DE2759106B1

DE2759106B1 - Schaltungsanordnung zum Codieren oder Decodieren von Binaerinformationen

Info

Publication number: DE2759106B1
Application number: DE2759106A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl-Ing Herkert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS54105935A; DE2759106C2; EP0003480A2; EP0003480B1; NO784376L; EP0003480A3; US4242752A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Codieren oder Decodieren, mit einer Einrichtung zur Bildung einer Zahl von Kontrollbits in Abhängigkeit von mehrere Stellen aufweisenden Binärinformationen unter Verwendung eines zyklischen Codes, wobei mittels eines Codierers ein Informationspolynom durch ein Generatorpolynom geteilt wird, und der sich bei der Teilung ergebende Rest das Ergebnis der Codierung ist

Eine derartige Schaltungsanordnung ist z. B. aus dem Buch von J. Swoboda, »Codierung zur Fehlerkorrektur und Fehlererkennung«, Sehe 108, bekannt

Zur Codierung und Decodierung von Impulstele

grammen werden häufig zyklische Codes verwendet Derartige Codes bieten bei einer bestimmten Anzahl von Kontrollschritten bzw. bei vorgegebener Redundanz die größtmögliche Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung. In einem zyklischen Code ist ein Tetegrammporynom dann gültig, wenn es durch ein Generatorpolynom ohne Rest teilbar ist Interessant ist also immer der Divisionsrest, nicht aber das Divisionsergebnis. Jedes Telegrammpolynom ist daher auch ein

to Vielfaches eines Generatorpolynoms. Ebenso muß das Telegrammporynom einen größeren Grad haben als das Generatorpolynom, sonst ist es nicht mehr durch das Generatorpolynom teilbar.

Polynome mit einem Grad kleiner als das Generatorts polynom büden die Restpolynome oder Reste oder Restpotenzen des Generatorpolynoms. Aus ihnen werden beim Senden eines Telegramms die Kontrollschritte gebildet Beim Senden eines Telegramms wird an die Nachrichtenbits ein solches Kontrollbitmuster angehängt, daß das Telegrammpolynom wiederum ohne

Rest durch das Generatorpolynom teilbar ist Die Wahl

des Generatorpolynoms bestimmt die Codedistanz und damit die Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung.

Es ist bekannt, zur Division eines Telegrammpoly-

noms durch ein Generatorpolynom ein rückgekoppeltes Schieberegister zu verwendet Die Anzahl der Zellen des Schieberegisters ist so groß, wie der Grad des Generatorpolynoms, und die Rückkopplungsschleifen werden dem Aufbau des Generatorpolynoms entsprechend über Exkhisiv-ODER-Glieder ausgeführt Ein 'Takt schiebt das Telegrammpolynom durch das

Schieberegister, wobei es durch die Rückkoppiungs-

schleifen durch das Generatorpolynom dividiert wird.

Bei Tdegrammende steht der Divisionsrest in den

3s Zellen des Schieberegisters. Ist der Divisionsrest in den Zellen log 0, so ist das Telegramm gültig.

Beim Aussenden eines Telegramms bildet der Divisionsrest in den Zellen die Kontrollschritte, die an die Nachrichtenbits des Telegramms angehängt werden.

⁴^ Durch die Möglichkeit über ein geeignetes rückgekoppeltes Schieberegister den Divisionsrest zu ermitteln, der bei der Division eines Telegrammpolynoms durch ein Generatorpolynom entsteht haben die zyklischen Codes eine besondere Bedeutung gewonnen.

Die Codierung und Decodierung zyklischer Codes hat jedoch z. B. bei schneller paralleler Datenübertragung ihre Grenzen oder bei Datenverarbeitungseinrichtungen, bei denen serielle Daten durch Ein-Ausgabe-Interfaces empfangen oder ausgesendet innerhalb der

Verarbeitungseinrichtung jedoch parallel verarbeitet werden.

Eine weitere Schwierigkeit die sich bei der Verwendung rückgekoppelter Schieberegister ergeben kann, besteht darin, daß sich die Schaltungsanordnung zur Codierung an einen neuen Code oder an Codes mit unterschiedlicher Länge nicht oder nur mit sehr großem Schaltungsaufwand anpassen läßt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der vorstehend näher bezeichneten Art derart auszubilden, daß sie sich auf möglichst einfache Weise an die jeweiligen Erfordernisse anpassen läßt

Überlegungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, daß bei der Lösung dieser Aufgabe die Kontrollbits vorteilhaft durch mehrere aufeinanderfolgende Divisionsvorgänge gewonnen werden können.

Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung derart ausgebildet daß der Codierer eine Einrichtung zum Aufteilen der Binärinformation in mehrere Wörter

gleicher Bitzahl, einen Modulo-2-Addierer und einen Teilcodierer enthält, und daß der Teilcodierer die ihm zugeführte Information durch das Generatorpolynom teilt und an seinem Ausgang den sich aus der Teilung ergebenden Rest abgibt, und daß die Wörter und jeweils der vom Teilcodierer zuvor ermittelte Rest dem Modulo-2-Addierer in zeitlicher Folge zuführbar sind, und daß die dem Teilcodierer zugeführte Information die durch die Modulo-2-Addition gewonnene Information ist

Dabei kann die Binärinformation eine Parallel- oder Serieninformation, insbesondere ein Impulstelegramm sein. Die Binärinformation wird in mehrere gleich lange Teile zerlegt, die im Grenzfall aus einem Bit bestehen können. Der erste Teil wird durch das Generatorpolynom dividiert, der Divisionsrest auf den nächsten Informationsteil mod-2 addiert usw., bis die Binärinformation verarbeitet ist

Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß sich die Schaltungsanordnung ohne aufwendige Schaltungsänderungen an die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalles anpassen läßt Sind die Wörter mehrere Bit breit, so läßt sich bei paralleler Datenverarbeitung eine besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Schaltungsanordnung derartig ausgebildet, daß der Teilcodierer ein rückgekoppeltes, durch eine Einrichtung zur Ablaufsteuerung rücksetzbares und taktsteuerbares Schieberegister ist, in das die durch Modulo-2-Addition gewonnene Information als Parallelinformation eingebbar ist

Eine besonders hohe Geschwindigkeit läßt sich für die Codierung dadurch erzielen, daß der Teilcodierer ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff ist, der mit seinen Adresseneingängen am Ausgang des Modulo-2-Addierers liegt und in dem je Adresse die sich durch Teilung der Adresse durch das Generatorpolynom ergebende Information gespeichert ist

Zweckmäßigerweise ist der Speicher mit wahlfreiem Zugriff ein nur lesbarer Speicher bzw. ein sog. ROM. Weiterhin kann man dem Modulo-2-Addierer zweckmäßigerweise ein durch die Einrichtung zur Ablaufsteuerung steuerbares Register nachschalten.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Schaltungsanordnung derart ausgebildet daß die Binärinformation dem Modulo-2-Addierer bitweise zugeführt wird, und daß die freien Eingänge des Modulo-2-Addierers an den logischen Zustand 0 gelegt sind.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung zur Telegrammcodierung und Decodierung mit einem Schieberegister und

F i g. 2 eine Schaltungsanordnung zur Telegrammcodierung und Decodierung mit einem ROM.

Das Impulstelegramm bzw. Telegramm wird als Polynom dargestellt wobei der letzte Telegrammschritt den Grad 0 erhält

Beispiel

Telegramm 10 0 11
Polynom

x²+\ - x" + l · x°

Für die Variable χ darf dabei nicht irgendeine Zahl aus der Menge aller Zahlen eingesetzt werden, sondern ein Bitmuster aus der Menge der Restpotenzen. Das Auffinden geeigneter Generatorpolynome für eine bestimmte Codedistanz ist Aufgabe der linearen Algebra. Das Generatorpolynom wird hier als gegeben vorausgesetzt. Für die folgenden Erklärungen wird immer das Generatorpolynom χ⁴+χ +1 verwendet.

Die Koeffizienten des Polynoms nehmen die beiden Werte 0 und 1 ein. Zwei Polynome werden addiert, indem man die Variablen χ mit gleichem Exponenten

ίο addiert. Die Addition der Koeffizienten folgt dem mod 2-Gesetz.

Ferner läßt sich das Polynom durch Multiplikation mit χ nach links verschieben. Diese Multiplikation mit χ entspricht einem Schiebetakt

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine Codierung und Decodierung bei paralleler Telegrammverarbeitung mit einem Register.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Fernleitung 4 an ein Serien-Parallel-Interface bzw. den Serien-Parallel-Umsetzer 5 angeschlossea Die über die Fernleitung 4 seriell übertragene Binärinformation wird mit Hilfe des Serien-Parallel-Umsetzers 5 in eine Parallelinformation umgesetzt, die aus Wörtern zu je 4 Bit besteht. Die Wörter werden einerseits einem in der Einrichtung 11 enthaltenen, in der Figur nicht dargestellten Telegrammzwischenspeicher und andererseits dem Modulo-2-Addierer 7 zugeführt Der Modulo-2-Addierer 7 besteht aus den vier Exklusiv-Oder-Gliedern 71 bis 74, die jeweils für eine Stelle des Wortes eine Modulo-2-Addition durchführen. Die anderen Eingänge des Modulo-2-Addierers 7 sind mit dem Ausgang des Schieberegisters 2 verbunden.

Die Ausgänge der Exklusiv-Oder-GIieder des Modulo-2-Addierers 7 sind an das Register 8 geführt, das von der Einrichtung 11, die zur Ablaufsteuerung dient und vorzugsweise durch einen Microprozessor gebildet ist, mit Strobeimpulsen S1 und S 2 gesteuert

Der Ausgang des Registers 8 ist an die Eingänge der D-Flip-Flops 21 bis 24 geführt Diese D-Flip-Flops 21 bis 24 sind als rückgekoppeltes Schieberegister geschaltet und bilden einen Teilcodierer, der die vom Register 8 abgegebene Parallelinformation durch das Generatorpolynom x*+x+1 teilt. Die Takteingänge der D-Flip-Flops werden von der Einrichtung 11 mit einem Takt T, die Rücksetzeingänge mit Rücksetzimpulsen r beaufschlagt

An den Ausgängen der D-Flip-Flops 21 bis 24 liegt der sich bei der Teilung durch das Generatorpolynom ergebende Rest als Parallelinformation an. Diese

so Information wird einerseits an die Einrichtung 11 und andererseits an einen der beiden Eingänge des Modulo-2-Addierers geführt

An die Einrichtung 11 ist ferner das Parallel-Interface 6 angeschlossen, das einen Anschluß 61 für ein Datensichtgerät, einen Anschluß 62 für einen Drucker und einen Anschluß 63 für Anzeigelampen usw. aufweist.

An den (^-Ausgängen der im Polynom-Schieberegister enthaltenen D-FIip-Flops 21 bis 24 steht der Divisionsrest am Ende des Telegrammdurchlaufs zur Verfugung, d. h. an den (^-Ausgängen der invertierte Divisionsrest. Der Divisionsrest muß beim Empfang eines Telegramms 0 sein. Beim Senden des Telegramms bildet er die Kontrollschritte.

Für den Fall, daß ein Impulstelegramm empfangen wird, setzt die Einrichtung 11 mit einem Rücksetzimpuls r das als Teilcodierer dienende Polynom-Schieberegister 8 in die Ruhelage. Das Telegramm, seriell von der

Fernleitung 4 kommend, wird 4-Bit-weise an die Einrichtung 11 und an das Register 8 gegeben. Die am Ausgang des Polynom-Schieberegisters 8 abgegebene Information wird jeweils mit einem Wort des 4-Kt-weise ankommenden Telegramms mod-2 addiert Das sich dabei ergebende weitere Wort wird durch einen Strobeimpuls 51 in das Register 32 geladen. Ein zweiter Strobeimpuls «2 lädt den Inhalt des Registers 32 in das Polynom-Schieberegister 8. Die folgenden 4 Takte Γ dividieren diesen Telegrammteil durch das Generatorpolynom. Der sich bei der Division ergebende Rest wird mit den nächsten 4 Bits des Telegramms mit Hufe des Mod-2-Addierers 7 nach dem mod-2-Gesetz addiert und über das Register 32 in das Polynom-Schieberegister 8 geladen. Vier Takte dividieren auch diesen Telegrammteil und so fort, bis die letzten 4 Telegrammbits einlaufen. Sie müssen, mit dem Divisionsrest aus dem Polynom-Schieberegister mod-2 addiert, das Wort 0 0 0 0 ergeben. Ist der Divisionsrest nach den letzten 4 Telegrammbit 0 0 0 0, dann verarbeitet die Einrichtung U das Telegramm weiter. Andernfalls wird das Telegramm verworfen oder eine Fehlerkorrektur vorgenommen.

Die Telegrammdivision ISBt sich folgendermaßen darstellen.

Telegramm:

0110 1010 0010 0110

wird zerlegt in

0 110 0 0 0 0

plus 10 10 0 0 0 0

plus

0 0 10 0 0 00

0 110

Der erste Telegrammteil wird durch das Generator* polynom dividiert und der Rest dem nächsten Telegrammteil mod-2 aufaddiert Dies wird wieder dividiert und der Rest dem nächsten Telegrammteil aufaddiert Der Rest des vorletzten Telegrammteils muß mod-2 addiert auf den letzten Telegrammteil den Rest 0 0 0 0 ergeben.

Beim Senden des Telegramms setzt die Einrichtung 11 mit dem Rucksetzimpuls das Polynom-Schieberegister 2 in die Ruhelage. Das Parallelinterface 6 liefert die Telegrammnachrichten und den Anreiz zum Aussenden eines Telegramms. Die Einrichtung 11 gibt das Telegramm 4-Bit-weise an das Serien-ParalleHnterface 5 und an die Codiereinrichtung. Sind alle Nachrichteabits ausgesendet, dann hängt die Einrichtung If den Divisionsrest am Ausgang des Polynom-Schieberegisters als Kontrollbits an die Nachrichtenbits an und beendet damit das Telegramm. Im übrigen läuft der Codierungsvorgang wie bei einer empfangenen Binärinformationab.

Im beschriebenen Beispiel stimmt die SteDenzahl des

Skberungsanhanges mit der Bitzahl der Wörter überein. Gegebenenfalls können die Wörter mehr Bits enthalten. In diese» FaIt ist dem rückgekoppelten Schiebereer ein ParaHel-Serien-Umsetzer für die weiteren Bits s vorzuschalten.

Haben die Wörter weniger Bits ab der Skberungsanhang, so werden die freien Eingänge des Moduto-2-Addierers an den logischen Zustand 0 gelegt
F ig. 2 zdgt eine Schaltungsanordnung für Codierung

ίο und Decodierung bei paralleler Telegrammbeig mit Regteer und RCHkI Diese Schaltungsetnrichtung unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß ansteUe des Polynomschieberegisters 2 ein Speicher 9 mit wahlfreiem Zugriff vorgesehen ist Der Speicher 9 ist ein Nur-Lesespeicher bzw. ROM. Der Adresseneingang des Speichers 9 ist an den Ausgang des Registers 8 angescMotsen. Der Ausgang des Speichers 9 ist mit seinen ^-Anschlüssen einerseits an je einen Eingang der im Modulo-2-Addierer enthaltenen Exkhwv-Oder-Gatter 71 bis 74 geführt Außerdem ist an den Ausgang des Speichers 9 auch die Einrichtung 12 zur Ablaufsteuerungangeschlossen.

Em weiterer Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung bestellt noch darin, daß von der

2s Einrichtung 12 zum Register 8 nur eine einzige Leitung für einen rols 51 erforderlich ist

Da jedes in das Polynom-Schieberegister 2 nach Fig. 2 eingeschriebene Bitmuster nach der Poiynomdivision ein definiertes anderes Bitmuster ergibt, kann das Schieberegister 2 in vortefflutfter Weise durch einen Speicher 9 mit wahlfreiem Zugriff, der insbesondere ein ROKf ist, ersetzt werden. Diese Schahungsanordnung erlaubt eine besonders schnelle Telegrammverarbeitung; weit der Speicher 9 bzw. das ROM sofort das

Ergebnis liefert und nicht erst nach mehreren Schiebetakten wie das Polynom-Schieberegister.

Die Schahungsanordnung läßt sich vorteilhaft in Einrichtungen zur Datenübertragung verwenden, insbesondere zur Codierung oder Decodierung von Fern- wirktelegnimmeaFemwirirtelegranime können bei der Übertragung von einer Fernwirkstation zur anderen über Fernleitungen durch Störspannungen verfälscht werden. Der Tdegrammsender fügt deshalb zweckmäßigerweise mehrere KontroBschritte an das Telegramm, deren Bitmuster von dem Bitmuster der Nachrichtenbits abhängig ist: Das Telegramm wird codiert

Der Telegrammempfänger kontrolliert die Nachrichtenbits and die Kontrollbits und erkennt daraus mit einer definierten Wahrscheinlichkeit eine Verfälschung:

so Das Telegramm wird decodiert

Bei der Ausbädung der Einrichtung 11 bzw. 12 als Microprozessor kann diese zweckmäßigerweise für weitere Steuerungen, z. B. zum zyklischen Aufrufen von Fernwtrkstationen zusätzlich ausgenutzt werden.

Hierzu 2 Blatt TMchpwwgen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Codieren oder Decodieren, mit einer Einrichtung zur Bildung einer Zahl von Kontrollbits in Abhängigkeit von mehrere Stellen aufweisenden Binärinformationen unter Verwendung eines zyklischen Codes, wobei mittels eines Codieren ein Informationspolynom durch ein Generatorpolynom geteilt wird, und der sich bei der Teilung ergebende Rest das Ergebnis der Codierung ist, dadurch gekennzeichnet, daB der Codierer eine Einrichtung (5) zum Aufteilen der Binarinformation in mehrere Wörter gleicher Bitzahl, einen Modulo-2-Addierer (7) und einen Teilcodierer enthalt, und daB der Teilcodierer die ihm zugeführte Information durch das Generatorpolynom teilt und an seinem Ausgang den sich aus der Teilung ergebenden Rest abgibt, und daB die Wörter und jeweils der vom Teilcodierer zuvor ermittelte Rest dem Moduk>-2-Addierer (7) in zeitlicher Folge zuführbar sind, und daß die dem Teilcodierer zugeführte Information die durch die Moduk>-2-Addition gewonnene Information ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilcodierer ein rückgekoppeltes, durch eine Einrichtung (12) zur Ablaufsteuerung rücksetzbares und taktsteuerbares Schieberegister (2) ist, in das die durch Modiub-2-Addition gewonnene Information als Parallelinformation eingebbar ist (F i g. 1).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilcodierer ein Speicher (9) mit wahlfreiem Zugriff ist, der mit seinen Adresseneingängen am Ausgang des Moduk>2-Addierers (7) liegt und in den je Adresse die sich durch Teilung der Adresse durch das Generatorpolynom ergebende Information gespeichert ist (F ig. 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (9) mit wahlfreiem Zugriff ein nur lesbarer Speicher ist

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorneige* henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Modulo-2-Addierer (7) ein durch die Einrichtung (U, 12) zur Ablaufsteuerung steuerbares Register (8) nachgeschaltet ist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Binärinformation dem Modulo-2-Addierer bitweise zugeführt wird, und daß die freien Eingänge des Modulo-2-Addierers an den logischen Zustand 0 gelegt sind.