Совместный кодер источника и канала связи реализованный на основе искусственной нейронной сети

Совместный кодер источника и канала связи реализованный на основе искусственной нейронной сети

С.Н. Кириллов, Д.C. Семин, Д.А. Емельяненко

Канал передачи данных обычно включает как кодер источника, так и кодер канала, что требует соответствующих вычислительных ресурсов. Для уменьшения вычислительных затрат и соответственно его веса–габаритных характеристик возможно применение искусственных нейронных сетей, позволяющих объединить в одном устройстве функциональность кодера источника и кодера канала. Применение искусственных нейронных сетей (ИНС) в системах кодирования информации позволяет реализовать такие плохо формализованные задачи.

Системы базирующиеся на искусственной нейронных сетях в последние годы всё активнее используются для решения задач обработки сигналов.

К преимуществам ИНС при разработках подобного рода аппаратуры можно отнести тот факт, что система, функциональность которой определяется прежде всего параметрами программного обеспечения, обладает очень высокой гибкостью и, следовательно, приспосабливаемостью к потребностям пользователя. Также к преимуществам искусственных нейронных сетей можно отнести обобщающую способность, позволяющую при ограниченном объеме обучающей выборки (ОВ) получать заданный отклик на входное воздействие не входящее в объем обучающей выборки, толерантность, позволяющую при сильно искаженном входном воздействии получать правильное решение.

Задача кодирования при нейросетевой постановке является задачей регрессии выходного вектора входным вектором или массивом векторов. Отличие этого подхода от стандартных состоит в том, что он позволяет сделать систему самообучаемой, что особо важно для трудноформализуемых задач.

Обобщенная структурная схема искусственной нейронной сети кодера источника в виде адаптивной дифференциальной импульсно кодовой модуляции (АДИКМ), а также кодера канала в виде БЧХ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кодер источника и канала на основе ИНС

Данная структура является наглядной и позволяет в едином блоке из аналогово речевого сигнала получить бинарный канальный код, но на практике подобную схему использовать нерационально, так как аналого-цифровое преобразование (кодирование источника) производится в специально предназначенных для этого блоках. На практика при определении структуры ИНС число слоев может сократится (рисунок 2).

Рисунок 2 – Совместный кодер источника и канала на основе ИНС

Существенным достоинством данной структуры является то, что слои можно обучить для разных типов речевых и помехоустойчивых кодов, а перестроение сети под другой тип осуществляется путем замены соответствующих коэффициентов.  Обучение сети производилось по алгоритму обратного распространения, только один раз.

Результаты имитационного моделирования для системы связи с использованием ИНС и системы построенной по классической схеме (отдельные кодер источника и канальный кодер) представлены на рисунке 2 (для внесения избыточности использовался БЧХ код (15,11)). Как видно из анализа зависимостей субъективной оценки качества речевого сигнала от скорости передачи характеристики ИНС для малых скоростей передачи уступает классической системе связи, но при этом предложенное устройство позволяет гибко перестраиваться в зависимости от требуемой степени сжатия исходного речевого сигнала или параметров помехоустойчивого кода при неизменной структуре.

Рисунок 2 – Результаты субъективной оценки качества восстановленного речевого сигнала для системы связи с ИНС - - -

и классической реализации ───

Кроме того за счет параллельного вычисления скорость работы ИНС существенно выше чем классической схемы.

Разработана структура и обучена ИНС объединяющая в себе кодер источника и канала, позволяющая уменьшить размеры аппаратуры за счет объединения различных устройств в едином блоке, а также  обладающая  возможностью гибкой перестройки под различные виды речевых и помехоутойчивых кодеков.