В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Анатолий Иванчин, Академик МАИ
Сергей Рихтер, Доцент МТУСИ
Преобразование данных и кодирование канала
При передаче цифровых данных по каналу с тепловыми шумами, радиопомехами, взаимными влияниями сигналов и соседних каналов, с замираниями, обусловленными многолучевым распространением, всегда существует вероятность того, что принятые данные будут содержать ошибки. Как известно, снизить вероятность ошибок можно путем внесения в цифровой канал искусственной избыточности для канального кодирования (иначе — избыточного или помехоустойчивого кодирования) с коррекцией ошибок.
Применение помехоустойчивого кодирования канала повышает энергетическую эффективность радиосистемы передачи. Однако в системе DRM очень важно одновременно с этим достижение высокой частотной эффективности радиопередачи. Поэтому здесь используются определенные сигнально-кодовые конструкции (сигнальные последовательности), точки которых в многомерном пространстве плотно упакованы (это необходимо, чтобы обеспечить высокую частотную эффективность). Достаточно разнести их на расстояние Хемминга между соседними кодовыми последовательностями или на Евклидово расстояние (если это многомерное пространство), чтобы обеспечить достаточно высокую энергетическую эффективность. Такими свойствами обладает конструкция, используемая в DRM. Она сочетает многопозиционные сигналы с квадратурной амплитудной модуляцией КАМ и помехоустойчивый сверточный код (СК). Положительный эффект достигается в этом случае благодаря тому, что внешние коды, производные от базового СК, согласуются с внутренними кодами, в качестве которых используются вложенные подансамбли сигналов М-КАМ с числом позиций M =2ν , где ν =2, 4 и 6 (величину ν в системах с ФМ обычно называют кратностью модуляции).
Кодирование канала сопровождается, как правило, двумя весьма простыми, но чрезвычайно эффективными процедурами — скремблированием индивидульных цифровых потоков и перемежением символов. Скремблирование(рандомизация), предваряя кодирование канала, превращает цифровой сигнал в квазислучайный и тем самым приводит к более равномерному энергетическому спектру излучаемого радиосигнала. Кодеру канала в системах ЦРВ всегда сопутствует блок временного перемежения. Простое перемежение (перестановка во времени) символов позволяет декоррелировать ошибки в канале, то есть преобразовывать пакеты ошибок большой длительности в ряд одиночных. Это существенно увеличивает эффективность кодирования канала.
Как отмечалось в первой части статьи (ВС № 7(27), 2002), система DRM состоит из трех разных каналов передачи цифровых данных: MSC , SDC и FAC . Вследствие различного назначения в этих каналах применяются разные варианты кодирования и преобразования данных, которые предполагают последовательное выполнение следующих четырех операций:
Как отмечалось выше, перечисленные операции необходимы для
согласования систем модуляции
и кодирования. Эффект достигается при иерархическом разбиении ансамбля сигналов на набор вложенных подансамблей с монотонно возрастающими расстояниями между ними и таким подбором кодов для каждого уровня иерархии, 
чтобы выровнять результирующие расстояния. Принадлежность сигналов к подансамблям кодируется соответствующим числом символов, которые передаются по каналу с использованием СК с определенной кодовой скоростью. Этим реализуется разный уровень защиты бит, принадлежащих различным "созвездиям" -уровням иерархии ансамбля сигналов. Рассмотрим эти важные процедуры более подробно.
Мультиплексирование с разными схемами преобразования потока данных в сочетании с соответствующей скоростью СК позволяет сделать канальное кодирование многоуровневым. Применение нескольких уровней кодирования предполагает использование разных уровней защиты от ошибок: неравной защиты (UEP), равной (ЕЕР) и их комбинации при иерархической модуляции (только в канале MSC), реализующих в той или иной степени согласование процедур модуляции и кодирования. Заметим, что в каналах FAC и SDC обязательна равная защита.
При использовании модуляции применяются три стратегии преобразования данных:
Иерархическое преобразование расщепляет кодируемый поток данных на две части: очень сильно защищенную ( VSPP ) и часть со стандартной защитой (SSP) и 
помимо мультиплексных предполагает формирование иерархических фреймов. Стандартное преобразование предполагает только стандартную защиту. Для каналов FAC и SDC приемлемо только стандартное преобразование. Сводная информация о характере мультиплексирования данных, вариантах модуляции и защиты от ошибок приведена в табл. 1.
Помехоустойчивое кодирование в разных каналах (MSC, SDC, FAC) осуществляется независимо друг от друга. Вектор длины L (длина блока кода) для обработки последовательности данных в кодере канала равен одному FAC-блоку, одному SDC-блоку или одному мультиплексному фрейму MSC.
Число бит Lmux в мультиплексном фрейме зависит от уровня помехоустойчивости (A...D), числа сигналов М (4; 16; 64) и ширины полосы частот радиоканала. Сведения о параметре заполнение спектра (0...5) были опубликованы во 2-й части данного материала (ВС № 8 (28), 2002). В стандарте DRM искомое число бит определяется аналитической зависимостью параметров Pmax, RXp и RYp — для каждого индивидуального уровня защиты р (р ∈{0, Pmax - 1}), где Pmax — число уровней кодирования (для 4-КАМ равное единице, для 16-КАМ — двум и для 64-КАМ — трем), RXp — числитель, a RYp — знаменатель в выражении кодовой скорости Rp=RXp/RYp для каждого индивидуального уровня. Все эти параметры заданы таблично. У преобразования HMmix они определены для реальной (Re) и мнимой (Im) компонент Rp.
Как известно, сигнал в системе DRM состоит из множества К∈ [kmin - kmax] модулированных несущих. Поэтому каждый OFDM-символ (ячейка) может рассматриваться как разделенный на элементарные пакеты, каждый из которых переносится одной несущей во время одного символа. Количество бит V, переносимое одной несущей за время OFDM-символа, зависит от числа позиций М при КАМ-модуляции, а именно: ν = Log2M, то есть 2,4 или 6 бит. Однако полное число NMUX MSC OFDM-cимволов в мультиплексном фрейме — величина переменная, зависящая от числа (1...4) уровней защиты и вида преобразования (SM, HMsym или HMmix). Эта величина задана таблично для всех видов преобразований.
Что касается канала FAC, то число бит LFAC FAC-блока равно 72, а общее число NFAC FAC OFDM-ячеек FAC-блока равно 65 в каждом режиме помехоустойчивости. В этом канале используются версии ЕЕР и SM и модуляция исключительно 4-КАМ. В канале SDC число бит LSDC в SDC-блоке зависит от уровня помехоустойчивости, 
кратности модуляции и ширины полосы частот радиоканала. Общее число NSDC SDC OFDM-ячеек SDC-блока в стандарте задано таблично. Здесь используются 4-КАМ и 16-КАМ.
Скремблирование применяется во всех трех каналах системы. Сигналы с индивидуальных входов рассеивающего энергию скремблера до поступления на вход канального кодера суммируются по модулю 2 с псевдослучайной бинарной последовательностью (ПСП). В качестве полинома Р(Х), задающего ПСП, используется полином Р(Х) = X9 + X5 + 1. ПСП генерируется регистром сдвига с обратной связью, показанным на рис.1. При инициализации во все регистры генератора ПСП записываются единицы. Длина последовательности данных для обработки в скремблере 
равна одному FAC-блоку, одному SDC-бло-ку или одному мультиплексному фрейму MSC.
Многоуровневое кодирование канала на практике предназначено для обеспечения максимальной защиты таких бит КАМ-модуляции, которые наиболее подвержены ошибкам. Разные уровни защиты реализуются с помощью различных компонент сверточного кода с индивидуальными (парциальными) скоростями Rp=m/n (см. выше). Эти компоненты образуются в кодере путем выкалывания символов в базовом (материнском) коде, характеризуемом скоростью RB.
В зависимости от числа позиций М и используемой схемы преобразования данных применяются пять различных схем многоуровневого кодирования. Одноуровневая 
схема рассматривается как специальный случай многоуровневого кодирования. Для стандартной и симметричной иерархическои модуляции идентичные преобразования данных используются для реальных и для мнимых компонент сигнала КАМ-модуляции. Для смешанной схемы HMmix разные преобразования используются для реальных и мнимых компонент манипуляционного сигнала. В качестве примера на рис. 2.4 приведены схемы соответственно одно-, двух- и трехуровневого кодирования.
В стандарте описаны алгоритмы деления исходного цифрового потока на парциальные потоки для обеспечения всех видов преобразований: SM, HMsym и HMmix. Число парциальных потоков, а также общее (R∑) и парциальное (Rp) значения скорости кода в кодерах каждого уровня кодирования определяются числом уровней кодирования Рmax и защиты р.
Компоненты кода Сp в кодерах на рис. 2-4 образуются в результате сверточного кодирования с выкалыванием материнского кода со скоростью RB = 1 /4 и длиной кодового ограничения к = 7. Код задан порождающими многочленами 133, 171, 145 и 133 (в восьмеричной форме записи). Кодер (рис. 5) представляет собой регистр сдвига с к ячейками, в котором символы кодовой последовательности формируются суммированием по модулю 2 символов с выходов некоторых ячеек. Коммутатор на выходе устанавливает очередность посылки кодовых символов в канал. Регистр сдвига можно рассматривать либо как регистр, содержимое которого сдвигается на один разряд вправо при введении в него слева каждого нового двоичного символа, либо как цифровую линию задержки, в которой каждый элемент задержки хранит один двоичный символ до поступления нового входного двоичного символа. Заметим, что скремблер и кодер канала идентичны одноименным устройствам, применяемым в системе "Eureka 147/DAB" (T-DAB). В стандарте представлена таблица выкалывания базовой (материнской) кодовой последовательности для реализации парциальных значений скорости кода. В канале MSC неравная защита от ошибок обеспечивает два уровня защиты, а в случае 64-КАМ иерархическое преобразование обеспечивает для части канала получение также и третьего уровня защиты.
При стандартном преобразовании (SM) два уровня защиты в одноммультиплексном фрейме реализуются с помощью двух значений полной скорости кода. В табл. 2 и 3 соответственно для сигналов 16- и 64-КАМ указаны значения полной скорости R∑ и парциальных скоростей кода Rp, соответствующих каждому уровню защиты: в случае 16-КАМ — для двух значений полной скорости и для р ∈ {0,1}, а в случае 64-КАМ — для четырех 
значений R∑ и для р ∈ {0,1,2}. Информация о защищаемом уровне передается в данных канала SDC. Как отмечалось выше, стандартное преобразование SM предполагает только стандартную защиту.
Для преобразования HMsym в табл. 4 представлены сведения по полным и парциальным скоростям кода для обеспечения режимов стандартной защиты (SPP) части потока и очень сильной защиты (VSPP) другой части общего потока.
Данные по числу L бит мультиплексного и иерархического фреймов, когда реализуется режим равной (ЕЕР) защиты, приведены в стандарте для возможных значений полос канала и режимов помехоустойчивости.
В канале SDC используется фиксированная полная скорость кода. Для 16-КАМ полная и парциальные скорости (для двух уровней) приведены в табл. 5. В случае 4 — к 
QAM — уровень один: R∑ = R0 = 0,5. Данные по числу L бит в SDC-блоке приведены в стандарте для возможных значений полос канала и режимов помехоустойчивости.
В канале FAC используется один уровень защиты, поэтому R∑=R0 = 0,6.
Перемежение бит парциальных цифровых потоков (см. рис. 2-4) осуществляется квазислучайным образом в каналах FAC, SDC и MSC независимо друг от друга, с учетом схемы преобразования последовательности бит для определенного числа М позиций КАМ-модуляции. Перемежение бит представляет собой блочный процесс, то есть оно осуществляется в пределах фиксированной области данных. Размеры этой области и правила перестановки бит определены аналитически для каждого субпотока данных.
В табл. 6 обобщены сведения о взаимосвязи вида преобразования при мультиплексировании и модуляции с режимом системы помехоустойчивости и шириной полосы частот радиоканала (то есть параметром "заполнение спектра").
Преобразование данных с целью формирования сигнала для многопозиционной модуляции, перемежение MSC OFDM-ячеек, модуляция OFDM, а также ряд приложений будут рассмотрены в следующей части публикации.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2003
Посещений: 21125
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
