Robert Kotrys, Piotr Remlein, Paweł Szulakiewicz Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
Politechnika Poznańska
Robert.Kotrys@et.put.poznan.pl
ALGORYTMY NADAWANIA I ODBIORU - KURS INTERNETOWY
Streszczenie: W referacie przedstawiono materiały dydak- tyczne przeznaczone do internetowego nauczania zaawan- sowanych 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
Potrzeba ustawicznego kształcenia inżynierów [1]
jak i duża popularność różnych form zdalnego naucza- nia [4,5] pobudza wiele środowisk do tworzenia i do- skonalenia 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 zagad- nienia i problemy związane z stworzeniem i udostęp- nieniem tego typu materiałów.
2. TEMATYKA KURSU
Celem kursu jest przyjazne przedstawienie zagad- nień związanych z kodowaniem splotowym, kratowym oraz metodami dekodowania takich sygnałów. Różno- rodne systemy transmisji danych wykorzystują kodo- wanie kanałowe sygnału, które kosztem pewnej redun- dancji przesyłanych informacji poprawia odporność transmisji na zakłócenia. Projektując system wymaga- my od układów nadawczo odbiorczych zapewnienia nie większej niż wymagana stopy błędów. Większa odporność na zakłócenia kanału transmisyjnego po- zwala 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 krato- we. Kodowanie takie jest stosowane na różnych eta- pach obróbki sygnału przez niemal wszystkie współ- czesne systemy telekomunikacyjne od modemów ka- blowych po lokalne sieci bezprzewodowe i łącza sateli- tarne. Zapoznanie się z takimi technikami kodowania oraz technikami ich dekodowania jest niezwykle istot- nym elementem wykształcenia współczesnego inżynie- ra telekomunikacji. Kurs stworzony w ramach projektu INVOCOM w kolejnych lekcjach omawia podstawy matematyczne analizy i syntezy koderów splotowych,
przedstawia klasyfikacje i kryteria oceny koderów i kodów splotowych. Przedstawiane są różnorodne ar- chitektury sprzętowej implementacji koderów oraz podstawowe metody opisu kodów i koderów sploto- wych.
Multimedialna forma kursu pozwoli na ilustrację wymienionych wyżej tematów za pomocą wielu ani- macji i symulacji.
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 dy- daktycznych dostępnych w Internecie za pomocą ty- powej przeglądarki internetowej. By spełnić takie wy- maganie, autorzy kursu wykorzystali język Jawa oraz osadzone na stronach przeglądarki aplikacje Java do stworzenia dydaktycznych symulatorów koderów i dekoderów kodów splotowych. Już w ramach pierw- szej lekcji student dostaje do dyspozycji narzędzie pozwalające na swobodną (w obrębie rodziny systema- tycznych koderów splotowych) konstrukcję kodera splotowego i analizę jego funkcjonowania oraz procesu kodowania dowolnej, zadanej przez studenta sekwencji danych.
2004
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 1
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. Szcze- gółowo wyjaśniona jest zasada działania podstawowe- go 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 krato- wych i danych numerycznych, które umożliwiają sa- modzielna weryfikacje efektów działania dekodera.
Rys. 3. Twardodecyzyjny odbiornik Viterbiego Lekcja siódma, poświęcona jest kodowaniu kra- towemu wyjaśnia zagadnienia łącznego kodowania i modulacji, w szczególności, przedstawione są zasady i metody konstruowania konstelacji sygnałów i przypo- rządkowania sygnałów elementarnych do słów kodo- wych.
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 przeplecio- nych kodów (kodu A i kodu B) i dekodowane przez dwa dekodery, które prócz decyzji dostarczają infor- macji o wiarygodności odebranych informacji. W ko- lejnych 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” kodo- waniem. Algorytm ten dla każdego bitu danych zwraca prawdopodobieństwo że bit ten ma wartość „1” lub
„0”. Wartości tych prawdopodobieństw są wykorzy- stywane jako informacje apriori przy kolejnych itera- cjach algorytmu turbo-dekodowania.
Rys. 4. Symulator dekodera MaxLogMAP
3. GRUPA DOCELOWA
Omawiany kurs obejmuje złożone zagadnienia i kodowania i dekodowania we współczesnych zaawan- www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 2
sowanych systemach telekomunikacyjnych. Stworzone materiały są przeznaczone dla studentów wyższych lat kierunku telekomunikacja lub jako materiał do pogłę- bionych studiów podyplomowych w zakresie teleko- munikacji radiokomunikacji i transmisji danych. Kurs może również stanowić podstawę doskonalenia dla inżynierów zatrudnionych w jednostkach badawczo- rozwojowych przemysłu telekomunikacyjnego.
Wymaganiem wstępnym rozumienia materiału kursu jest znajomość algebry liniowej na poziomie akademickim oraz podstawowych zasad matematycz- nego opisu i przetwarzania sygnałów w telekomunika- cji.
4. ZASTOSOWANE TECHNIKI TWORZENIA MATERIAŁU DYDAK-
TYCZNEGO.
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 narzę- dzia do samodzielnych eksperymentów symulacyjnych stworzone zostały przy pomocy języka Java i wymaga- ją maszyny wirtualnej Java zgodnej co najmniej z wer- sją JRE 1.4.1.
5. 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. Więk- szość lekcji zawiera narzędzie symulacyjne pozwalają- ce 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 samodziel- nych eksperymentów z zawartymi w lekcji symulato- rami. Podsumowaniem lekcji jest test wyboru z me- chanizmami 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 dodat- kowe wymagania dla materiałów dydaktycznych. Stu- dent 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 teleko- munikacyjnych. Zawierają różnorodne materiały ilu- stracyjne w tym animacje i narzędzia symulacyjne.
Wszystkie materiały kursu są dostępne za pośrednic- twem standardowej przeglądarki internetowej i w du-
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.
Literatura
1. Galvas B. "Gałęziowy model podręcznika multi- medialnego", III Konferencja i Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003.
2. Szulakiewicz. P. "Kształcenie zawodowe studen- tów, inżynierów i techników telekomunikacji z wy- korzystaniem Internetu - projekt w ramach pro- gramu Leonardo Da Vinci", III Konferencja i Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003.
3. Rak R. "Rozproszone Wirtualne Laboratorium Dydaktyczne dostępne przez Internet", III Konfe- rencja i Warsztaty - Universytet Wirtualny, 6-7 czerwca 2003.
4. Nowicki K., Gierłowski K. "Ocena realizacji pro- gramów symulacyjnych wspierających nauczanie teleinformatyki", Krajowe Sympozium Telekomu- nikacji 2003, mat. konf. Tom C, str. 333 - 342, 10- 12 września 2003 Bydgoszcz.
5. Aldrich C. "Simulations and the future of learn- ing", Pfeiffer, A Wiley Imprint, Indianapolis 2003.
www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 3
