VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY Ing. Jaroslav Rumánek NOVÉ METODY KANÁLOVÉHO KÓDOVÁNÍ PRO DRUŽICOVOU KOMUNIKACI NEW CHANNEL CODING METHODS FOR SATELLITE COMMUNICATION Zkrácená verze Ph.D. Thesis Obor: Školitel: Elektronika a sdělovací technika Ing. Jiří Šebesta, Ph.D.

2 KLÍČOVÁ SLOVA SMS, turbo kód, kódování, prokládání, MAP, dekódování, bitová chybovost, družice, energetická bilance, odhad bitové chybovosti, PHASE 3E, družicová komunikace KEYWORDS SMS, turbo code, coding, interleaving, MAP, decoding, bit error rate, satellite, energy budget, bit error rate estimation, PHASE 3E, satellite communication DISERTAČNÍ PRÁCE JE ULOŽENA Ústav radioelektroniky Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Purkyňova Brno 2

3 OBSAH 1 ÚVOD TURBO KÓDY DEKÓDOVÁNÍ TURBO KÓDŮ CÍLE DISERTACE ANALÝZA PROGRESIVNÍCH KANÁLOVÝCH KÓDŮ A JEJICH OPTIMALIZACE PRO NÁVRH SYSTÉMU PRO PŘENOS SMS ZPRÁV Výpočet energetické bilance Analýza a modifikace Turbo kódů Metodika pro odhad chybovosti BER Stanovení struktury rámce SMS zprávy Metodika pro stanovení symbolů výsledné SMS zprávy Synchronizace ENERGETICKÁ BILANCE VÝPOČET ENERGETICKÉ BALANCE UŽIVATEL DRUŽICE ŘÍDÍCÍ SEGMENT A ZPĚT ANALÝZA TURBO KÓDŮ VÝBĚR VHODNÉHO TYPU TURBO KÓDU PROKLADAČ ANALÝZA KÓDOVÉHO POMĚRU R A DÉLKY BLOKU DAT K ODHAD CHYBOVOSTI ZPRÁVY ODHAD CHYBOVOSTI BER NA ZÁKLADĚ APP MODIFIKOVANÁ METODA PRO ODHAD CHYBOVOSTI NA ZÁKLADĚ LLR NÁVRH RÁMCE SMS ZPRÁVY METODIKA STANOVENÍ HODNOT JEDNOTLIVÝCH SYMBOLŮ PŘENÁŠENÉ DATOVÉ POSLOUPNOSTI PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODA PRO VÝPOČET HODNOT SYMBOLŮ DATOVÉ POSLOUPNOSTI ZJEDNODUŠENÁ METODA PRO VÝPOČET HODNOTY SYMBOLŮ ZHODNOCENÍ METOD PRO STANOVENÍ HODNOT SYMBOLŮ SYNCHRONIZACE APLIKACE GOLDOVÝCH KÓDŮ ZÁVĚRY CURRICULUM VITAE ABSTRACT... 28

4 2

5 1 ÚVOD Disertační práce se zabývá problematikou nových progresivních metod kanálového kódování při přenosu datových zpráv prostřednictvím družicového transpondéru. Součástí práce je návrh systému pro přenos krátkých textových zpráv s aplikací nových turbo kódů s požadavkem na co nejnižší vysílací výkon a co nejmenší aperturu na straně uživatele. Cílem disertační práce je navrhnout systém, který bude schopen při velmi nízkých poměrech signál/šum umožnit bezchybný přenos SMS zprávy. Práce se zaměřuje především na problematiku energetické bilance, modifikaci a implementaci nových typů turbo kódů a využití jejich unikátních vlastností, na vývoj metod pro odhad chybovosti a metod pro stanovení výsledné SMS zprávy při nenulové chybovosti. Hlavním přínosem je vývoj nového typu turbo kódu, který zajišťuje optimální vlastnosti pro dané použití, dále pak vývoj nové metody pro odhad chybovosti a metody, která na základě navržené struktury rámce a teorie o turbo dekódování umožní stanovení výsledné bezchybné podoby SMS zprávy i v případě nenulové chybovosti. 2 TURBO KÓDY Jedná se o paralelně zřetězené rekurzivní systematické konvoluční kódy (RSC). Informace je v daném okamžiku kódována prvním kodérem a zároveň po průchodu prokladačem druhým konvolučním kodérem [ 26 ]. Vstupní informace u je tedy kódována dvěma stejnými kodéry avšak v různém pořadí. Prokladač modifikuje klasickou funkci konvolučních kódů. Obvykle je prováděno kódování kontinuálně, avšak při použití prokladače probíhá kódování po blocích. Velikost prokladače definuje délku kódového slova n. V případě, že by se délka n blížila k nekonečnu, bude se chybovost při dekódování blížit nule [ 14 ]. To platí pro blokové a konvoluční kódy. Nicméně když provedeme zřetězení, jako je provedeno u turbo kódů, je možné se přiblížit kapacitě kanálu s relativně malou délkou kódového slova n (od 32 do 65536) [ 13 ]. 2.1 DEKÓDOVÁNÍ TURBO KÓDŮ Pro dekódování turbo kódů bylo vyvinuto schéma obsahující dva SISO dekodéry propojené přes iterační smyčku. Důvodem použití iterativního konvolučního dekodéru je odhad a posteriori pravděpodobnosti P(u k y), kde u k je k-tý datový bit a y je přijatá sekvence (kódové slovo). Dekodér odhaduje a posteriori poměr pro každý k-tý bit, který je dán následujícím vztahem 3

6 (2.1) Jestliže je poměr větší než 1, dekodér rozhodne, že k-tý bit je roven 1. Naopak jestliže je poměr menší než 1, dekodér vyhodnotí k-tý bit jako 0. Úloha dekódování se velmi zjednoduší, jestliže se použije logaritmický a posteriori poměr L(u k ) (2.2) V případě, že budou hodnoty datových bitů stejně pravděpodobné, lze konstatovat, že rozhodování na základě hodnoty a posteriori poměru, je stejné jako rozhodování na základě poměru pravděpodobností. V literatuře je označován vtah (2.2) jako logaritmický poměr pravděpodobností (LLR Log-Likelihood Ratio). Dekodér tedy provádí rozhodování na základě LLR (2.3) Tudíž znaménko u k je určováno pomocí tvrdého rozhodování a hodnota L(u k ) určuje spolehlivost tohoto rozhodnutí. 3 CÍLE DISERTACE 3.1 ANALÝZA PROGRESIVNÍCH KANÁLOVÝCH KÓDŮ A JEJICH OPTIMALIZACE PRO NÁVRH SYSTÉMU PRO PŘENOS SMS ZPRÁV Cílem disertace je analýza efektivních progresivních kanálových kódů pro datovou družicovou komunikaci s aplikačním využitím pro systém přenosu krátkých textových zpráv s využitím družice PHASE 3E na vysoce eliptické dráze HEO. Systém by měl být navržen tak, aby poskytovaná služba byla dostupná, s co nejmenšími nároky kladenými na uživatele tzn. co nejnižší vysílací výkon, co nejmenší apertura Výpočet energetické bilance Aby bylo možné systém provozovat je potřeba v první části provést výpočet energetické bilance, na jejímž základě budou stanoveny parametry jednotlivých částí komunikačního řetězce. S ohledem na využití družicové komunikace, jsou hlavním problémem velké ztráty a rušení na přenosové cestě. Systém musí být navržen tak, aby byly jednotlivé části optimálně využity tzn. nesmí být předimenzovány ani poddimenzovány. Při návrhu je potřeba počítat s jistými omezeními. Těmi hlavními jsou parametry družice, které jsou pevně dány [ 49 ]. 4

7 3.1.2 Analýza a modifikace Turbo kódů Hlavní myšlenkou pro úspěšnou realizaci systému je implementace vhodného druhu kódování, které umožní pracovat se signály s velmi nízkými poměry E b /N 0. S příchodem turbo kódů se objevily nové možnosti a díky jejich unikátním vlastnostem se začaly využívat i pro tento účel. Dokáží pracovat s velmi slabými signály a dosahují poměrně velkého kódového zisku narozdíl od ostatních typů běžně používaných kódů. Cílem disertační práce je výběr vhodného turbo kódu a jeho následná modifikace s cílem optimalizovat jeho vlastnosti pro dané použití. Turbo kód je potřeba analyzovat z hlediska volby vhodného kódového poměru, délky bloku dat a typu prokladače. Tyto tři parametry mají stěžejní vliv na efektivitu turbo kódu Metodika pro odhad chybovosti BER Aby bylo možné v reálném systému provádět výsledné zpracování zprávy, je zapotřebí stanovit metodiku pro odhad chybovosti BER. Finální zpracování zprávy se odvíjí od hodnoty dosažené chybovosti, a proto je tato úloha důležitou součástí systému. Bez znalosti hodnoty chybovosti by nebylo možné stanovit zda je výsledná podoba SMS zprávy relevantní či nikoliv. Současně je nutná znalost dosažené chybovosti BER i pro vlastní proces dekódování turbokódem kódovaných dat. Důvodem je iterační technika dekódování, kdy algoritmus dekodéru musí na základě stanoveného odhadu BER ukončit dekódování po příslušné iteraci (při překročení vhodně stanovené prahové hodnoty BER) Stanovení struktury rámce SMS zprávy Struktura rámce SMS zprávy je taktéž nedílnou součástí systému a vychází z předpokladu, že je stanovena metoda pro odhad chybovosti. Velikost rámce musí vycházet z vlastností vybraného turbo kodéru a jeho struktura bude navržena s ohledem na možnost získání bezchybné SMS zprávy i při nenulové chybovosti, které bude pravděpodobně dosaženo Metodika pro stanovení symbolů výsledné SMS zprávy Vzhledem k předpokládanému dosažení nenulové chybovosti je nutná aplikace metodiky pro stanovení symbolů výsledné SMS zprávy. Tato metodika bude vycházet ze stanovené struktury SMS zprávy a vlastností turbo kódů. Především bude vycházet z teoretických poznatků popisující dekódování turbo kódů. 5

8 3.1.6 Synchronizace Předpokladem navrženého systému je jeho použití při velmi nízkých poměrech E b /N 0. Aby bylo možné aplikovat navržený turbo kód, který pracuje se striktně definovaným blokem dat, metody pro odhad chybovosti a stanovení výsledného podoby SMS zprávy, je zapotřebí provádět rámcovou synchronizaci. Pro tuto úlohu musí být zvolena vhodná metoda, která dokáže pracovat při již zmiňovaných nízkých hodnotách poměru E b /N 0 a je pomocí ní možné stanovit začátek rámce SMS zprávy. Rovněž je nutné zajistit synchronizaci symbolovou a u koherentní demodulace i synchronizaci fáze nosné. Tato část není v práci dále podrobně rozebírána, neboť je synchronizace symbolová a fáze nosné úzce svázána s použitou modulační technikou. 4 ENERGETICKÁ BILANCE Stěžejní úlohou při návrhu systému pro přenos krátkých textových zpráv je výpočet energetické bilance. Jedná se o analýzu jednotlivých částí družicového spoje a stanovení patřičných parametrů, které mají nezanedbatelný vliv na přenos signálu. Cílem disertační práce je vytvoření takového systému, který bude klást minimální požadavky na uživatelskou část. Řídící segment pak bude navržen s dostatečným výkonem, aby mohl systém spolehlivě fungovat. 4.1 VÝPOČET ENERGETICKÉ BALANCE UŽIVATEL DRUŽICE ŘÍDÍCÍ SEGMENT A ZPĚT Výpočet energetické bilance je prováděn pro parametry uvedené v tabulce. Na základě výpočtu jsou stanoveny kritické části systému a volba vhodných parametrů, pro dosažení optimálního návrhu družicového spoje. Tab. 4.1: Parametry systému UPLINK Fv = 435 MHz D = 0,35 m Gtmax = 3 db R = km Lftx = 0,5 db Parametry družice DOWNLINK Fd = 2,3 GHz D = 2 m 6

9 P, N [db(w)] Grmax = 6 db Konverzní zisk = 150 db F = 1 db Gtmax = 6 db Lftx = 0,5 db Lfrx = 0,5 db Pro oba směry byl proveden výpočet energetické bilance a na základě výsledků byl stanoven minimální vysílací výkon na straně uživatele P = 12 W a průměr paraboly na řídící straně D = 3 m Výkon přijatého signálu a šumu D = 4 m D = 3 m D = 2 m D = 1 m Vysílaný výkon Ptx [W] Obr. 4.1: Velikost přijatého signálu a šumu na straně řídícího segmentu v závislosti na průměru paraboly (D) 5 ANALÝZA TURBO KÓDŮ 5.1 VÝBĚR VHODNÉHO TYPU TURBO KÓDU Pro každou aplikaci je zapotřebí vybrat vhodný typ turbo kódu. Jednotlivé turbo kódy jsou navrženy tak, aby co nejvíce splňovaly požadavky systému, ve kterém mají pracovat. Příkladem mohou být turbo kódy pro magnetický či optický záznam dat, vysokorychlostní komunikační systémy, satelitní komunikaci, telemetrii aj. Každý systém klade jiné požadavky na vlastnosti turbo kódu. Pro přenos krátkých textových zpráv prostřednictvím družicové komunikace byl zvolen jako základ turbo kód určený pro telemetrii a družicovou komunikaci [ 12 ], [ 32 ]. Tento typ turbo kódu je určen pro přenos krátkých datových bloků a je schopen pracovat s nízkými poměry E b /N 0. Lze tedy předpokládat, že 7

10 modifikací tohoto turbo kódu, lze získat kód, který bude vhodný pro přenos krátkých textových zpráv (SMS) s využitím družicové komunikace. 5.2 PROKLADAČ Prokládání (interleaving) dat je technika hojně se vyskytující v komunikačních systém, jako prostředek ke zvýšení odolnosti proti chybovosti. V komunikačním kanálu se často vyskytují tzv. shluky chyb. Aby bylo možné tyto chyby účinně eliminovat, je potřeba tyto chyby rozprostřít. Tuto úlohu zastává právě prokladač. S příchodem turbo kódů vzrostla také důležitost prokladačů, jelikož jejich výkon závisí na kódových sekvencích, které se objevují na výstupu turbo kodéru. Úkolem prokladače je generování takových posloupností, aby jejich korelace byla co nejmenší. Účinnost prokladače závisí na zvolených parametrech. Kvalita prokladače tedy úzce souvisí s celkovou efektivitou turbo kódů a je jedním z hlavních faktorů, díky nimž se přibližujeme Shannonovu limitu [ 58 ]. 5.3 ANALÝZA KÓDOVÉHO POMĚRU R A DÉLKY BLOKU DAT K Varianta s kódovým poměrem R = 1/4 přináší nejmenší hodnoty chybovosti při použití prokladačů s nejdelšími bloky dat. V případě, že srovnáváme výsledky z Obr. 5.1 je vidět, že implementací telemetrického a speciálního prokladače s délkou bloku dat k = 3568 bitů, resp. k = 4096 bitů dosáhneme velmi nízké chybovosti. Tato hodnota je srovnatelná i s turbo kódy s delšími bloky dat. V případě uvedených dvou variant přináší nejlepší výsledky varianta, se speciálním prokladačem (k = 4096). Při poměru E b /N 0 = 0,8 db klesne chybovost na hodnotu BER =. 8

11 BER [ - ] BER 1,0E+00 pseudonáhodný k = 3568 telemetrický k = 3568 speciální k = 4096 NC 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 Eb/N0 2,0 Obr. 5.1: Graf závislosti bitové chybovosti BER na poměru E b /N 0, kódový poměr R = 1/4 9,0E-04 8,0E-04 7,0E-04 6,0E-04 5,0E-04 4,0E-04 3,0E-04 2,0E-04 1,0E-04 0,0E+00 Eb/N0 [ db ] Obr. 5.2: Porovnání hodnot chybovosti (R = 1/4) 9

12 Nejlépe tedy vychází varianta s kódovým poměrem R = 1/4, kde je implementován speciální prokladač s eliminací tzv. edge efektu s délkou bloku dat k = 4096 bitů (viz. Obr. 5.1). Tato varianta je vybrána s ohledem na dosaženou hodnotu chybovosti (BER = při E b /N 0 = 0,8 db), složitost zapojení turbo kodéru, délku bloku dat a účel použití. 6 ODHAD CHYBOVOSTI ZPRÁVY V kapitole 5 byla provedena analýza turbo kódu a byla vybrána varianta, která přináší nejlepší výsledky pro přenos SMS zprávy. Programové prostředí MATLAB Simulink umožňuje přesně stanovit chybovost BER a chování implementovaného turbo kódu. V reálném systém to však není možné, protože na přijímací straně není známa vyslaná posloupnost. Proto je potřeba se zaměřit na problematiku odhadu chybovosti BER. Jednotlivé metody pro odhad chybovosti jsou popsány v [ 60 ], [ 62 ] a [ 66 ]. Je zapotřebí vybrat a modifikovat vhodnou metodu, na jejímž základě bude možné stanovit chybovost přijaté zprávy s ohledem na akceptovatelnou výpočetní náročnost. 6.1 ODHAD CHYBOVOSTI BER NA ZÁKLADĚ APP Pomocí metody uvedené v [ 60 ] lze chybovost odhadnout použitím a posteriori pravděpodobností (APP), které se objevují na výstupu turbo dekodéru. Odhad pravděpodobnosti lze matematicky popsat pomocí vztahu (6.1) (6.1) Ekvivalentní systém pro odhad chybovosti byl navržen také v [ 63 ] a [ 65 ] a je popsán rovnicí (6.2). Rovnice (6.1) a (6.2) vyjadřují to samé, jelikož platí (6.3) a (6.4). (6.2) (6.3) (6.4) Na Obr. 6.1 jsou uvedeny grafy závislosti chybovosti BER na poměru E b /N 0. Modrá křivka představuje průběh originálního průběhu chybovosti a červená křivka průběh odhadu chybovosti na základě popsané metody. 10

13 BER [-] 1,0E+00 BER_oroginal BER_odhad 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05-0,3-0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 Eb/N0 [db] Obr. 6.1: Odhad chybovosti BER na základě APP (Turbo kód se speciálním prokladačem, R = 1/4, k = 4096b) 6.2 MODIFIKOVANÁ METODA PRO ODHAD CHYBOVOSTI NA ZÁKLADĚ LLR Tato metoda je navržena na základě poznatků z [ 69 ]. Pro jednotlivé bity přenášené posloupnosti lze vypočítat pravděpodobnost na základě vztahu (6.5), kde (n) je logaritmický poměr pravděpodobností (LLR). HARD hodnoty (x Hi ) SOFT hodnoty (x Si ) Sada rozhodovacích pravidel Zpětný prokladač Dekodér Obr. 6.2: Blokové schéma modifikované metody pro odhad chybovosti BER 11

14 BER [-] HARD hodnoty (xhi) Tab. 6.1: Sada rozhodovacích pravidel SOFT hodnoty (xsi) Výstupní bity (yi) xhi > 0 xsi -t1 1 xhi > 0 xsi < -t1 0 xhi 0 xsi t1 0 xhi 0 xsi > t1 1 xhi > -t2 & xhi < t2 xsi > -t2 & xsi < t2 chyba t1 rozhodovací úroveň 1, t2 rozhodovací úroveň 2 (6.5) Modifikovaná metoda zobrazená na Obr. 6.2, je založena na principu popsaném v [ 69 ]. Není zde však počítána celková pravděpodobnost na základě součtu příspěvků pravděpodobností jednotlivých bitů, ale pro každý bit je na základě sady rozhodovacích pravidel (viz. Tab. 6.1) stanoveno, zda byl daný bit dekódován správně či špatně. 1,0E+00 BER_original BER_odhad (t2 = 0,5) BER_odhad (t2 = 1) BER_odhad (t2 = 1,5) BER_odhad (t2 = 2) 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05-0,3-0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Eb/N0 [db] Obr. 6.3: Odhad chybovosti BER na základě LLR 12

15 (Turbo kód se speciálním prokladačem, R = 1/4, k = 4096b) Princip určení chybovosti je poměrně jednoduchý, avšak je zapotřebí správně stanovit hodnoty rozhodovacích úrovní (t 1 a t 2 ). Hodnota rozhodovací úrovně (t 1 = 2,70805) je stanovena na základě [ 69 ]. Je to mezní hodnota, která s velkou pravděpodobností určí, zda byl bit dekódován správně či špatně. Poněkud složitější situace nastává při určení hodnoty rozhodovací úrovně (t 2 ). V případě, že hodnota x Hi a x Si spadá do intervalu vymezeným rozhodovací úrovní t 2, je velmi pravděpodobné, že se jedná o chybně dekódovaný bit. Hodnota byla stanovena na základě experimentálních měření chybovosti BER pro různé turbo kódy. Stanovení hodnoty t 2 je důležitou úlohou, avšak přesnost této hodnoty není kritická, jelikož se jedná o odhad chybovosti. Velmi dobrých výsledků je dosaženo pro hodnoty t 2 = 1 a t 2 = 1,5. Pro tyto dvě hodnoty t 2 se odhad chybovosti velmi přibližuje originálnímu průběhu. Pro zvolený turbo kód se speciálním prokladačem (R = 1/4, k = 4096b), který je použit pro přenos SMS zpráv, dosahuje nejlepších výsledků metoda pro t 2 = 1. Chyba nepřesahuje 35 % a především v oblasti hodnot chybovosti BER = 10-2 a 10-3, která je stěžejní pro správnou funkčnost systému, je velmi malá odchylka od originálního průběhu. 7 NÁVRH RÁMCE SMS ZPRÁVY Návrh struktury rámce SMS zprávy je důležitou součástí systému pro přenos SMS zpráv. Délka rámce se odvíjí od délky bloku dat k zvoleného turbo kódu. Jedná se o turbo kód s implementovaným speciálním prokladačem, délkou bloku k = 4096 bitů a kódovým poměrem R = 1/4. Rámec zprávy je navržen tak, aby i v případě výskytu chyb došlo k jednoznačné identifikaci zprávy, tj. aby bylo možné zajistit bezchybný příjem adresy příjemce i odesilatele. Dále je nutné stanovit metodu pro odhad chybovosti BER přenesené zprávy. Odhadem chybovosti se zabývá kapitola 8, kde jsou navrženy, a porovnány jednotlivé metody. adresa příjemce adresa odesilatele délka SMS zprávy Informační bity 12B 12B 8B 480B 512B 13

16 Obr. 7.1: Rámec SMS zprávy 8 METODIKA STANOVENÍ HODNOT JEDNOTLIVÝCH SYMBOLŮ PŘENÁŠENÉ DATOVÉ POSLOUPNOSTI Rámec SMS zprávy je složen ze čtyř výše uvedených částí. Kromě informačních bitů textové části zprávy jsou důležitou součástí rámce adresa příjemce, adresa odesilatele a délka SMS zprávy. Každá část je nezbytná pro bezchybný přenos a správné nalezení adresáta, proto je navržen mechanismus pro výpočet hodnot jednotlivých symbolů. 8.1 PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODA PRO VÝPOČET HODNOT SYMBOLŮ DATOVÉ POSLOUPNOSTI Metoda využívá k výpočtu hodnoty x Hi, které se vyskytují na vstupu dekodéru a soft hodnoty x Si vyskytující se na výstupu dekodéru. Bitové posloupnosti jsou rozděleny na čtyři části (adresa odesilatele, adresa příjemce, délka SMS zprávy, SMS zpráva). Výsledná hodnota bitů přenášené zprávy je stanovena na základě následujících kroků: Transformace hodnot (x Ti ) transformace je prováděna na základě hodnoty bitů přijaté posloupnosti na vstupu dekodéru. Pravidla pro transformaci popisuje (8.1). (8.1) Výpočet pravděpodobnosti (p i ) výpočet pravděpodobnosti je založen na rovnicích (8.2) a (8.3) [ 69 ]. S výpočtem úzce souvisí hodnoty bitů na vstupu dekodéru. Jestliže je hodnota bude pravděpodobnost vypočítána pomocí (8.2). Pokud je však hodnota je proveden výpočet pravděpodobnosti na základě rovnice (8.3). (8.2) (8.3) Transformace hodnot pravděpodobnosti (p Ti ) pro vypočítané hodnoty pravděpodobnosti z předchozího kroku je provedena transformace hodnot na základě (8.4). (8.4) 14

17 Výpočet výsledné hodnoty bitu (y j ) výsledná hodnota bitů je vypočítána pomocí (8.5). Hodnota k vyjadřuje počet opakování části zpracovávaného úseku rámce SMS zprávy. (8.5) 8.2 ZJEDNODUŠENÁ METODA PRO VÝPOČET HODNOTY SYMBOLŮ Zjednodušená metoda pro vyhodnocování symbolů využívá ke své funkci soft hodnot, které jsou výstupem turbo dekodéru. Po přijetí rámce SMS zprávy je provedeno rozdělení na čtyři části (adresa příjemce, adresa odesilatele, délka SMS zprávy a informační část SMS zprávy). Adresa příjemce i odesilatele jsou rozděleny na 6x 2B. Část obsahující informaci o délce SMS zprávy je rozdělena na 8x 1B. Pro každý bit jednotlivých částí je vypočten aritmetický průměr, na jehož základě je následně stanovena hodnota bitu tzv. tvrdým rozhodováním. Z uvedených průběhů je na první pohled zřetelné snížení chybovosti na více než poloviční hodnoty. Cílem navržených metod je však získání bezchybné SMS zprávy, a proto jsou nejdůležitějšími výsledky hodnoty zobrazené na Obr. 8.1 a Obr Pro poměr E b /N 0 = 0,6dB je dosaženo nulové chybovosti při počtu 10 iterací s využitím pravděpodobnostní metody. Pomocí zjednodušené metody nelze pro tento poměr E b /N 0 dosáhnout nulové chybovosti. Při poměru E b /N 0 = 0,8dB je dosaženo nulové chybovosti již pro obě metody, avšak i v tomto případě podává pravděpodobnostní metoda lepší výsledky, protože chybovost klesne na nulovou hodnotu již po 8 iteracích. Pro poměr E b /N 0 = 1dB je opět lepší pravděpodobnostní metoda, protože je výsledná chybovost nulová již po 4 iteracích. 15

18 BER [-] BER [-] Chybovost bez využití navržených metod Zjednodušená metoda 1,8E-02 1,6E-02 1,4E-02 1,2E-02 1,0E-02 8,0E-03 6,0E-03 4,0E-03 2,0E-03 0,0E Obr. 8.1: Chybovost výsledné SMS zprávy (Eb/N0 = 0,6dB) Počet iterací [-] Chybovost bez využití navržených metod Zjednodušená metoda 1,6E-02 1,4E-02 1,2E-02 1,0E-02 8,0E-03 6,0E-03 4,0E-03 2,0E-03 0,0E Obr. 8.2: Chybovost výsledné SMS zprávy (Eb/N0 = 0,8dB) Počet iterací [-] 16

19 8.3 ZHODNOCENÍ METOD PRO STANOVENÍ HODNOT SYMBOLŮ Obě metody jsou založeny na navržené struktuře rámce SMS zprávy (Obr. 7.1). Při stanovení hodnoty bitů využívají obě metody opakující se části zprávy. První metoda využívá ke stanovení hodnot symbolů výpočet pravděpodobností a následnou transformaci hodnot. Druhá zjednodušená metoda je založena na výpočtu aritmetického průměru soft hodnot na výstupu dekodéru a následném tvrdém rozhodování. Obě metody přináší velmi dobré výsledky a umožňují snížení chybovosti výsledné zprávy při stejném nebo dokonce nižším poměru E b /N 0 v porovnání s chybovostí, kterou lze docílit bez použití navržené struktury rámce. Ve výsledném hodnocení vykazuje pravděpodobnostní metoda lepších výsledků než zjednodušená metoda. 9 SYNCHRONIZACE Proces synchronizace fáze nosné, symbolu a rámce významně ovlivňuje celý detekční proces a nedostatečná synchronizace je příčinou zvýšení chybovosti. Také při použití turbo kódů je velmi důležitou součástí systému, z čehož vyplývá, že lze jejich unikátních vlastností využít pouze v případě, že je tato úloha provedena velmi precizně. Vlastní problematika synchronizace symbolové a nosné je natolik rozsáhlá a je úzce svázána s aplikovanou modulační technikou, že ji nelze v této práci pojmout a tato stať bude zaměřena pouze na synchronizaci rámcovou. Stěžejní požadavek na přijímací systém je funkčnost i při velmi nízkých poměrech E b /N 0, pro které je nasazení turbo kódu ještě úspěšné. To však naráží na problém spolehlivé rámcové synchronizace. Cílem je tedy nalézt takový přístup, kdy i při tak nízkých poměrech E b /N 0 lze rámcovou synchronizaci spolehlivě zajistit. 9.1 APLIKACE GOLDOVÝCH KÓDŮ Použití Goldových kódů pro časovou synchronizaci vychází z velmi dobrých korelačních vlastností těchto. Princip systému spočívá v umístění Goldovy posloupnosti před rámec zakódované SMS zprávy. Přijatá posloupnost je vzorkována takovou frekvencí, aby pro každý bit bylo získáno osm vzorků. Pomocí korelace navzorkované bitové posloupnosti a kopie Goldovy posloupnosti se systém snaží nalézt začátek rámce SMS zprávy. Předpokladem pro správnou funkci systému je možnost přesného synchronizace i pro nízké poměry E b /N 0. 17

20 R [-] R [-] R [-] n [-] n [-] Obr. 9.1: Výsledky korelace přenášené bitové posloupnosti a Goldova kódu (127b), Eb/N0 = 0 db 2200 (xv, yv) (x0, y0) (x1, y1) n [-] Obr. 9.2: Aproximace vrcholu a korelační funkce a určení chyby na základě podobnosti trojúhelníků 18

21 Při detailnějším pohledu však zjistíme, že při pouhém odečtení maximální hodnoty korelační funkce dochází k jisté chybě při určení hodnoty vzorku. Mnohem přesnější určení hodnoty vzorku dosáhneme na základě výpočtu z dvojic vzorků, které se vyskytují symetricky vlevo a vpravo od vrcholu. Na uvedených grafech není chyba příliš patrná, avšak pro nižší poměry E b /N 0 je chyba relativně velká. Chybu lze eliminovat výpočtem, na jehož základě lze přesně stanovit hodnotu vzorku, ve kterém nabývá korelační funkce maxima. Pro stanovení této hodnoty lze vycházet z podobnosti trojúhelníků, jestliže provedeme aproximaci vrcholu korelační funkce (viz. Obr. 9.2). Rovnice (9.1) vychází z uvedené podobnosti trojúhelníků a na jejím základě lze provést odvození pro výpočet hodnoty vzorku, ve kterém nabývá korelační funkce maxima. (9.1) (9.2) Pro uvedenou metodu byly provedeny simulace pro hodnoty E b /N 0 = db. Chyba časové synchronizace se pohybuje pro Goldův kód L = 127b v rozmezí 0,0269 až 16,27 bitů, L = 511b v rozmezí 0,0136 až 0,0506 bitu a L = 1023b v rozmezí 0,01 až 0,0346 bitu. Nejdůležitější částí je však oblast pro E b /N 0 = 0 1 db, ve které pracují navržené metody systému. Chyba v této části nabývá hodnot pro L = 127b v rozmezí 0,0269 až 0,0298 bitu, L = 511b v rozmezí 0,0136 až 0,0157 bitu a L = 1023b v rozmezí 0,01 až 0,0111 bitu. Z toho plyne, že pro všechny uvedené typy Goldova kódu je chyba natolik malá, že nebude mít zásadní vliv na stanovení hodnoty bitu, a tudíž plně postačuje i kratší verze Goldova kódu o délce L = 127b. Uvedené výsledky se vztahuji k pulzům typu REC, u kterých je předpokládán ideální obdélníkový průběh. Velikost odchylky bude samozřejmě záviset na tvaru impulzů symbolů vyskytujících se v reálném systému, i tak by však měl být synchronizace pomocí Goldových kódů spolehlivá, protože je chyba časové synchronizace velmi malá. Uvedené posloupnosti je možné využít také pro synchronizaci symbolovou včetně možného vkládání kratších Goldových posloupností do vlastního informačního rámce SMS zprávy pro udržení časové synchronizace. 19

22 Δδ/Tb [-] 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, Eb/N0 [db] Obr. 9.3: Chyba časové synchronizace v závislosti na poměru E b /N 0 Goldova posloupnost (127b) 20

23 10 ZÁVĚRY Disertační práce se zabývá problematikou nových progresivních metod kanálového kódování při přenosu datových zpráv prostřednictvím družicového transpondéru. Součástí práce bylo navrhnout systém, který bude schopen při velmi nízkých poměrech signál/šum umožnit bezchybný přenos SMS zpráv. Práce se zaměřuje především na problematiku energetické bilance, modifikaci a implementaci nových typů turbo kódů a využití jejich unikátních vlastností, na vývoj metod pro odhad chybovosti a metod pro stanovení výsledné SMS zprávy při nenulové chybovosti. Pro uvedený systém byl proveden výpočet energetické bilance systému ve směru uživatel družice řídící segment a zpět s ohledem na fakt, že uživatel bude moci přistupovat k systému pomocí malé patchové antény. Jak je uvedeno v [ 4 ], družicový systém nelze jednoduše předimenzovat, a proto byl brán zřetel na optimální využití jednotlivých částí sytému. Výsledkem energetické bilance je stanovení průměru paraboly D = 3 m na straně řídícího segmentu pro uvažovaný vysílací výkon P TX = 12 W na straně uživatele. Hlavním cílem disertace byl výběr a modifikace vhodného typu turbo kódu, který je schopen pro relativné malé bloky dat zajistit co nejnižší chybovost BER při velmi nízkých poměrech E b /N 0. Pro systém byl zvolen turbo kód často využívaný pro telemetrii a družicovou komunikaci [ 12 ]. Pro zvolený typ turbo kódu pak byly prováděny modifikace v podobě změny implementovaného prokladače telemetrický, pseudonáhodný a prokladač s eliminací tzv. edge efektu. Byly navrženy varianty pro kódový poměr R = 1/2, R = 1/3, R = 1/4 a R = 1/6, které jsou standardně využívány i v jiných komunikačních systémech. Pro uvedené varianty byl turbo kodér testován s délkou bloku dat k = 1024, k = 1784, k = 3568, k = 4096, k = 7136, k = 8464 a k = 9216 bitů v závislosti na typu použitého prokladače. Nejlepších výsledků dosáhl turbo kód s implementovaným prokladačem pro eliminaci edge efektu, s kódovým poměrem R = 1/4 a délkou bloku dat k = 4096 bitů. Tento kód dosáhl, v porovnání s ostatními typy, nejnižší chybovosti BER = při E b /N 0 = 0,8 db. Kódy s kódovým poměrem R = 1/6 sice dosahují nižší chybovosti avšak za cenu poměrně velkého navýšení redundance, a proto byla vybrána uvedená variantu turbo kódu. Výsledky jsou stanoveny na základě vlastností, které mají uvedené typy kódů v oblasti, kde chybovost klesá na hodnoty BER = Tato hodnota chybovosti je zapotřebí pro následné zpracování zprávy. Další část práce je zaměřena na návrh metod pro odhad chybovosti BER. Jedná se o nedílnou součást systému, na jejímž základě lze stanovit, kdy klesne chybovost na dostatečně nízkou úroveň, aby bylo možné dosáhnout bezchybného přenosu SMS zprávy po výsledném 21

24 zpracování. Pro odhad chybovosti byla implementována metoda popsaná v [ 60 ], která je založena na APP pravděpodobnostech a modifikovaná metoda, jejímž základem je popis v [ 69 ]. Obě metody dosahují velmi dobrých výsledků, avšak s využitím modifikované metody je dosaženo při správné volbě parametru t 1 lepších výsledků. Pro modifikovanou metodu je maximální odchylka 17,5 % pro oblast, kde chybovost nabývá hodnot BER = , která je, jak již bylo zmiňováno, pro zpracování nejdůležitější. Dalším tématem, které je zpracováno v disertační práci je návrh rámce SMS zprávy a metodika stanovení hodnoty bitů datové posloupnosti. Rámec zprávy se skládá z adresy příjemce (6 x 2B), adresy odesilatele (6 x 2B), délky zprávy (8 x 1B) a samotného textu zprávy (480B). Rámec zprávy je navržen s ohledem na konečné zpracování, kdy je zapotřebí při nenulové chybovosti získat výslednou SMS zprávu. Pro tento účel byly navrženy dvě metody. První z nich je pravděpodobnostní metoda a druhou je zjednodušená metoda. Obě metody využívají navrženou strukturu rámce a opakující se bitové sekvence. Pravděpodobnostní metoda je založena na výpočtu pravděpodobností a následné transformaci hodnot, kdežto zjednodušená metoda využívá ke stanovení hodnot bitů pouze aritmetický průměr a tvrdé rozhodování. Obě metody přináší velmi dobré výsledky, avšak pravděpodobnostní metoda umožní získat bezchybnou SMS zprávu již při poměru E b /N 0 = 0,6dB a při poměrech E b /N 0 = 0,8dB a E b /N 0 = 0,8dB je dosaženo nulové chybovosti při menším počtu iterací. Posledním tématem disertační práce je časová synchronizace, která je velmi důležitá pro správnou funkci navržených metod a především pro efektivní využití turbo kódů. Nepřesná synchronizace vede ke zvýšení chybovosti. Proto je důležité tuto úloha zvládnout velmi precizně. Pro synchronizaci jsou navrženy Goldovy kódy, které mají velmi dobré korelační vlastnosti. Princip navržené metody spočívá v umístění Goldovy posloupnosti před rámec SMS zprávy, generování kopie posloupnosti na straně příjmu a výpočtu jejich korelace. Byly simulovány tři typy Goldových kódů s délkou L = 127b, L = 511b a L = 1023b. Pro poměr E b /N 0 = 0 1 db nabývá chyba časové synchronizace (Δδ/T b ) hodnot pro L = 127b v rozmezí 0,0269 až 0,0298 bitu, L = 511b v rozmezí 0,0136 až 0,0157 bitu a L = 1023b v rozmezí 0,01 až 0,0111 bitu. Tyto výsledky jsou velmi dobré a plně postačuje použití Goldova kódu s délkou L = 127b. Uvedené posloupnosti je možné využít také pro synchronizaci symbolovou, včetně možného vkládání kratších Goldových posloupností do vlastního informačního rámce SMS zprávy pro udržení synchronizace. Dalším téma, které se nabízí pro řešení, je problematika již zmiňované symbolové synchronizace a také synchronizace nosné. Tato problematika je úzce svázána s použitou modulační technikou, která však již není předmětem této disertační práce. 22

25 LITERATURA [ 1 ] DOBEŠ, J. ŽALUD, V. Moderní radiotechnika. Praha: BEN, 2000, 768 s. ISBN: [ 2 ] ŽALUD, V. Moderní radioelektronika. 1. vyd. Praha : BEN, 2004, 656 s. ISBN: [ 3 ] ŽALUD, V., Radioelektronika. Praha: ČVUT, ISBN: [ 4 ] KASAL, M. Směrové a družicové spoje. Vysoké učení technické v Brně. 2. vyd. Brno, s. ISBN: [ 5 ] FREEMAN, R. L. Fundamentals of Telecommunications. Wiley-IEEE Press, 2005, ISBN: [ 6 ] ADÁMEK, J., Kódování. Praha, SNTL, [ 7 ] NĚMEC, K., Datová komunikace. Skripta [online] [cit ] [ 8 ] HANUS, S., Rádiové a mobilní komunikace. Skripta [online] [cit ]. [ 9 ] HANUS, S. Bezdrátové a mobilní komunikace. 1. dotisk vyd. Brno : VUT, s. ISBN [ 10 ] JIROUŠEK, R., IVÁNEK, J., MÁŠA, P., TOUŠEK, J., VANĚK, N. Principy digitální komunikace. LEDA. Voznice, s. ISBN: [ 11 ] BERROU, C., GLAVIEX, A., THITIJSHIMA P. Near Shannon Limit Error Correcting Coding And Decoding: Turbo Codes. IEEE International Conference on Communications, Geneva, Switzerland, May 1993, Vol. 2/3, p [ 12 ] SRIPIMANWAT, K., Turbo Code Applications. Netherlands, Springer, ISBN: [ 13 ] GIULIETTI, A., BOUGARD, B., PERRE, L., Turbo Codes: Desirable and Designable. United States of America, Kluwer Academic Publisher Group, ISBN: [ 14 ] VUCETIC, B., Turbo Codes. Principles and applications. Netherlands, Springer, 2000, 386 s. ISBN [ 15 ] SOLEYMANI, M., GAO, Y., VILAIPORNSAWAI, U. Turbo Coding for Satelite and Wireless Communications. Netherlands, Kluwer Academic Publisher, 2002, 214 s. ISBN: [ 16 ] BURR, A.., Modulation and Coding for Wireless Communications. England, Pearson Education, 2001, 360 s. ISBN: [ 17 ] BIGLIERI, E.., Coding for Wireless Channels. United States of America, Springers Science and Business Mediam Inc., 2005, 427 s. ISBN: [ 18 ] GOLDSMITH, A.., Wireless Communications. United States of America, Cambridge University Press, 2005, 644 s. ISBN: [ 19 ] VITERBI, A. J., OMURA, J. K., Principles of Digital Communiation and Coding. United States of America, McGraw-Hill, Inc., 1979, 560s., ISBN: [ 20 ] GUTHERY, B. S., CRONIN, M. J., Coding for Wireless Channels. United States of America, McGraw-Hill, Inc., 2002, 306 s. ISBN: [ 21 ] VISWANATH, T., TSE, D., Fundamentals of Wireless Communication. United States of America, Cambridge University Press, 2005, 564 s. ISBN: [ 22 ] ZIEMER, R., PETERSON, R., Digital communication. New Jersey, Prentice-Hall, ISBN: [ 23 ] HAGENAUER, J.; HOEHER, P., A Viterbi algorithm with soft-decision outputs and its applications, Global Telecommunications Conference, 1989, and Exhibition. Communications Technology for the 1990s and Beyond. GLOBECOM '89., IEEE, vol., no., pp vol.3, Nov [ 24 ] VUCETIC, B., YONGHUI Li, PEREZ, L.C., FAN JIANG, Recent Advances in Turbo Code Design and Theory, Proceedings of the IEEE, vol.95, no.6, pp , June

26 [ 25 ] HAGENAUER, J, ROBERTSON, P, PAPKE, L. Iterative ( turbo ) decoding of systematic convolutional codes with the map and the sova algorithms. In ITG Tagung Codierung fur Quelle, Kanal und Ubertragung. October s [ 26 ] LEE, L.-N., HAMMONS, A.R., Jr., FENG-WEN Sun, EROZ, M., Application and standardization of turbo codes in third-generation high-speed wireless data services, Vehicular Technology, IEEE Transactions on, vol.49, no.6, pp , Nov [ 27 ] VLČEK, K., Turbo-kódy a rádiový přenos dat. Sdělovací technika, 2000, č.8, s [ 28 ] HRDINA, Z., VEJRAŽKA, F. Digitální radiová komunikace. Skripta ČVUT v Praze. Praha, vydavatelství ČVUT, ISBN: [ 29 ] SÝKORA, J., Digitální rádiová komunikace II. Skripta ČVUT v Praze. Praha,vydavatelství ČVUT, ISBN: X. [ 30 ] BERROU, C, GLAVIEUX, A. Near optimum error correcting coding and decoding: Turbocodes. IEEE Trans. Communication, vol 44, no. 10, 1996, p [ 31 ] MASWY, J.L., Foundation and methods of channel encoding. Proc. Int. Conf Information Theory and Systems, vol. 65, NTG-Fachberichte, Berlin, 1978, p [ 32 ] HAGENAUER, J.; OFFER, E.; PAPKE, L., Iterative decoding of binary block and convolutional codes, Information Theory, IEEE Transactions on, vol.42, no.2, pp , Mar [ 33 ] MUDER, D.J., Minimal trellises for block codes, Information Theory, IEEE Transactions on, vol.34, no.5, pp , Sep [ 34 ] Calzolari, G.-P., Vassallo, E., Habinc, S., CCSDS telemetry channel coding: the turbo coding option, New Technologies, New Standards (Ref. No. 1998/519), IEE 5th CCSDS Workshop, vol., no., pp.5/1-5/6, 9 Nov [ 35 ] BENEDETTO, S., MONTORSI, G., Unveiling turbo codes: some results on parallel concatenated coding schemes, Information Theory, IEEE Transactions on, vol.42, no.2, pp , Mar [ 36 ] BENEDETTO, S., MONTORSI, G., Design of parallel concatenated convolutional codes, Communications, IEEE Transactions on, vol.44, no.5, pp , May [ 37 ] Lossles Data Compression. Blue Book [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 38 ] Time Code Formats. Blue Book [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 39 ] Orbit Data Message. Blue Book [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 40 ] Telemetry Summary of Concept and Rationale. Green Book [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 41 ] Overview of Space Communications Protocols. Green Book [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 42 ] TM Synchronization and Channel Coding--Summary of Concept and Rationale. Silver book. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 43 ] Telemetry Channel Coding. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 44 ] Packet Telemetry. Silver book. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 45 ] Packet Telemetry Services. Silver book. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 46 ] Packet Telemetry Service Specification. Silver book. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 47 ] Flexible Serially Concatenated Convolutional Turbo Codes with Near-Shannon Bound Performance for Telemetry Applications Orange book.. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 48 ] EUTELSAT [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < 24

27 [ 49 ] AMSAT - The Radio Amateur Satellite Corporation [online]. 2004, 2008 [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 50 ] WALKE, B. Satelite-UMTS Specification of Protocols and Traffic Performance Analysis. Aachener Beitrager zur Mobil- und Telekommunikation, 2005, ISBN: [ 51 ] HENG-PING, X., SHENG, P., XUN, Z., MENG-TIAN, R., Puncturing Period on the Performance of Punctured Turbo Codes. Wuhan University of Natural Sciences, vol. 7, no. 3, 2002, [ 52 ] ROWITCH, D.N.; MILSTEIN, L.B., On the performance of hybrid FEC/ARQ systems using rate compatible punctured turbo (RCPT) codes, Communications, IEEE Transactions on, vol.48, no.6, pp , Jun [ 53 ] ZHOU; G., LIN, T-S.; Wang; W., LINDSEY, W.C.; LAI, D.; CHEN, E.; SANTORU, J., On the concatenation of turbo codes and Reed-Solomon codes, Communications, ICC '03. IEEE International Conference on, vol.3, no., pp vol.3, May [ 54 ] FERRARI, M.; OSNATO, F.; SITI, M.; VALLE, S.; BELLINI, S., Performance of concatenated Reed-Solomon and turbo codes with non ideal interleaving, Global Telecommunications Conference, GLOBECOM '01. IEEE, vol.2, no., pp vol.2, [ 55 ] LIU; C.Y. TANG; H., LIN; S., FOSSORIER, M.P.C., An interactive concatenated turbo coding system, Vehicular Technology, IEEE Transactions on, vol.51, no.5, pp , Sept [ 56 ] FERRARI, M., BELLINI, S., Low BER Turbo Codes for Sattelite Communications. [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [ 57 ] TEPE, K.E.; ANDERSON, J.B., Turbo coding behavior in Rayleigh fading channels without perfect interleaving, Military Communications Conference, MILCOM Communications for Network-Centric Operations: Creating the Information Force. IEEE, vol.2, no., pp vol.2, [ 58 ] WANG, D.; KOBAYASHI, H., On design of interleavers with practical size for turbo codes, Communications, ICC IEEE International Conference on, vol.2, no., pp vol.2, [ 59 ] ASOODEH, S.; REZZAZE, A., Design of Optimal Period Interleaver in Turbo Codes, Information Theory, CWIT '07. 10th Canadian Workshop on, vol., no., pp.37-40, 6-8 June [ 60 ] STRINATI, E.C.; SIMOENS, S.; BOUTROS, J., Error Rate Estimation Based on Soft Output Decoding and its Application to Turbo Coding, Wireless Communications and Networking Conference, 2007.WCNC IEEE, vol., no., pp.72-76, March [ 61 ] STRINATI, E.C.; SIMOENS, S.; BOUTROS, J., New error prediction techniques for turbocoded OFDM systems and impact on adaptive modulation and coding, Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC IEEE 16th International Symposium on, vol.2, no., pp Vol. 2, Sept [ 62 ] LETZEPIS, N.; GRANT, A., Bit Error Rate Estimation for Turbo Decoding, Communications, IEEE Transactions on, vol.57, no.3, pp , March [ 63 ] LOELIGER, H.-A., A posteriori probabilities and performance evaluation of trellis codes, Information Theory, Proceedings., 1994 IEEE International Symposium on, vol., no., pp.335-, 27 Jun-1 Jul [ 64 ] BAHL, L., COCKE, J., JELINEK, F., RAVIV, J., Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate (Corresp.), Information Theory, IEEE Transactions on, vol.20, no.2, pp , Mar [ 65 ] LAND, I., HOEHER, P. A., Log-Likelihood Values and Monte Carlo Simulation some fundamentals result. International symposium on Turbo Codes & Related Topics, Brest, France, [ 66 ] ZHAI, F., FAIR, I. J., New error detection techniques and stopping criteria for turbo decoding, Electrical and Computer Engineering, 2000 Canadian Conference on, vol.1, no., pp vol.1,

28 [ 67 ] El GAMAL, H., HAMMONS, A.R., Jr., Analyzing the turbo decoder using the Gaussian approximation, Information Theory, IEEE Transactions on, vol.47, no.2, pp , Feb [ 68 ] FORNEY, G. D., Maximum-Likelihood Sequence Estimation of Digital Sequences in the Presence of Intersymbol Interference, Information Theory, IEEE Transaction, vol.18, no.3, pp , May [ 69 ] Ericsson Inc., Plano, United States. Method and Devices for Calculating Bit Error Rate of Received Signal. Inventor: MOELKER, D.-J., Patent No.: US 2007/ A1, Public date: Jul. 12, [ 70 ] VAN STRALEN, N.A., TAYLOR, D.P., Joint synchronization and demodulation of trellis codes, Communications, IEEE Transactions on, vol.42, no.6, pp , Jun [ 71 ] HERZET, C., WYMEERSCH, H., MOENECLAEY, M., VENDENDORPE, L., On Maximum- Likelihood Timing Synchronization, Communications, IEEE Transactions on, vol.55, no.6, pp , June [ 72 ] GOLD, R., Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing (Corresp.), Information Theory, IEEE Transactions on, vol.13, no.4, pp , Oct [ 73 ] RUMÁNEK, J. Družicové komunikační systémy. Elektrorevue - Internetový časopis ( 2007, roč. 1, č. 37, s ISSN: [ 74 ] RUMÁNEK, J. Družicové komunikační systémy. Sdělovací technika, 2008, č. 2, s. 4-7, [ 75 ] RUMÁNEK, J. Systémy pro zpracování signálů prostřednictvím zvukové karty. In Sborník příspěvků konference ZVŮLE Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a kumunikačních technologií, s ISBN: [ 76 ] RUMÁNEK, J. Nové modulační techniky pro datovou družicovou komunikace s nízkou přenosovou rychlostí. In Seminář o řešení projektu GA ČR 102/03/H109. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav radioelektroniky, s. 38 (1 s.). ISBN: [ 77 ] RUMÁNEK, J.; ŠEBESTA, J. Nové techniky pro datovou družicovou komunikaci. In Pokročilé metody, struktury a komponenty elektronické bezdrátové komunikace s ISBN: [ 78 ] RUMÁNEK, J.; ŠEBESTA, J. Generátor PSK31. In Kondor Trencianske Jastrabie, Slovakia: Institute of Radio Electronics, Faculty of Electrical Engineering and Communication, s ISBN: [ 79 ] RUMÁNEK, J. Družicové komunikační systémy. Sdělovací technika, 2008, roč. 1, č. 2, s ISSN: [ 80 ] RUMÁNEK, J. Družicové komunikační systémy. Elektrorevue - Internetový časopis ( 2007, roč. 1, č. 37, s ISSN: [ 81 ] RUMÁNEK, J. Systémy pro zpracování signálů prostřednictvím zvukové karty. In Sborník příspěvků konference ZVŮLE Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a kumunikačních technologií, s ISBN: [ 82 ] RUMÁNEK, J. Nové modulační techniky pro datovou družicovou komunikace s nízk ou přenosovou rychlostí. In Seminář o řešení projektu GA ČR 102/03/H109. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav radioelektroniky, s. 38 (1 s.). ISBN: [ 83 ] RUMÁNEK, J.; ŠEBESTA, J. The SMS Satellite System Design. In Proceedings of the 19th International conference Radioelektronika Božetěchova 133, Brno, : MJ Servis, s ISBN:

29 CURRICULUM VITAE Name: Jaroslav RUMÁNEK Born: August 6 th 1982 in Vsetín Contact: xruman00@stud.feec.vutbr.cz Phone: Website: Education Technical University of Brno / Department of Radio Electronics Pre-graduate study of Radio Electronics State exam passed in June 2006Diploma thesis Elaboration of Algorithm for Computer Aided Optimization of Band-Pass Networks in June Technical University of Brno / Department of Radio Electronics Ph.D. study of Electronics Experience 1/08 12/08 Development of software for Zoning measurement system (C++ Builder). 1/01 8/09 Development of websites (graphic design, PHP, HTML). Languages English, German Other activities Programming (C++ Builder, Matlab, Matlab Simulink, PHP, HTML, MySQL, XML, Pascal, Assembler) Photography Graphic design

30 ABSTRACT This dissertation thesis deals with new progressive channel coding methods for data transmission using satellite transponder. The design of the system for SMS transmission, in which novel turbo coding methods are applied, is discussed too. An achievement of the lowest output power and the smallest user aperture is the principal aim of the new method applications. Design of system that would be able to the error free SMS transmission by very low signal to noise ratio is analyzed in this dissertation thesis. The work is focused on energy budget, modification and implementation of new turbo code types and using unique properties, development of new bit error rate estimation methods and methods for determination of final SMS form. The main contribution is the new type of turbo code development that have optimal properties for this usage, development of new bit error rate estimation method and development of method that is able to determine final form of SMS on the basis SMS frame structure and turbo decoding theory when the bit error rate is not zero.