Декодирование последовательности по алгоритму Витерби

По характеру использования информации, поступающей на вход декодера, алгоритмы декодирования делятся на несколько групп. К алгебраическим относятся алгоритмы, работа которых основана на использовании алгебраических свойств кодовых слов. При этом в демодуляторе производится жесткое решение о принятых сигналах и на вход декодера поступают дискретные символы, алфавит которых совпадает с алфавитом на передаче. При вероятностном декодировании существенным является более полное использование информации с выхода канала. В этом случае в демодуляторе производится мягкое решение, содержащее информацию об апостериорной вероятности принимаемых символов. Из вероятностных алгоритмов наиболее разработаны алгоритм последовательного декодирования и алгоритм максимального правдоподобия, предложенный А. Витерби. Алгоритм имеет ряд преимуществ перед другими и его широко используют для декодирования коротких СК. Рассмотрим алгоритм на примере кода со скоростью R = 1/ п.

Декодирование состоит в прослеживании по кодовой решетке пути с максимальной апостериорной вероятностью. Декодированный путь можно указать одним из способов: набором оценок кодовых ветвей , составляющих путь; последовательностью оценок состояний кодера либо последовательностью оценок информационных символов на входе кодера . Поступающая на вход декодера последовательность будет декодирована с минимальной вероятностью ошибки, если из всех возможных путей выбрать оценку , для которой максимальна апостериорная вероятность

Р ( / ) = max. (11)

При декодировании по критерию (11), выбирают такую последовательность ветвей , которая обеспечивает минимум суммы

МП = , (12)

называемая метрикой декодированного пути. Метрика пути содержит в качестве слагаемых метрики ветвей: МП = , где метрики ветвей . В дискретном канале для оценки расстояний используют метрику Хэмминга.

Периодическая структура решетчатой диаграммы существенно упрощает сравнение и выбор путей в соответствии с правилами (12). Число состояний на решетке ограничено, и два наугад выбранных достаточно длинных пути имеют, как правило, общие состояния. Отрезки путей, входящих в эти состояния, необходимо сравнить и выбрать путь с наименьшей метрикой. Такой путь называют выжившим. В соответствии с алгоритмом Витерби сравнение и отбрасывание отрезков путей производится периодически на каждом шаге декодирования. Рассмотрим декодирование кода (7, 5), символы которого передаются по дискретному каналу. В этом случае метрика ветви MB равна расстоянию Хэмминга между набором символов z ⁽¹⁾ z ⁽²⁾ на входе декодера и набором символов v ⁽¹⁾ v ⁽²⁾, соответствующих данной ветви на решетчатой диаграмме. Если z ⁽¹⁾ z ⁽²⁾ = 01, то возможные значения MB для кода (7, 5) с решеткой, изображенной на рис. 3, будут: MB(00) = 1, MB(01) = = 0, MB(11) = 1 и MB(10) = 2. Метрика пути есть сумма метрик ветвей, образующих некоторый путь на решетчатой диаграмме. Путь конечной длины оканчивается в определенном состоянии. Метрика состояния МС равна МП, который заканчивается в данном состоянии. Шаг декодирования состоит в обработке декодером принимаемых из канала данных в интервале между двумя соседними уровнями узлов.

На рис. 6 показано развитие процесса декодирования символов кода (7, 5). На вход декодера поступают пары символов из канала z ⁽¹⁾ z ⁽²⁾ = 11 10 00 11 01... Цифрами около ветвей обозначены метрики ветвей, цифры в кружках обозначают метрики состояний. В начальный момент времени полагаем, что декодер находится в состоянии 00 и исходная метрика МС (00) = 0. Если из канала поступили символы 11, то метрики двух ветвей, выходящих из этого состояния, MB (00) = 2 и MB (11) = 0. Это отмечено на первом шаге декодирования. Так как других ветвей из состояния 00 в состояния 00 и 11 нет, то метрики этих состояний принимают равными метрикам входящих ветвей: МС (00) = 2 и МС (10) = 0. Аналогично и на следующем шаге, когда из канала поступают символы 10. Здесь MB (00) = 1, MB (11) = 1и MB (10) = 0, MB (01) = 2. Метрики состояний на этом шаге определяются теперь как суммы метрик входящих ветвей с метриками предыдущих состояний: МС (00) = 2 + 1 = 3, МС (10) = 2 + 1 = 3, МС (01) = 0 + 0 = 0, МС (11) = 0 + 2 = 2. На этом развитие решетчатой диаграммы заканчивается.

Рисунок 6

К каждому новому состоянию ведет два пути. К примеру, к состоянию 00 ведут пути из состояний 00 и 01. Декодер вычисляет метрики путей как суммы метрик предыдущих состояний и метрик входящих ветвей.

Далее производят попарное сравнение метрик путей, входящих в каждое состояние. В результате сравнения выбирают меньшую метрику и ее считают метрикой данного состояния для последующего шага декодирования. Путь, входящий в данное состояние с меньшей метрикой, считают выжившим. Пути, входящие в состояния с большими метриками, считают оборванными. Они показаны на решетчатой диаграмме штриховыми линиями.

Таким образом, на каждом шаге декодирования в соответствии с алгоритмом Витерби в каждом из состояний решетчатой диаграммы производятся однотипные операции:

1) сложение метрик предыдущих состояний с метриками соответствующих ветвей;

2) сравнение метрик входящих путей

3) выбор путей с наименьшими метриками, величины которых используют как метрики состояний на последующем шаге декодирования (сокращенно ССВ).

Если метрики сравниваемых путей одинаковы, выбор одного из двух путей производят случайным образом. На каждом шаге в результате сравнения половина возможных путей отбрасывается и в дальнейшем не используется. Другая половина образует продолжения путей для следующего шага декодирования. Из каждого состояния на следующем шаге вновь появляются два варианта продолжения путей. Это обеспечивает постоянство вычислений, производимых на каждом шаге. Декодер прослеживает по кодовой решетке путь, имеющий минимальное расстояние от пути, который генерирует кодер.

Поиск по сайту: