаемого устройства, где цифрами обозначены:
1 - первый сумматор по модулю два; 2 - коммутатор источника ошибок; 3 - блок источника ошибок; 4 - дешифратор нуля; 5 - датчик случайных чисел; 6, 8 - запоминающее устройство; 7 - коммутатор состояния, 9 - кодер Хаффмана, 10 - декодер Хаффмана, 11 - блок сравнения.
Вход кодера Хаффмана является информационным входом, информационный выход которого соединен со сумматором по модулю два, а выход сумматора по модулю два соединен со входом декодера Хаффмана, выход которого является информационным выходом устройства, один вход блока сравнения является вторым информационным входом, второй вход блока сравнения соединен с информационным выходом устройства, причем выход блока сравнения является вторым информационным выходом для рассчитанной вероятности ошибки. Другой вход сумматора по модулю два соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, выход коммутатора источника ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел и входом дешифратора нуля, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого ПЗУ и второго ПЗУ, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок, выход сумматора по модулю два является выходом устройства. Схемы кодера и декодера Хаффмана известны и описаны, например, в источнике [Ю.А.Зубань, В.В.Петров Аппаратная реализация адаптивного алгоритма построения кода Хаффмана, Вicник СумДУ, вып. №4(88), 2006, с.80-88].
В качестве блока сравнения может быть использована одна из известных схем, например приведенная в книге [Б.Я.Авдеева, Е.М.Антонюка, Е.М.Душина «Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов» под ред. Е.М.Душина. - 6-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987. - 480 с.: ил. (с.235-236)].
Предлагаемое устройство моделирования канала связи со сжатием без потерь функционирует следующим образом.
Комбинации ошибок в устройстве формируются в блоке источника ошибок 3. Всевозможные комбинации ошибок могут быть составлены из двоичных комбинаций
вида 0i 1, состоящих из i нулей и 1 единицы, где i
0. В случае, если i=0, единицы будут следовать друг за другом. Блок источника ошибок 3 может быть реализован, например, в виде регистра сдвига, на вход которого постоянно поступает логическая единица, а вход первого разряда и выходы всех разрядов подключены к входам коммутатора источника ошибок 2. На тактовый вход блока источника ошибок 3, который не показан на чертеже, постоянно подана тактовая частота, совпадающая с частотой поступления информации на вход устройства. По сигналу установки с выхода коммутатора источника ошибок 2 (единица на выходе коммутатора источника ошибок 2) блок источника ошибок 3 (регистр сдвига) устанавливается в нулевое состояние, а затем на выходе i-го разряда блока источника ошибок 3 в течение i тактов частоты будет двоичная комбинация вида 0i1.
Выбор той или иной двоичной комбинации 0i1 осуществляет коммутатор источника ошибок 2, который по сигналам управления с выхода коммутатора состояний 7 подключает выход блока источника ошибок 3, соответствующий двоичной комбинации 0 i1, ко входу сумматора по модулю два 1.
Сигнал установки с выхода коммутатора источника ошибок 2 поступает также на вход датчика случайных чисел 5, который вырабатывает по этому сигналу равномерно распределенное случайное число. Диапазон случайных величин определяется размером адресной области первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8.
Далее случайное число с выхода датчика случайных чисел 5 поступает на адресные входы первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8. В зависимости от величины случайного числа на входе первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 с их выходов на информационные входы коммутатора состояний 7 поступают сигналы, соответствующие числам, определяющим длину серий нулей в двоичной комбинации 0i1. Первое ПЗУ 6 и второе ПЗУ 8 осуществляют преобразование случайного числа в длину серий нулей между соседними ошибками в потоке ошибок канала связи. Закон такого преобразования определяется содержимым первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8. Содержимое первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 вычисляется заранее. Модифицированная модель канала связи по Пуртову задается блочной статистикой канала связи. Согласно модифицированной модели канала связи по Пуртову вероятность t и более ошибок (t2) в блоке длины п бит выражается формулой:
где р - средняя вероятность ошибок (p
0.5),
а - коэффициент группирования ошибок (0а1), значение а=0 приближенно соответствует каналу с независимыми ошибками, а=1 - каналу, когда все ошибки сосредоточены в одной группе,
где 
Вероятность искажения кодовой комбинации равна
Эта модель ошибок определяется всего двумя параметрами р и а, и при различных параметрах модели достаточно точно описывает многие реальные каналы связи. Блочная статистика этого канала связи определяется уравнением
Пусть р(0i) - вероятность появления безошибочного интервала длиной i бит, 1=0, 1,... Эту вероятность вычисляют на основании выражения (2)
Далее на основе распределения вероятностей р (0 i) вычисляют распределения вероятностей р(0 i1), р(10i1), р(110 i1), где 1 означает ошибочный бит.
Эти вероятности вычисляют по рекуррентным правилам
Затем вычисляют условные вероятности
где i=1, 2,..., p(11)=1-2×p(0)+p(00),p(01)=p(0)-p(00).
Условные вероятности р(0i1/11) и р(0 i1/01) задают вероятности безошибочных интервалов длины i бит, при условии, что до этого моделью генерировалась комбинация 11 или 01 и для генерации ошибок используется всего два состояния канала связи,
соответствующие комбинации ошибок 11 и 01. Только такие комбинации ошибок могут быть в моменты времени, предшествующие моменту установки или смены состояний, поскольку генерируются последовательности вида 0i 1, а переход из одного состояния в другое осуществляется по 1. При i=0 состояние канала связи будет соответствовать комбинации 11, а при i>0 - состоянию 01.
Первое ПЗУ 6 определяет число i, соответствующее длине безошибочного интервала согласно условной вероятности р(0i1/11), а второе ПЗУ 8 определяет число i, соответствующее длине безошибочного интервала по условной вероятности р(0i1/01). Все адресное пространство первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 разделено на области, размер которых пропорционален условным вероятностям р(0i1/11) и р(0i1/01) соответственно. Содержимым каждой такой области первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 является число i. Равномерно распределенное число с датчика случайных чисел 5 с вероятностями р(0 i1/11) и р(0i1/01) попадает в область адресов с содержимым, равным числу i, которое задает длину безошибочного интервала для модели ошибок. Таким образом, на выходе первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 появляется число i, соответствующее серии нулей между соседними ошибками.
Коммутатор состояний 7 подключает к управляющему входу коммутатора источника ошибок 2 первое ПЗУ 6 или второе ПЗУ 8 в зависимости от управляющего сигнала с дешифратора нуля 4. Если длина безошибочного интервала между двумя единицами равна нулю, то состояние канала связи соответствует комбинации ошибок 11 и на выходе коммутатора состояния 7 будет сигнал, соответствующий нулю. В этом случае по разрешающему сигналу с выхода коммутатора источника ошибок 2 срабатывает дешифратор нуля 4. Коммутатор состояния 7 подключает к своему выходу первое ПЗУ 6. В следующие моменты времени (до следующей установки) сигнал с выхода первого ПЗУ 6 будет определять длительность безошибочного интервала. При длине безошибочного интервала, большей нуля, состояние канала связи соответствует комбинации ошибок 01. На выходе коммутатора состояния 7 будет ненулевой сигнал и дешифратор нуля 4 не срабатывает. В этом случае длительность безошибочного интервала будет определять сигнал с выхода второго ПЗУ 8. До появления разрешающего сигнала с выхода коммутатора источника ошибок 2 и следующего срабатывания дешифратора нуля 4 состояние канала связи будет соответствовать двоичной комбинации ошибок 01.
Сформированные таким образом двоичные комбинации ошибок суммируются с кодовой последовательностью поступающей с кодера Хаффмана 9 [Основы кодирования: Учебник для ВУЗов.: Пер. с нем. / М.Вернер - М.: Техносфера, 2006. - 288с.], на вход которого поступает входная информация устройства. Символы кодовой последовательности
поступают на вход сумматора по модулю два 1, на другой вход которого поступает двоичная комбинация ошибок с выхода коммутатора источника ошибок 2. В сумматоре по модулю два 1 кодовая последовательность и двоичная комбинация ошибок суммируются по модулю два. На выходе сумматора по модулю два 1 будет кодовая последовательность с ошибками, которая затем поступает на вход декодера Хаффмана 10 [Основы кодирования: Учебник для ВУЗов.: Пер. с нем. / М.Вернер - М.: Техносфера, 2006. - 288с.], с которого поступает на выход устройства.
Входная и выходная информация устройства поступает на вход блока сравнения 11, где считается количество ошибок Nош и количество поступивших символов Nсим . Вероятность ошибки в дискретном канале со сжатием без потерь рассчитывается как
Условные вероятности р(0i1/11) и р(0i1/01), определяющие содержимое первого ПЗУ 6 или второго ПЗУ 8, вычисляются на ПЭВМ заранее по формулам (6) и (7) соответственно.
Оценки влияния ошибки в канале связи со сжатием осуществляется за счет блоков кодирования и декодирования по методу Хаффмана.
Устройство моделирования канала связи, содержащее сумматор по модулю два, коммутатор источника ошибок, блок источника ошибок, два датчика случайных чисел, запоминающие устройства, коммутатор состояний, дешифратор нуля, причем вход сумматора по модулю 2 является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, выход коммутатора источника ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел и входом дешифратора нуля, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого ПЗУ и второго ПЗУ, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок, выход сумматора по модулю два является выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены кодер Хаффмана, декодер Хаффмана, блок сравнения, причем вход кодера Хаффмана является информационным входом, информационный выход которого соединен с сумматором по модулю два, а выход сумматора по модулю два соединен с входом декодера Хаффмана, выход которого является информационным выходом устройства, один вход блока сравнения является вторым информационным входом, второй вход блока сравнения соединен с информационным выходом устройства, причем выход блока сравнения является вторым информационным выходом для рассчитанной вероятности ошибки.
