algorytmy nadawania i odbioru - kurs internetowy

www.pwt.et.put.poznan.pl
Robert Kotrys, Piotr Remlein, Paweł Szulakiewicz
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
Politechnika Poznańska
[email protected]
2004
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 9 - 10 grudnia 2004
ALGORYTMY NADAWANIA I ODBIORU - KURS INTERNETOWY
Streszczenie: W referacie przedstawiono materiały dydaktyczne przeznaczone do internetowego nauczania zaawansowanych technik nadawania i odbioru stosowanych przy
cyfrowej transmisji danych, szczególnie przy transmisji w
kanale radiowym. Omawiany kurs internetowy powstał w
ramach projektu INVOCOM europejskiego programu
Leonardo DaVinci.
1.
WPROWADZENIE
przedstawia klasyfikacje i kryteria oceny koderów i
kodów splotowych. Przedstawiane są różnorodne architektury sprzętowej implementacji koderów oraz
podstawowe metody opisu kodów i koderów splotowych.
Multimedialna forma kursu pozwoli na ilustrację
wymienionych wyżej tematów za pomocą wielu animacji i symulacji.
Potrzeba ustawicznego kształcenia inżynierów [1]
jak i duża popularność różnych form zdalnego nauczania [4,5] pobudza wiele środowisk do tworzenia i doskonalenia kursów internetowych oraz materiałów
dydaktycznych niezbędnych w tych kursach [2,3].
W ramach programu Leonardo da Vinci powstał
projekt INVOCOM [2], którego celem jest stworzenie
materiałów dydaktycznych w formie dostępnych przez
Internet interaktywnych eksperymentów z wybranych
obszarów informatyki, elektroniki i telekomunikacji. W
referacie przedstawione zostaną najważniejsze zagadnienia i problemy związane z stworzeniem i udostępnieniem tego typu materiałów.
2.
TEMATYKA KURSU
Celem kursu jest przyjazne przedstawienie zagadnień związanych z kodowaniem splotowym, kratowym
oraz metodami dekodowania takich sygnałów. Różnorodne systemy transmisji danych wykorzystują kodowanie kanałowe sygnału, które kosztem pewnej redundancji przesyłanych informacji poprawia odporność
transmisji na zakłócenia. Projektując system wymagamy od układów nadawczo odbiorczych zapewnienia
nie większej niż wymagana stopy błędów. Większa
odporność na zakłócenia kanału transmisyjnego pozwala bądź zwiększyć zasięg systemu bądź obniżyć
moc niezbędną do poprawnego przekazu użytecznej
informacji, przy zadanej stopie błędów w odbiorniku.
Jedną ze skutecznych i powszechnie używanych metod
kodowania są kody splotowe i tak zwane kody kratowe. Kodowanie takie jest stosowane na różnych etapach obróbki sygnału przez niemal wszystkie współczesne systemy telekomunikacyjne od modemów kablowych po lokalne sieci bezprzewodowe i łącza satelitarne. Zapoznanie się z takimi technikami kodowania
oraz technikami ich dekodowania jest niezwykle istotnym elementem wykształcenia współczesnego inżyniera telekomunikacji. Kurs stworzony w ramach projektu
INVOCOM w kolejnych lekcjach omawia podstawy
matematyczne analizy i syntezy koderów splotowych,
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
Rys 1. Animowana ilustracja zasady działania kodera
splotowego.
Najcenniejszym elementem stworzonego kursu są
narzędzia do samodzielnych eksperymentów studenta z
układami koderów i dekoderów. Jednym z założeń
projektu INVOCOM jest stworzenie materiałów dydaktycznych dostępnych w Internecie za pomocą typowej przeglądarki internetowej. By spełnić takie wymaganie, autorzy kursu wykorzystali język Jawa oraz
osadzone na stronach przeglądarki aplikacje Java do
stworzenia dydaktycznych symulatorów koderów i
dekoderów kodów splotowych. Już w ramach pierwszej lekcji student dostaje do dyspozycji narzędzie
pozwalające na swobodną (w obrębie rodziny systematycznych koderów splotowych) konstrukcję kodera
splotowego i analizę jego funkcjonowania oraz procesu
kodowania dowolnej, zadanej przez studenta sekwencji
danych.
1
www.pwt.et.put.poznan.pl
Rys. 2. Symulator systematycznego kodera splotowego.
Dekodowanie tego typu sygnałów jest zadaniem
złożonym i to zarówno w sensie poznawczym jak i
numerycznym. Główną część kursu stanowią lekcje
poświęcone różnym algorytmom dekodowania. Szczegółowo wyjaśniona jest zasada działania podstawowego algorytmu Viterbiego w odmianie twardodecyzyjnej
w lekcji piątej i odmianie miękkodecyzyjnej w lekcji
szóstej. Każda z tych lekcji zawiera applet pozwalający
na drobiazgowe prześledzenie wszystkich operacji
wykonywanych w algorytmie dekodowania. Student
może dowolnie wybrać kod, wprowadzać zakłócenia
do odbieranego sygnału (bezpośrednio lub ustalając
stosunek mocy sygnału do mocy szumu w kanale).
Zakodowany sygnał jest przetwarzany w algorytmie
dekodowania krok po kroku, a stan odbiornika jest
wizualizowany graficznie w formie wykresów kratowych i danych numerycznych, które umożliwiają samodzielna weryfikacje efektów działania dekodera.
Rys. 4. Miekkodecyzyjny odbiornik Viterbiego
Nowoczesne metody kodowania zwane „turbo”
kodami pozwalają znacznie przybliżyć efektywność
kodu do teoretycznej granicy pojemności kanału. Kody
te zwykle korzystają z połączonych równolegle lub
szeregowo koderów splotowych oraz z iteracyjnych
algorytmów dekodowania. Transmitowane dane są
kodowane za pomocą dwu niezależnych przeplecionych kodów (kodu A i kodu B) i dekodowane przez
dwa dekodery, które prócz decyzji dostarczają informacji o wiarygodności odebranych informacji. W kolejnych iteracjach informację o prawdopodobieństwie
danych uzyskane w procesie dekododowania kodu A są
używane do polepszenia wiarygodności dekodowania
kodu B. Lekcja ósma przedstawia dekoder typu
MaxLogMAP używany w systemach z „turbo” kodowaniem. Algorytm ten dla każdego bitu danych zwraca
prawdopodobieństwo że bit ten ma wartość „1” lub
„0”. Wartości tych prawdopodobieństw są wykorzystywane jako informacje apriori przy kolejnych iteracjach algorytmu turbo-dekodowania.
Rys. 3. Twardodecyzyjny odbiornik Viterbiego
Lekcja siódma, poświęcona jest kodowaniu kratowemu wyjaśnia zagadnienia łącznego kodowania i
modulacji, w szczególności, przedstawione są zasady i
metody konstruowania konstelacji sygnałów i przyporządkowania sygnałów elementarnych do słów kodowych.
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
Rys. 4. Symulator dekodera MaxLogMAP
3.
GRUPA DOCELOWA
Omawiany kurs obejmuje złożone zagadnienia i
kodowania i dekodowania we współczesnych zaawan-
2
www.pwt.et.put.poznan.pl
sowanych systemach telekomunikacyjnych. Stworzone
materiały są przeznaczone dla studentów wyższych lat
kierunku telekomunikacja lub jako materiał do pogłębionych studiów podyplomowych w zakresie telekomunikacji radiokomunikacji i transmisji danych. Kurs
może również stanowić podstawę doskonalenia dla
inżynierów zatrudnionych w jednostkach badawczorozwojowych przemysłu telekomunikacyjnego.
Wymaganiem wstępnym rozumienia materiału
kursu jest znajomość algebry liniowej na poziomie
akademickim oraz podstawowych zasad matematycznego opisu i przetwarzania sygnałów w telekomunikacji.
4. ZASTOSOWANE TECHNIKI
TWORZENIA MATERIAŁU DYDAKTYCZNEGO.
Podstawowym narzędziem tworzenia kursu jest
język HTML wraz z Kaskadowymi Arkuszami Stylów
(CSS) oraz elementami nawigacyjnymi korzystającymi
z interpretera JavaScript. Animacje zamieszczone na
stronach kursu stworzone zostały w technologii
FLASH. Najistotniejsze elementy kursu, czyli narzędzia do samodzielnych eksperymentów symulacyjnych
stworzone zostały przy pomocy języka Java i wymagają maszyny wirtualnej Java zgodnej co najmniej z wersją JRE 1.4.1.
5.
żym stopniu są niezależne od platformy sprzętowej i
programowej studenta. Lekcje zawierają elementy
aktywizujące prace studenta w postaci problemów,
zadań, testów, interaktywnych animacji oraz narzędzi
do symulacji układów nadawczo odbiorczych.
1.
2.
3.
4.
5.
Literatura
Galvas B. "Gałęziowy model podręcznika multimedialnego", III Konferencja i Warsztaty Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003.
Szulakiewicz. P. "Kształcenie zawodowe studentów, inżynierów i techników telekomunikacji z wykorzystaniem Internetu - projekt w ramach programu Leonardo Da Vinci", III Konferencja i
Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca
2003.
Rak R. "Rozproszone Wirtualne Laboratorium
Dydaktyczne dostępne przez Internet", III Konferencja i Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7
czerwca 2003.
Nowicki K., Gierłowski K. "Ocena realizacji programów symulacyjnych wspierających nauczanie
teleinformatyki", Krajowe Sympozium Telekomunikacji 2003, mat. konf. Tom C, str. 333 - 342, 1012 września 2003 Bydgoszcz.
Aldrich C. "Simulations and the future of learning", Pfeiffer, A Wiley Imprint, Indianapolis 2003.
ASPEKT DYDAKTYCZNY
Kurs podzielony jest na lekcje. Każda z nich
zawiera materiał dydaktyczny przewidziany na około
jedną godzinę pracy studenta. Lekcje podzielone są na
strony, które w miarę możliwości zawierają omówienie
oddzielnego zagadnienia. Na stronach wykorzystane są
ilustracje, animacje oraz łącza hipertekstowe. Większość lekcji zawiera narzędzie symulacyjne pozwalające na samodzielne eksperymenty z układami koderów i
dekoderów. Każda z lekcji zawiera zbiór problemów i
zadań do samodzielnego wykonania przez studenta,
oraz rozwiązania do wybranych zadań. Zadania są tak
konstruowane, aby zachęcić studenta do samodzielnych eksperymentów z zawartymi w lekcji symulatorami. Podsumowaniem lekcji jest test wyboru z mechanizmami oceny poprawności odpowiedzi, którego
celem jest samoocena stopnia opanowania materiału
przez studenta. Kurs zawiera dodatkowo test końcowy
oraz spis literatury uzupełniającej.
6.
PODSUMOWANIE
Zdalne nauczanie i samokształcenie stawia dodatkowe wymagania dla materiałów dydaktycznych. Student zwykle ma utrudniony dostęp do instruktora i
laboratoriów. Aktywny udział studenta w nauczaniu
realizowany poprzez samodzielne eksperymenty, jest
niezbędnym składnikiem kształcenia szczególnie na
kierunkach technicznych. Przedstawione materiały
dydaktyczne obejmują zagadnienia zaawansowanych
algorytmów nadawania i odbioru w systemach telekomunikacyjnych. Zawierają różnorodne materiały ilustracyjne w tym animacje i narzędzia symulacyjne.
Wszystkie materiały kursu są dostępne za pośrednictwem standardowej przeglądarki internetowej i w du-
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
3