ГОСТ Р 54309-2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Аудиовизуальная информационная система реального времени (РАВИС). Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ диапазоне. Технические условия
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 24.02.2011 № 22-ст)
Примечание
Документ введен в действие с 01.09.2012.
Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 февраля 2011 г. № 22-ст
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
АУДИОВИЗУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ (РАВИС)
ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАДРОВОЙ СТРУКТУРЫ, КАНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ И МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО НАЗЕМНОГО УЗКОПОЛОСНОГО РАДИОВЕЩАНИЯ В ОВЧ ДИАПАЗОНЕ
Realtime audiovisual information system (RAVIS). Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial narrowband broadcasting system for VHF band. Specifications
Дата введения 1 сентября 2012 года
Предисловие
1 Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием «Главный радиочастотный центр» (ФГУП «ГРЧЦ»)
2 ВНЕСЕН Федеральной службой по надзору в сфере связи «Роскомнадзор»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 февраля 2011 г. № 22-ст
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на систему передачи РАВИС для цифрового наземного узкополосного вещания в ОВЧ диапазоне частот. Система РАВИС позволяет осуществлять информационное звуковое стереовещание и видеовещание как в случае стационарного приема, так и при расположении приемника в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и густых лесных массивах. Данная система может быть использована вещателями, силовыми ведомствами, банковскими структурами, организациями городского и междугороднего транспорта. Система РАВИС обеспечивает передачу цифрового информационного потока в узкополосном канале с шириной полосы 100; 200 или 250 кГц.
Настоящий стандарт устанавливает:
- основные принципы построения системы для цифрового наземного узкополосного вещания;
- процессы формирования кадровой структуры, методов канального кодирования, мультиплексирования и модуляции системы.
2 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
2.1 блок временнуго перемежения (time interleaving block): Множество ячеек, в которых выполняется временнуе перемежение.
2.2 блок помехозащищенных данных (FEC block): Множество из Ncells ячеек OFDM, передающих все биты одного или нескольких помехозащищенных кадров данных.
2.3 защитный интервал (guard interval): Временнуй интервал, вводимый между двумя последовательными OFDM-символами, предназначенный для защиты полезной части сигнала от искажений, связанных с эфирным многолучевым распространением.
2.4 кадр OFDM (OFDM frame): Совокупность символов OFDM, с начала кадра возможно декодирование передаваемых данных.
2.5 кадр данных (data frame): Множество из Kbch бит, формирующее вход одного процесса канального кодирования (кодирование БЧХ и LDPC).
2.6 пик-фактор сигнала (PAPR, peak-to-average power ratio): Отношение пиковой амплитуды сигнала к его среднеквадратичному значению.
2.7 символ OFDM (OFDM symbol): Сигнал длительностью TS, включающий в себя все активные несущие, модулированные соответствующими значениями, а также защитный интервал.
2.8 синхробайт (sync byte): Байт со значением 47 в шестнадцатеричной системе счисления. Используется для определения начала транспортного пакета.
2.9 транспортный пакет MPEG-2 (MPEG-2 transport packet): Последовательность из 188 Б, у которой первый байт является синхробайтом [1].
2.10 универсальная инкапсуляция потока (generic stream encapsulation): Протокол инкапсуляции пакетных данных [2].
2.11 ячейка OFDM (OFDM cell): Значение, модулирующее одну несущую OFDM на протяжении одного символа OFDM, например, одна точка созвездия.
2.12 ячейка данных (data cell): Ячейка OFDM, не являющаяся пилотной или ячейкой параметров передачи сигнала.
3 Обозначения и сокращения
В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:
[x] — округление в сторону минус бесконечности: округление в сторону меньшего целого числа, [x] \leq x ;
\Delta f — полоса радиоканала;
\lambda_{i} — биты кодового слова LDPC;
\eta_{MOD} — число битов на символ созвездия;
16-QAM — 16-позиционная модуляция QAM;
64-QAM — 64-позиционная модуляция QAM;
be, j — выходные биты с индексом j подпотока e, поступающие с демультиплексора битов на подпотоки;
c(x) — полином кодового слова кода БЧХ;
ci — номер столбца битового перемежителя;
cTi — номер столбца временнуго перемежителя;
Cm, l, k — значение ячейки для несущей k символа/кадра m;
d(x) — остаток от деления m(x) на g(x) при кодировании БЧХ;
di — проверочные биты кода БЧХ;
dc max — максимальное допустимое число единичных элементов в строке матрицы H кодера LDPC;
dr, q — выход перемежителя ячеек для ячейки q БПД r;
div — оператор целочисленного деления, определенный следующим образом: xdivy = [xy] ;
fc — центральная частота РЧ-сигнала;
g(x) — порождающий полином кода БЧХ;
g2(x), g2(z), ... — примитивные полиномы, необходимые для получения порождающего полинома кода БЧХ;
gr,i — ячейки данных на входе перемежителя ячеек;
H — матрица для расчета проверочных битов кода LDPC;
hi, j — элементы матрицы H кодера LDPC;
Ibch — выходное кодовое слово кодера БЧХ, состоящее из Nbch битов;
ij — биты кодового слова кода БЧХ, формирующие информационные биты кода LDPC;
Im(x) — мнимая часть комплексного числа x;
k' — индекс несущей относительно центральной частоты;
Kbch — число битов некодированного блока кода БЧХ;
Kinf i — число информационных несущих логического канала i (КОС, НСК, НКД);
Kldpc — число битов некодированного блока кода LDPC;
Kmax — индекс последней активной несущей (с максимальной частотой);
Kmin — индекс первой активной несущей (с минимальной частотой);
Kr — параметр в функции перестановки перемежителя ячеек;
l — индекс символа OFDM в кадре;
L — число символов в кадре OFDM;
Lr(q) — функция перестановки перемежителя ячеек для r-го БПД в БВП;
M — информационное сообщение из Kbch бит, поступающее на кодер БЧХ;
Mldpc — число проверочных битов кода LDPC;
mi — биты сообщения на входе кодера БЧХ;
m(x) — полином сообщения на входе кодера БЧХ;
mod — оператор взятия по модулю, определенный следующим образом: xmody = x - y[xy] ;
MPEG Surround — стандарт компрессии многоканальных звуковых сигналов;
ni — число столбцов матрицы H кода LDPC, содержащих i единиц;
N — поле заголовка КД, содержащее порядковый номер КД;
Nbch — число битов в блоке, кодированном кодом БЧХ;
Nc — число столбцов битового перемежителя;
Ncells — число ячеек OFDM на БПД;
Nldpc — число битов блока, кодированного кодом LDPC;
Nr — число строк битового перемежителя;
Nsybstreams — число подпотоков, генерируемых демультиплексором битов на подпотоки;
Nsymb — длительность полезной части символа OFDM в отсчетах;
NT — число кадров OFDM в блоке временнуго перемежения (длительность БВП);
NTc — число столбцов во временнум перемежителе;
NTr — число строк во временнум перемежителе;
P(r) — значение сдвига для перемежителя ячеек в r-м БПД БВП;
pi — проверочные биты кода LDPC;
q — индекс ячейки в кодированном и модулированном кодовом слове LDPC;
ri — номер строки битового перемежителя;
rTi — номер строки временнуго перемежителя;
R — примерная скорость помехоустойчивого кодирования;
RDF — доля полезной информации в кадре данных;
RFEC — скорость помехоустойчивого кодирования;
Re(x) — действительная часть комплексного числа x;
s(t) — математическая модель сигнала OFDM;
Smd(k) — псевдослучайная последовательность, используемая при формировании матрицы H кодера LDPC;
SYNCD — поле заголовка КД, описывающее сдвиг до начала пользовательского пакета;
t — число ошибок, корректируемых кодом БЧХ;
tc — значение сдвига начала столбца c;
TG — длительность защитного интервала;
TS — общая длительность символа OFDM;
TU — длительность активного символа OFDM;
TIME — поле заголовка КД, содержащее временнэю метку первого полного пакета;
TYPE — поле заголовка КД, описывающее данные, содержащиеся в КД;
uTi — входные ячейки временнуго перемежителя;
\nu_{l} — выходные биты битового перемежителя со сдвигом начала столбцов;
\nu_{Ti} — выходные ячейки временнуго перемежителя;
wi — бит i опорной последовательности ПСДП на уровне символа;
XOR — операция «исключающего ИЛИ»/операция сложения по модулю 2;
yi, q — бит i кодового слова ячеек q, поступающий от демультиплексора битов на кодовые слова ячеек;
zq — точка созвездия до нормализации;
ACE — метод активного расширения созвездия (active constellation extension);
BPSK — двухпозиционная фазовая манипуляция (binary phase shift keying);
CD — компакт-диск (compact disk);
CIF — размер кадра видео 352 x 288 пикселов (common intermediate format);
CRC-8 - восьмибитовый циклический избыточный код (cyclic redundancy check);
DBPSK — дифференциальная двухпозиционная фазовая манипуляция (differential binary phase shift keying);
DFL — длина поля данных (data field length);
DVB-T — система наземного цифрового телевизионного вещания (digital video broadcasting — terrestrial);
DVB-T2 — система наземного цифрового телевизионного вещания второго поколения (digital video broadcasting — terrestrial, second generation);
FEC — упреждающая коррекция ошибок, помехоустойчивое кодирование (forward error correction);
H.264/AVC — Рекомендация Международного союза электросвязи ITU-R H.264 — улучшенное видеокодирование (advanced video coding);
HE-AAC — высокоэффективное улучшенное аудиокодирование (high efficiency advanced audio coding);
LDPC — коды с малой плотностью проверок на четность (low density parity check);
MPEG-2 — группа стандартов цифрового кодирования и мультиплексирования видео- и аудиосигналов (motion picture experts group);
OFDM — схема цифровой модуляции — ортогональное частотное мультиплексирование (orthogonal frequency-division multiplexing);
PS — параметрическое кодирование стереозвукового сигнала (parametric stereo);
QAM — квадратурно-амплитудная модуляция (quadrature amplitude modulation);
QCIF — размер кадра видео 176 x 144 пиксела (quarter common intermediate format);
QPSK — четырехпозиционная фазовая манипуляция (quadrature phase shift keying);
SBR — воссоздание спектральной полосы — метод повышения эффективности аудиокодирования (spectral band replication);
SIF — размер кадра видео 320 x 240 пикселов (source input format);
UPL — длина пользовательского пакета (user packet length);
БВП — блок временнуго перемежения;
БПД — блок помехозащищенных данных;
БПФ — быстрое преобразование Фурье;
БЧХ — двоичный блоковый код коррекции ошибок Бозе-Чоудури-Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem multiple error correction binary block code);
КОС — канал основного сервиса;
НСПД — неструктурированный поток данных;
ОБПФ — обратное быстрое преобразование Фурье;
ОВЧ — диапазон очень высоких частот (30 — 300 МГц);
ПКД — помехозащищенный кадр данных;
ППС — параметры передачи сигнала;
ПСДП — псевдослучайная двоичная последовательность (pseudo random binary sequence, PRBS);
РАВИС — аудиовизуальная система реального времени (realtime audiovisual system, RAVIS);
СКО — среднеквадратичное отклонение;
ТП — транспортный пакет MPEG-2;
УИП — универсальная инкапсуляция потока (generic stream encapsulation, GSE);
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.
4 Общие положения
Система РАВИС предназначена для использования в радиовещательных полосах I и II ОВЧ диапазона частот (65,8 — 74,0 и 87,5 — 108,0 МГц). Диапазон частот, используемый для вещания РАВИС, позволяет локализовать вещание, т.е. на одной и той же частоте в разных городах передавать различные программы. При этом радиус покрытия передатчиком является достаточным для обеспечения приема в отдаленных пунктах там, где другим способом осуществить вещание невозможно.
Система РАВИС предназначена для приема в транспорте, а также на переносные и стационарные приемные устройства. Она позволяет передавать в одном канале шириной 250 кГц более 10 программ стереозвукового вещания CD качества либо видеопрограмму с несколькими каналами звукового сопровождения. Предусмотрены варианты системы при ширине полосы 200 и 100 кГц с меньшей пропускной способностью и меньшим числом звуковых программ в мультиплексе.
Кроме ширины полосы канала предусмотрено несколько возможных значений параметров канального кодирования и модуляции системы РАВИС, что позволяет организовывать вещание в различных условиях окружающей среды и помеховой обстановки, обеспечивая вещателю выбор между надежностью передачи и скоростью передачи данных в системе. Эти параметры позволяют также организовывать вещание в одночастотных сетях, например, вдоль автомобильных трасс.
В системе предусмотрены, помимо логического канала КОС, канал передачи низкоскоростных данных с повышенной надежностью передачи (НСК) и канал высоконадежной передачи данных (НКД). Эти логические каналы могут использоваться, например, в системах оповещения о чрезвычайных ситуациях и т.д.
4.1 Структурная схема
Структурная схема передающей части системы РАВИС представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Структурная схема передающей части РАВИС
Составные части блока обработки, канального кодирования и перемежения входных данных в каждом из трех каналов системы РАВИС представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 — Составные части блока обработки, канального кодирования и перемежения входных данных
На вход каждого из трех каналов подают данные различного типа с соответствующей скоростью передачи, поступающие от кодеров источников (звук, видео, др. данные) и мультиплексоров.
Из входных данных формируют КД (см. 6.2). Далее проводят рандомизацию энергии внутри КД (см. 6.3). Рандомизированные КД подвергают помехозащитному канальному кодированию, включающему в себя внешнее (см. 6.4) и внутреннее (см. 6.5) кодирование (кодер БЧХ и кодер LDPC). Далее изменяют порядок следования битов внутри ПКД (битовое перемежение, см. 6.6), проводят отображение битов КД на точки модуляционного созвездия (см. 6.7, 6.8), перемежение ячеек данных (см. 6.9) и перемежение блоков ячеек ( временнуе перемежение) в рамках одного или нескольких КД (см. 6.10). Временнуе перемежение предусмотрено только для КОС.
Далее проводят формирование символов и кадров OFDM: отображение ячеек данных всех каналов на несущие OFDM (см. 6.11), перемежение данных несущих (см. 6.13), ввод пилотных несущих (см. 6.14) и несущих ППС (см. 6.15) с учетом номера символа, коррекцию пик-фактора (см. приложение В), формирование сигнала символа OFDM во временнуй области с помощью ОБПФ, формирование задержки при использовании разнесенной передачи (см. приложение Г), ввод защитного интервала (см. 6.12).
Сформированный на этом этапе в цифровом виде сигнал РАВИС преобразуют в аналоговую форму, фильтруют, переносят на частоту вещания, усиливают по мощности и излучают.
4.2 Кодирование источника и мультиплексирование входных данных
На входы каналов данных КОС, НСК и НКД подают двоичные данные, переносящие различную информацию. В первую очередь система РАВИС предназначена для передачи видео- и звуковой информации. Эта информация должна предварительно подвергаться эффективному кодированию с целью устранения как статистической избыточности, так и избыточности восприятия (визуальной, звуковой).
Примечание — В настоящее время наиболее перспективными для использования в системе РАВИС являются звуковой кодер HE-AAC [3] (включая кодирование SBR, PS, MPEG Surround) и видеокодер H.264/AVC [4]; кодер HE-AAC позволяет передавать в потоке 32 Кбит/с высококачественный стереозвук, а кодер H.264/AVC обеспечивает видео высокого качества формата CIF 25 кадров/с при потоке менее 500 Кбит/с.
Закодированные данные источников мультиплексируют с использованием различных форматов, включая пакеты постоянной (в том числе ТП MPEG-2) и переменной длины.
4.3 Формат передаваемых данных
Подаваемые на вход трех логических каналов данные могут иметь различный формат, который указывается в заголовке КД. Предусмотрены четыре типа (формата) данных:
- пакеты данных постоянной или переменной длины;
- ТП (пакеты фиксированной длины известного размера и структуры);
- пакеты протокола УИП;
- НСПД.
4.4 Режимы передачи
В системе РАВИС используют три режима передачи с полосой радиоканала 100; 200 или 250 кГц.
Радиоканал 250 кГц: всего 553 несущих, из них 504 информационных.
Радиоканал 200 кГц: всего 439 несущих, из них 400 информационных.
Радиоканал 100 кГц: всего 215 несущих, из них 196 информационных.
Кроме логического канала КОС могут передаваться один или два дополнительных логических канала данных — низкоскоростной канал (НСК, пропускная способность около 12 Кбит/с) и надежный канал данных (НКД, пропускная способность около 5 Кбит/с).
Размер КД в логическом канале КОС зависит от полосы радиоканала, скорости канального кодирования и присутствия или отсутствия дополнительных каналов данных. Допустимые скорости канального кодирования — 1/2, 2/3, 3/4; допустимые типы модуляции — QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
Размер кадра данных в логическом канале НСК — 656 бит, скорость канального кодирования — 1/2, тип модуляции — QPSK. Данные канала передают на 32 информационных несущих.
Размер кадра данных в логическом канале НКД — 533 бит, скорость канального кодирования — 1/2, тип модуляции — BPSK. Данные канала передают на 26 информационных несущих.
Интервал между несущими составляет (4000/9) Гц. Длительность полезной части символа OFDM составляет 2,25 мс. Длительность защитного интервала — 1/8. Кадр OFDM состоит из 41 символа.
4.5 Цифровые потоки, аудио- и видеоформаты
Скорости цифровых потоков в одном радиоканале для всех комбинаций модуляционного созвездия и скорости помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 1.
Скорости цифровых потоков в одном радиоканале
Возможное число передаваемых программ звукового стереофонического вещания формата 32 Кбит/с в одном радиоканале для всех комбинаций модуляционного созвездия и скорости помехоустойчивого кодирования приведено в таблице 2.
Возможное число передаваемых звуковых программ в одном радиоканале
| Тип созвездия | Скорость кода | Число звуковых программ (32 Кбит/с) | ||
| Канал 100 кГц | Канал 200 кГц | Канал 250 кГц | ||
| QPSK | 1/2 | 2 | 4 | 6 |
| 2/3 | 3 | 6 | 8 | |
| 3/4 | 3 | 7 | 9 | |
| 64-QAM | 1/2 | 4 | 9 | 12 |
| 2/3 | 6 | 13 | 16 | |
| 3/4 | 7 | 14 | 18 | |
| 16-QAM | 1/2 | 7 | 14 | 18 |
| 2/3 | 9 | 19 | 24 | |
| 3/4 | 10 | 22 | 28 | |
Предпочтительные видеоформат и число передаваемых программ звукового стереофонического сопровождения формата 32 Кбит/с в одном радиоканале для всех комбинаций модуляционного созвездия и скорости помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 3.
Предпочтительные видеоформат и число передаваемых звуковых программ в одном радиоканале
Данные в таблицах 1 - 3 приведены для логического канала КОС при отсутствии каналов НСК и НКД.
5 Требования к процессам формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции
5.1 Общие требования
Система канального кодирования и OFDM-модуляции — это функциональный блок, выполняющий адаптацию данных от выхода кодера источника сигнала к характеристикам канала. Потоки данных всех логических каналов данных (КОС, НСК, СКД) подвергают следующим преобразованиям (см. рисунки 1, 2):
- формирование КД;
- рандомизация распределения энергии КД;
- внешнее кодирование КД (блочный код БЧХ);
- внутреннее кодирование КД (блочный код LDPC);
- битовое перемежение ПКД;
- отображение битов на ячейки модуляционного созвездия;
- перемежение ячеек в рамках одного или нескольких ПКД;
- временнуе перемежение в рамках одного или нескольких ПКД;
- отображение данных всех логических каналов на ячейки OFDM;
- частотное перемежение и ввод служебных несущих;
- коррекция пик-фактора;
- ОБПФ;
- введение защитного интервала и формирование полного сигнала OFDM.
Система допускает различные уровни модуляции QAM и различные скорости канального кодирования в канале КОС, которые используют для достижения оптимального соотношения между скоростью цифрового потока и надежностью (помехозащищенностью). Каналы НСК и НКД отличает бульшая помехозащищенность и соответственно бульшая зона охвата вещанием, и устойчивость приема по сравнению с каналом КОС.
Блок адаптации входного потока играет роль интерфейса и предоставляет возможность подключения к кодеру канала любого входного потока со скоростью не больше заданной. Кроме того, блок адаптации входного потока формирует элементарные КД для дальнейшей обработки кодером канала.
Блок рандомизации осуществляет процедуру рассеивания энергии двоичного цифрового потока, превращая длинные последовательности идущих подряд нулей или единиц в псевдослучайную двоичную последовательность. Данная операция обеспечивает энергетический выигрыш при дальнейшем формировании радиосигнала (выигрыш по пик-фактору сигнала).
Блок помехозащитного кодирования включает в себя каскад из двух помехоустойчивых кодеров: БЧХ и LDPC. Выходная длина ПКД после канального кодирования для канала КОС зависит от полосы радиоканала, а также от наличия или отсутствия каналов НСК и НКД (см. таблицу 6). Длина ПКД для канала НСК составляет 1312 бит, а для канала НКД — 1066 бит.
Битовый перемежитель предназначен для ослабления влияния пакетных битовых ошибок. Битовый перемежитель работает в пределах одного ПКД.
Блок модуляции осуществляет отображение последовательности групп битов (1 — BPSK, 2 — QPSK, 4 — 16-QAM, 6 — 64-QAM) на точки выбранного сигнального созвездия.
Перемежитель ячеек представляет собой частотный перемежитель, обеспечивающий дополнительную устойчивость сигнала к частотным замираниям в канале.
Временнуй перемежитель предназначен для глубокого перемежения одного или нескольких ПКД для защиты от \text{временны}´\text{х} замираний канала. Временнуй перемежитель присутствует только в канале КОС.
Работа канала НСК обеспечивается тем же набором блоков, что и работа канала КОС, за исключением временнуго перемежителя. Кроме того, для повышения помехоустойчивости данного канала используется только модуляция QPSK и скорость канального кодирования 1/2. Канал НКД построен аналогично каналу НСК, при этом используется только модуляция BPSK и скорость канального кодирования 1/2.
Мультиплексор потоков формирует из поступающих на его вход модулированных ячеек данных различных каналов OFDM-символы. При этом каждый канал отображают на определенное число несущих. Канал НСК отображают на 32 несущие, канал НКД — на 26 несущих. Число несущих канала КОС зависит от используемой полосы радиочастотного канала и наличия или отсутствия дополнительных каналов данных — НСК и НКД. После отображения данных всех каналов на несущие OFDM осуществляют частотное перемежение, в результате которого низкоскоростные надежные потоки передаются на различных несущих в различных символах OFDM, что повышает устойчивость системы передачи данных к частотно-селективным замираниям. Кадр OFDM состоит из 41 символа OFDM. Размер ПКД в логическом канале данных равен произведению количества несущих OFDM, соответствующих логическому каналу данных, на число символов в кадре OFDM (см. 6.4, таблица 6).
Далее в мультиплексированный поток OFDM-символов вводят пилотные несущие и несущие ППС, обеспечивающие на стороне приема возможности синхронизации, коррекции канальных искажений и передачи дополнительной информации, в том числе о параметрах модуляции и канального кодирования, наличия различных каналов данных и пр.
Коррекция пик-фактора сигнала является необязательной, но рекомендуемой. Возможный алгоритм коррекции пик-фактора приведен в приложении В.
На выходе ОБПФ формируют временнуй дискретизированный сигнал, который после введения защитного интервала поступает на вход блока ЦАП.
При использовании разнесенной передачи до ввода защитного интервала осуществляют введение задержки сигнала (см. приложение Г).
5.2 Требования к процессу формирования КД
Размер КД зависит от параметров канального кодирования (см. 6.4, таблица 6) и равен размеру некодированного блока БЧХ-кода Kbch.
КД состоит из заголовка, полезной нагрузки и заполнения.
В качестве полезной нагрузки могут быть использованы данные следующего типа (формата):
Описание полей заголовка КД представлено в таблице 4.
| Поле | Размер | Описание | |
| 1 Тип данных, TYPE | 1 Б (или более) | Поле состоит из битовых данных | |
| Биты поля TYPE | Биты 0, 1 | 2 бит | Тип потока данных: 00b — пакеты протокола УИП; 01b — непрерывный поток данных, структура которого неизвестна канальному кодеру, НСПД; 10b — поток пакетов переменной или постоянной длины, размер которых не превышает 65536 бит, ПД; 11b — ТП |
| Бит 2 | 1 бит | Индикатор присутствия временнуй метки первого полного пакета данных в данном КД (для потоков типа ТП и ПД): 1 — временнбя метка первого полного пакета данных присутствует; 0 — временнбя метка первого полного пакета данных отсутствует | |
| Бит 3 | 1 бит | Индикатор пакетов переменной длины для режима ПД: 1 — пакеты переменной длины; 0 — пакеты постоянной длины | |
| Бит 4 | 1 бит | Индикатор добавления временнуй метки к заголовку пользовательского пакета (для потоков типа ТП и ПД): 1 — к заголовку каждого пользовательского пакета добавлена временнбя метка; 0 — временнбя метка не добавляется к заголовку пользовательского пакета | |
| Биты поля TYPE | Бит 5 | 1 бит | Индикатор добавления номера КД: 1 — поле номера КД присутствует; 0 — поле номера КД отсутствует |
| Бит 6 | 1 бит | Зарезервирован | |
| Бит 7 | 1 бит | Индикатор присутствия следующего байта, относящегося к полю TYPE: 1 — следующий байт относится к полю TYPE; 0 — следующий байт относится к следующему полю заголовка | |
| 2 Число битов пользовательского пакета UPL | 2 Б | Поле присутствует только для данных ПД и только при сброшенном бите 3 поля TYPE (пакеты постоянной длины) | |
| 3 Число битов поля данных DFL | 2 Б | Длина поля данных, содержащего пользовательские пакеты | |
| 4 Число битов сдвига начала синхронизации SYNCD | 2 Б | Расстояние от начала поля данных до начала пользовательского пакета (равно 0, если начало пользовательского пакета совпадает с началом поля данных; равно 65535, если в поле данных нет начала ни одного пакета); это поле отсутствует в режиме НСПД | |
| 5 Временнбя метка TIME | 2 Б | Временнбя метка первого полного пакета данных (присутствует, если выставлен бит 2 в поле TYPE) | |
| 6 Номер КД N | 2 Б | Порядковый номер текущего кадра данных по модулю 65536 (присутствует, если выставлен бит 5 в поле TYPE) | |
| 7 Контрольная сумма CRC-8 | 1 Б | CRC-8 для полей с первого по шестое (алгоритм расчета CRC-8 приведен в приложении Д) | |
Полезную нагрузку, представляющую собой пользовательские данные, записывают после заголовка. Ее размер записывают в поле длины данных заголовка, этот размер не может превышать значения, равного размеру КД минус размер заголовка.
Заполнение записывают после полезной нагрузки, если ее размер плюс размер заголовка меньше размера КД; заполнение производят нулями.
Размер заголовка кадра данных зависит от типа данных полезной нагрузки, переменной или фиксированной длины пакетов, наличия временнуй метки пакетов, наличия номера КД:
Размер заголовка увеличивается на 2 Б при передаче временнуй метки (выставлен бит 2 поля TYPE заголовка КД).
Размер заголовка увеличивается на 2 Б при передаче номера КД (выставлен бит 5 поля TYPE заголовка КД).
Размер заголовка кадра данных увеличивается на 1 Б при увеличении поля TYPE (выставлен бит 7 поля TYPE заголовка КД).
Пользовательские пакеты снабжаются заголовками (0, 2 или 4 Б):
- временнбя метка, 2 Б, если выставлен бит 4 поля TYPE (передача временнуй метки пользовательского пакета) — только для потоков типа ТП и ПД;
- длина пакета, 2 Б, если выставлен бит 3 поля TYPE (пакеты переменной длины) — только для потоков типа ПД.
5.3 Требования к процессу рандомизации распределения энергии
КД рандомизируют (скремблируют) в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3.
Рисунок 3 — Схема рандомизации данных
Порождающий полином для ПСДП имеет вид 1 + x14 + x15.
Загрузку инициализирующей последовательности «100101010000000» в регистры ПСДП, как указано на рисунке 3, следует проводить при начале обработки каждого КД.
Первый бит на выходе генератора ПСДП должен быть применен к первому биту (т.е. к старшему биту) первого байта КД.
5.4 Требования к подсистеме канального кодирования
Подсистема канального кодирования должна выполнять внешнее кодирование БЧХ, внутреннее кодирование LDPC и побитовое перемежение. Входной поток должен состоять из КД, а выходной поток — из ПКД.
Каждый КД, содержащий Kbch битов, должен обрабатываться подсистемой канального (помехозащитного) кодирования для формирования ПКД, содержащего Nldpc битов. Nbch — Kbch проверочных битов систематического внешнего кода БЧХ должны быть присоединены в начале КД, размер КД, таким образом, увеличивается до Nbch = Kldpc битов. Nldpc — Kldpc проверочных битов внутреннего кодера LDPC должны быть присоединены в конце КД.
5.5 Требования к внешнему кодированию БЧХ
Для генерации ПКД код БЧХ (Nbch, Kldpc), корректирующий t ошибок, должен быть применен к каждому КД. Примитивные полиномы кода БЧХ приведены в таблице 5.
Для получения порождающего полинома g(x) кода коррекции t ошибок кодера БЧХ следует перемножить первые t примитивных полиномов, соответствующих Nbch (см. таблицу 5).
Примитивные полиномы кодера БЧХ
Параметры канального кодирования и размеры кадров данных для всех каналов передачи данных приведены в таблице 6.
Параметры канального кодирования системы РАВИС
Кодирование БЧХ входной битовой информационной последовательности M = (m_{0},m_{1},...,m_{K_{bch} - 2},m_{K_{bch} - 1}) выполняют следующим образом:
- полином сообщения m(x) = m_{K_{bch} - 1}x^{K_{bch} - 1} + m_{K_{bch} - 2}x^{K_{bch} - 2} + ... + m_{1}x + m_{0} умножают на x^{N_{bch} - K_{bch}} ;
- x^{N_{bch} - K_{bch}}m(x) делят на порождающий полином g(x), остаток равен d(x) = d_{N_{bch} - K_{bch} - 1}x^{N_{bch} - K_{bch} - 1} + ... + d_{1}x + d_{0} ;
- создают выходное кодовое слово Ibch, которое формирует информационное слово Ibch для кодирования с помощью кодов LDPC в соответствии со следующим выражением:
I_{bch} = (i_{0},i_{1},...,i_{N_{bch} - 1}) = (d_{0},d_{1},d_{N_{bch} - K_{bch} - 2},d_{N_{bch} - K_{bch} - 1},...,m_{0},m_{1},...,m_{K_{bch} - 2},m_{K_{bch} - 1}) .
Примечание - Эквивалентный полином кодового слова имеет вид c(x) = x^{N_{bch} - K_{bch}}m(x) + d(x) .
5.6 Требования к внутреннему кодированию LDPC
Кодер LDPC обрабатывает выход внешнего кодирования I_{bch} = (i_{0},i_{1},...,i_{K_{ldpc} - 1}) как блок информации размером Kldpc битов и систематически кодирует его в кодовое слово ^ размером Nldpc, где {}^ = (\lambda_{0},\lambda_{1},\lambda_{2},...,\lambda_{N_{ldpc} - 1}) = (i_{0},i_{1},...,i_{K_{ldpc} - 1},p_{0},p_{1},...,p_{N_{ldpc} - K_{ldpc} - 1}) .
Параметры кода LDPC Nldpc, Kldpc приведены в таблице 6.
Задача кодера — определить Nldpc — Kldpc = Mldpc проверочных битов (p0, p1, ..., pMldpc-1) для каждого блока из Kldpc информационных битов (i_{0},i_{1},...,i_{K_{ldpc} - 1}) .
Матрица H, используемая для расчета проверочных битов кода LDPC, имеет MLDPC строк, KLDPC столбцов и содержит относительно малое число ненулевых элементов hn, m = 1, нерегулярно распределенных по строкам и столбцам.
Правило получения каждого из проверочных битов записывают в форме:
p_{i} = \sum_{j = 1}^{K_{ldps}} h_{l,j}i_{j} + p_{l - 1},l = 1,...,M_{ldpc};p_{0} = \sum_{j = 1}^{K_{ldps}} h_{0,j}i_{j} .
Кодирование осуществляют с использованием матрицы H соответствующей размерности.
Процедура формирования матриц H для всех используемых параметров кода LDPC приведена в приложении Е.
5.7 Требования к битовому перемежению
Выход ^ кодера LDPC подвергают побитовому перемежению, которое представляет собой перемежение со сдвигом начала столбцов.
При перемежении со сдвигом начала столбцов биты данных \lambda_{i} , поступающие от кодера LDPC, последовательно записывают в перемежитель по столбцам и последовательно считывают по строкам (старший бит заголовка ПКД считывают первым), как показано на рисунке 4. Запись стартовой позиции каждого столбца сдвигают на tc в соответствии с таблицей 7, в которой представлены значения tc для c = 0, ..., 11; для остальных значений tc = tc mod 12.
Рисунок 4 — Процедура битового перемежения
Сдвиг стартовой позиции столбца записи при битовом перемежении
| Номер столбца c | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Параметр сдвига tc | 0 | 2 | 5 | 9 | 9 | 13 | 17 | 19 | 19 | 23 | 31 | 37 |
Число строк побитового перемежителя Nr = 41, число столбцов Nc = Nldpc div Nr.
Модуль перемежения определен следующим образом:
- входной бит \lambda_{i} с индексом i, при 0 \leq \lambda<N_{ldpc} записывают в столбец ci, строку ri модуля перемежения,
r_{i} = (imodN_{r} + t_{c_{i}mod12})modN_{r} ;
5.8 Требования к отображению битов на ячейки
Один или несколько ПКД должны быть преобразованы в кодированный и модулированный БПД. Для этого поток входных битов сначала разделяют на кодовые слова ячеек, а затем эти слова отображают на модуляционное созвездие. Эффективное число битов на ячейку модуляции \eta_{MOD} приведено в таблице 8. БПД состоит из \eta_{MOD} ПКД, таким образом, число ячеек выходных данных в БПД равно Nldpc.
Число битов на ячейку модуляции
| Тип модуляции | Число битов на ячейку \eta_{MOD} |
|---|---|
| 64-QAM | 6 |
| 16-QAM | 4 |
| QPSK | 2 |
| BPSK | 1 |
Разделение последовательности битов на модулирующие значения ячеек осуществляют следующим образом: битовый поток \lambda_{i} , поступающий от битового перемежителя, разделяют (демультиплексируют) на Nsubstreams подпотоков, как показано на рисунке 5, значение N_{substreams} = \eta_{MOD} .
Рисунок 5 — Демультиплексирование потока битов на подпотоки
Разделение потока битов определяют как отображение побитово перемеженных входных битов vi на выходные биты be, j,
e — индексы битов, демультиплексированных на подпотоки, (0 <= e < Nsubstreams), которые зависят от значения i в соответствии с тем, как определено в таблице 9;
\nu_{i} — вход демультиплексора;
i — индекс бита во входном потоке;
be, j — выход демультиплексора;
j — индекс бита в заданном потоке на выходе демультиплексора.
Зависимости номеров входных и выходных битов демультиплексора
5.9 Требования к отображению ячеек на созвездие
Каждое кодовое слово ячеек [y_{i,q},...,y_{\eta MOD - 1q}] = [b_{i,q},...,b_{\eta MOD - 1q}] , поступающее от демультиплексора, должно быть отображено на точку созвездия одного из типов: BPSK, QPSK, 16-QAM или 64-QAM — для получения точки созвездия zq до нормализации.
Точные значения действительных и мнимых компонентов Re(zq) и Im(zq) для каждой комбинации соответствующих входных битов yi,q приведены для различных созвездий в таблице 10.
Отображение битов ячеек на точки созвездия
Созвездия и детализация применяемого к ним отображения показаны на рисунке 6.
QPSK: порядок битов — y0,q y1,q; Re{z} отображает y0,q, Im{z} отображает y1,q
16-QAM: порядок битов — y0,q y1,q y2,q y3,q; Re{z} отображает y0,q, y2,q, Im{z} отображает y1,q, y3,q
64-QAM: порядок битов — y0,q y1,q y2,q y3,q y4,q y5,q; Re{z} отображает y0,q, y2,q, y4,q, Im{z} отображает y1,q, y3,q, y5,q
Рисунок 6 — Отображение битов ячеек на созвездия QPSK, 16-QAM и 64-QAM
Точки созвездия zq для каждого входного кодового слова ячеек [y_{i,q},...,y_{\eta MOD - 1}] нормализуют в соответствии с таблицей 11 для получения точного комплексного значения ячейки, которое должно использоваться при модуляции.
Коэффициенты нормализации точек созвездия
| Модуляция | Нормирующий коэффициент |
|---|---|
| BPSK | zq |
| QPSK | z_{q} \sqrt{2} |
| 16-QAM | z_{q} \sqrt{10} |
| 64-QAM | z_{q} \sqrt{42} |
5.10 Требования к перемежению ячеек
Псевдослучайный перемежитель ячеек должен равномерно распределять ячейки в БПД, чтобы обеспечивать в приемнике декорреляцию канальных искажений и сдвигать последовательность перемежения в БПД на протяжении одного блока временнуго перемежения (БВП, см. 5.11).
Вход перемежителя ячеек (g_{r,0},g_{r,1},...,g_{r,N_{cells} - 1}) должен представлять собой ячейки данных БПД с индексом r, сформированного с помощью созвездия, r обозначает увеличивающийся индекс БПД внутри БВП. Этот индекс сбрасывают в нуль в начале каждого БВП. Выход перемежителя ячеек должен представлять собой вектор (d_{r,0},d_{r,1},...,d_{r,N_{cells} - 1}) , определенный выражением:
dr, Lrq = gr, q для каждого q = 0, 1, ..., Ncells — 1,
где Ncells — число выходных ячеек данных на БПД (равное Nldpc) и
Lr(q) — функция перестановки, применяемая к r-му БПД в рамках БВП.
Функцию Lr(q) определяют следующим образом: Lr(q) = (q Kr) mod Ncells. Значения Kr приведены в таблице 12.
Значения Kr для функции перестановки Lr(q)
| r | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kr | 99259 | 99401 | 99559 | 99679 | 99793 | 99901 |
5.11 Требования к временнуму перемежению
БВП состоит из одного или нескольких БПД. Его отображают на целое число (один или несколько) кадров OFDM. Длительность БВП NT, выраженная в кадрах OFDM, передается в ППС, NT = 1, ..., 6.
Временнуй перемежитель представляет собой строчно-столбцовый блоковый перемежитель, число столбцов NTc = 41 в перемежителе равно числу символов в кадре OFDM. Графическое представление временнуго перемежителя показано на рисунке 7. Данные ячеек записывают в столбцы, а считывают построчно.
Рисунок 7 — Схема временнуго перемежителя
Число строк временнуго перемежителя NTr = (Ncells·NT) div NTc.
Модуль перемежения определен следующим образом:
- входную ячейку uTi с индексом i при 0 <= i < (Ncells·NT) записывают в столбец cTi, строку rTi модуля перемежения,
- выходную ячейку \nu_{Tj} с индексом j для 0 <= j < (Ncells·NT) считывают из строки rTj, столбец cTj,
5.12 Требования к общей схеме OFDM-модуляции
После блоков перемежения цифровые потоки логических каналов данных КОС, НСК и НКД поступают на блок отображения данных на несущие OFDM (см. рисунок 1). Общее число и распределение несущих для различных полос радиоканала приведено в таблице 13.
Распределение несущих при различных полосах радиоканала
При OFDM-модуляции проводят разбиение цифровых потоков логических каналов данных на блоки длиной L = 41 символ комплексной модуляции zq, причем каждый такой символ имеет длину \eta_{MOD} битов (см. таблицу 8). Далее в соответствии с кодом Грея осуществляют отображение zq на информационные несущие OFDM-символа в соответствии с выбранным вариантом модуляции несущих — BPSK, QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Диаграммы отображения кода Грея для QPSK, 16-QAM и 64-QAM вариантов модуляции несущих представлены на рисунке 6.
После отображения данных логических каналов на информационные несущие осуществляют частотное перемежение, которое делает распределение логических каналов по несущим псевдослучайным, что позволяет повысить устойчивость системы передачи данных к селективным замираниям.
Помимо информационных несущих в состав OFDM-символа вводят также пилотные несущие и несущие ППС. Пилотные несущие передают на повышенном уровне мощности. Фазы пилотных несущих задают в соответствии с опорной псевдослучайной двоичной последовательностью равными 0° либо 180°.
Пилотные несущие вводят в состав OFDM-символа с целью обеспечения на принимающей стороне возможности синхронизации сигнала и оценки характеристик канала передачи. Пилотные несущие составляют около 9% общего числа несущих (см. таблицу 13).
Несущие ППС вводят с целью непосредственной передачи информации о ключевых параметрах передаваемого сигнала (наличие логических каналов данных, скорость LDPC-кода, тип QAM-созвездия, длина защитного интервала и пр.). В каждом символе OFDM передают четыре несущих ППС.
OFDM-символ, полученный после введения пилотных несущих и несущих ППС, подвергают обратному преобразованию Фурье, которое преобразовывает символ из частотной области во временнэю . Затем в начало символа вводят защитный интервал длительностью TG. В защитный интервал копируют последние Nsymb·TG/TU отсчетов полезной части символа, где Nsymb — длина полезной части символа (в отсчетах), TU — длительность полезного символа (в секундах). В системе предусмотрен защитный интервал с длительностью TU/8.
Полученную последовательность \text{временны}´\text{х} отчетов ограничивают, масштабируют и квантуют в соответствии с разрядностью ЦАП.
Перед обратным преобразованием Фурье может проводиться операция, направленная на снижение пик-фактора сигнала.
При использовании разнесенной передачи перед введением защитного интервала блок внесения задержки формирует несколько сигналов с необходимыми \text{временны}´\text{ми} задержками.
5.13 Требования к кадровой структуре OFDM
Передаваемый сигнал должен быть организован в виде последовательности кадров. Кадр имеет длительность TF и состоит из L = 41 OFDM-символов. OFDM-символ имеет длительность TS и состоит из защитного интервала длительностью TG и полезной части длительностью TU (TS = TU + TG). Защитный интервал является циклическим префиксом полезной части TU, его длительность — TU/8.
OFDM-символы содержат полезную информацию (о данных) и опорную информацию (пилотные и ППС-несущие). Символы в кадре OFDM пронумерованы от 0 до 40.
Ключевые параметры блока OFDM-модуляции системы приведены в таблице 14.
Ключевые параметры модуляции OFDM системы РАВИС
Математическая модель сигнала s(t) описывается выражением:
, (1)
Kmin - нижний предел индекса несущей, Kmin = 0;
Kmax — верхний предел индекса несущей, Kmax = Ktotal — 1;
L — число символов OFDM в кадре, L = 41;
k' — индекс несущей относительно центральной частоты, k' = k — (Kmax + Kmin)/2;
l — индекс символа OFDM в кадре;
m — индекс передаваемого кадра;
fc — центральная частота спектра сигнала;
Cm, l, k — комплексный коэффициент, модулирующий k-ю несущую l-го символа в m-м кадре OFDM.
С целью нормирования выходного уровня сигнала в системе предусмотрены коэффициенты нормализации величин Cm, l, k. Применение этих коэффициентов нормирует к единице суммарную мощность модуляционного алфавита информационных несущих сигнала (см. рисунок 6). В таблице 11 представлены значения этих коэффициентов для всех режимов модуляции.
5.14 Требования к частотному перемежению
Частотное перемежение, которое выполняют после отображения данных логических каналов на информационные несущие, делает распределение логических каналов по несущим псевдослучайным. Такое распределение позволяет повысить устойчивость низкоскоростных каналов данных НСК и НКД к селективным замираниям.
Модулированные ячейки данных каналов НСК и НКД отображают псевдослучайным образом на информационные несущие OFDM с индексами k' = +/- 1, ...+/- 106 относительно центральной несущей радиоканала.
Индексы информационных несущих, на которых передают данные каналов НСК и НКД для всех символов в кадре OFDM и для всех вариантов присутствия данных каналов НСК и НКД, представлены в таблице 15. Индекс символа следует брать по модулю 7, т.е. l' = lmod7.
Индексы информационных несущих каналов НКД и НСК
После отображения данных каналов НСК и НКД модулированные ячейки данных канала КОС отображают на информационные несущие с индексами k = Kmin + Kmax — 1 последовательно, за исключением информационных несущих, уже занятых каналами НСК и НКД.
5.15 Требования к пилотным несущим
Назначение пилотных несущих — передача дополнительной (опорной) информации, с помощью которой на приемной стороне осуществляют синхронизацию, а также оценивают характеристики канала передачи. Пилотные несущие передают на повышенном уровне мощности. Пилотные несущие делят на два типа: 1) повторяющиеся и 2) рассеянные. Положение повторяющихся пилотных несущих в спектре сигнала не зависит от номера символа в кадре, а положение рассеянных — зависит. Фазы пилотных несущих могут принимать значения 0° или 180° в соответствии с опорной последовательностью. Мощность пилотных несущих составляет 16/9, в то время как средняя мощность информационных несущих и несущих ППС в соответствии с коэффициентом нормирования равна 1.
5.15.1 Определение опорной последовательности
Опорная последовательность wk является ПСДП с порождающим полиномом x11 + x2 + 1. Схема генератора, реализующего данный полином, приведена на рисунке 8.
Начало последовательности ПСДП 1111111111100..
Рисунок 8 — Схема генератора опорной последовательности
Фазы пилотных несущих, а также фазы ППС-несущих определяют на основе значений wk, генерируемых данной ПСДП. Значение 0 соответствует фазе 0°, значение 1 соответствует фазе 180°.
При инициализации генератора опорной последовательности все регистры выставляют в «1» (см. рисунок 8). Каждой k-й несущей символа ставится в соответствие бит wk. Инициализацию осуществляют в начале каждого символа OFDM.
5.15.2 Расположение рассеянных пилотных несущих
Индексы рассеянных пилотных несущих определены в таблице 16.
Примечание - Если совместить центральные несущие при различных полосах радиоканала, то пилотные несущие более узкого радиоканала окажутся подмножеством пилотных несущих более широкого радиоканала.
Индексы рассеянных пилотных несущих
Рассеянные пилотные несущие усиливают по мощности и их фазы задают в соответствии с опорной последовательностью wk по формуле
(2)5.15.3 Расположение повторяющихся пилотных несущих
Индексы повторяющихся пилотных несущих определены в таблице 17.
Примечание - Если совместить центральные несущие при различных полосах радиоканала, то пилотные несущие более узкого радиоканала окажутся подмножеством пилотных несущих более широкого радиоканала.
Индексы повторяющихся пилотных несущих
Все повторяющиеся пилотные несущие модулируют согласно опорной последовательности.
Повторяющиеся пилотные несущие усиливают по мощности и их фазы задают в соответствии с опорной последовательностью wk по формуле
(3)5.16 Требования к несущим ППС
Несущие ППС предназначены для передачи параметров сигнала, связанных с режимом передачи, параметрами канального кодирования канала и модуляции.
Информацию ППС передают параллельно на четырех несущих. Каждая несущая ППС в одном и том же символе передает один и тот же дифференциально кодированный информационный бит. Индексы этих несущих относительно центральной несущей радиоканала k' равны +/- 27 и +/- 81 для всех вариантов ширины полосы радиоканала.
Несущие ППС обеспечивают передачу следующей информации:
- типа модуляционного созвездия КОС;
- скорости канального кодирования КОС;
- числа кадров временнуго перемежения КОС;
- номера кадра временнуго перемежения КОС.
Инициализацию фазы ППС-несущих осуществляют для каждого кадра OFDM. Для инициализации фазы ППС-несущих первого символа кадра используют опорную последовательность wk.
Блок данных ППС соответствует одному кадру OFDM и содержит 41 бит, которые определены следующим образом:
14 избыточных битов для защиты от ошибок.
5.16.1 Формат передачи ППС-информации
Информацию ППС следует передавать в соответствии с таблицей 18. Первым передают бит s0. Первые три бита задают номер версии и должны быть установлены в 0. При изменении версии возможно изменение значений остальных полей информации ППС.
| Номер бита | Формат | Цель/содержание |
|---|---|---|
| s0, s1, s2 | 000 | Версия |
| s3, s4 | См. таблицу 19 | Тип QAM-созвездия КОС |
| s5, s6, s7 | См. таблицу 20 | Скорость кода КОС |
| s8, s9, s10 | Двоичное значение; 000, 111 — зарезервированы | Число кадров временнуго перемежения КОС |
| s11, s12, s13 | Двоичное значение; 110, 111 — зарезервированы | Индекс кадра временнуго перемежения КОС |
| s14 | Флаг присутствия данных НСК | Наличие данных НСК |
| s15 | Флаг присутствия данных НКД | Наличие данных НКД |
| s16, s17 | См. таблицу 21 | Ширина полосы радиоканала |
| s18 — s26 | Установлены в 0 | Зарезервировано |
| s27 — s40 | Код БЧХ | Защита от ошибок |
Тип модуляционного созвездия КОС передают двумя битами в соответствии с таблицей 19.
Кодирование типа QAM-созвездия КОС
| Биты s3, s4 | Тип созвездия |
|---|---|
| 00 | QPSK |
| 01 | 16-QAM |
| 10 | 64-QAM |
| 11 | Зарезервировано |
Скорость канального кода КОС кодируют тремя битами в соответствии с таблицей 20.
| Биты s5, s6, s7 | Скорость кода |
|---|---|
| 000 | 1/2 |
| 001 | 2/3 |
| 010 | 3/4 |
| 011 — 111 | Зарезервировано |
Кодирование ширины полосы радиоканала
| Биты s16, s17 | Ширина полосы радиоканала, кГц |
|---|---|
| 00 | Зарезервировано |
| 01 | 100 |
| 10 | 200 |
| 11 | 250 |
Число кадров временнуго перемежения КОС NT передают тремя битами s8, s9, s10 (значения 000, 111 зарезервированы). Индекс текущего кадра перемежения также передают тремя битами s11, s12, s13. Индекс меняется в диапазоне от 0 до NT — 1 (значения 110, 111 зарезервированы).
Биты s14, s15 указывают наличие (значение 1) или отсутствие (значение 0) в кадре OFDM данных логических каналов НСК и НКД соответственно.
5.16.2 Помехоустойчивое кодирование информации ППС
К 27 битам s0 — s26 добавляют 14 проверочных битов сокращенного кода БЧХ (41, 27, t = 2), вычисленного из исходного систематического кода БЧХ (127, 113, t = 2).
Порождающий полином этого кода: g(x) = x14 + x9 + x8 + x6 + x5 + x4 + x2 + x + 1.
5.16.3 Модуляция ППС-несущих
Несущие ППС передают с уровнем мощности, равным 1.
Несущие ППС передают с разностно-фазовой модуляцией (DBPSK) с инициализацией в начале каждого кадра OFDM.
Разностно-фазовую модуляцию ППС-несущей с номером k символа l (l > 0) в кадре m осуществляют в соответствии с правилом:
- если si = 0, то Re{Cm, l, k} = Re{Cm, l — 1, k} и Im{Cm, l, k} = 0;
- если sj = 1, то Re{Cm, l, k} = — Re{Cm, l — 1, k} и Im{Cm, l, k} = 0;
где si — текущий кодируемый бит.
Начальную фазу несущих ППС в первом символе кадра определяют на основе опорной последовательности wk по формуле
(4)5.17 Определение скорости полезного информационного потока
Скорость полезного битового потока различных логических каналов данных Ri (КОС, НСК, НКД) определяют по формуле
R_{i} = \frac{K_{infi}\eta_{MOD}R_{FEC}R_{DF}}{T_{U}(1 + T_{G}T_{U})} , (5)
где Kinf i — число информационных несущих логического канала i;
\eta_{MOD} — число битов информации, передаваемых на одной несущей (см. таблицу 8);
RFEC = Kbch/Nldpc — скорость помехоустойчивого кодирования, равная отношению числа битов в КД к числу битов в ПКД (см. таблицу 6);
RDF — доля полезной информации в КД, равная отношению числа битов пользовательских данных к общему размеру КД;
TU — длительность полезной части символа;
TG — длительность защитного интервала.
Приблизительные значения скорости полезного битового потока в канале КОС в случае отсутствия НСК и НКД приведены в таблице 1.
РАДИОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ
Система РАВИС предназначена для использования в диапазонах частот 65,8 — 74,0 и 87,5 — 108,0 МГц.
OFDM-модулированный сигнал с \text{больши}´\text{м} числом несущих имеет почти нормальное распределение, что подтверждается экспериментальными исследованиями (см. рисунок А.1). Среднее отклонение оценки плотности распределения OFDM-модулированного сигнала от плотности нормального распределения с параметрами (0, 1) составляет 1,5·10-10, а максимальное отклонение — не превышает 10-4.
Рисунок А.1 — Плотность распределения вероятности сигнала OFDM
Эффект Доплера вызывает частотный сдвиг несущих сигнала при движении приемника относительно передатчика.
Сдвиг частот составляет \Delta f_{D} = f \frac{\nu}{c} ,
где f — несущая частота радиосигнала;
\nu — проекция скорости движения приемника относительно передатчика на прямую, соединяющую приемник и антенну передатчика;
Расстояние между соседними несущими в системе РАВИС составляет приблизительно 0,44 кГц. При скорости движения приемника \nu = 200\text{км ч} доплеровский сдвиг частот не превышает 5% расстояния между двумя соседними несущими в диапазоне частот до 108 МГц.
Моделирование производительности системы РАВИС выполнено с двумя моделями многолучевого распространения в канале передачи: канал Райса (для стационарного приема) и канал Релея (для мобильного приема).
Модели канала соответствуют моделям, описанным в [5].
В модели канала Райса выходной сигнал y(t) вычисляют по формуле
y(t) = \frac{r_{0}x(t) + \sum_{i = 1}^{N} r_{i}e^{- j2\pi\theta_{i}}x(t - \tau_{i})}{\sqrt{\sum_{i = 0}^{N} r_{i}^{2}}} , (Б.1)
r0 x(t) — прямой (неотраженный) сигнал с затуханием;
N — число эхо-сигналов, N = 20;
\theta_{i} — фазовый сдвиг, возникающий при рассеянии i-го отраженного сигнала;
ri — затухание i-го отраженного сигнала;
\tau_{i} — относительная задержка i-го отраженного сигнала.
Значения параметров \theta_{i} , ri и \tau_{i} приведены в таблице Б.1.
Коэффициент Райса K (отношение мощностей прямого сигнала и отраженных сигналов) вычисляют по формуле
K = \frac{r_{0}^{2}}{\sum_{i = 1}^{N} r_{i}^{2}} . (Б.2)
При моделировании был использован коэффициент Райса K = 10, т.е.
r_{0} = \sqrt{10 \sum_{i = 1}^{N} r_{i}^{2}} .
В модели канала Релея выходной сигнал y(t) вычисляют по формуле
y(t) = k \sum_{i = 1}^{N} r_{i}e^{- j2\pi\theta}x(t - \tau_{i}) , (Б.3)
где k = \frac{1}{\sqrt{\sum_{i = 1}^{N} r_{i}^{2}}} .
Значения параметров \theta_{i} , ri и \tau_{i} приведены в таблице Б.1.
Значения параметров \theta_{i} , ri и \tau_{i} для моделей канала Райса и Релея
Пороговые значения отношения сигнал/шум при использовании модуляции 16-QAM и скорости канального кодирования 3/4 для канала КОС приведены в таблице Б.2.
Пороговые значения отношения сигнал/шум при различных моделях канала
| Модель канала | Отношение сигнал/шум, дБ |
|---|---|
| АБШГ (аддитивный белый гауссовский шум) | 12 |
| Канал Райса + АБШГ | 12,5 |
| Канал Релея + АБШГ | 15,5 |
КОРРЕКЦИЯ ПИК-ФАКТОРА СИГНАЛА OFDM
Для уменьшения отношения пиковой и средней мощностей сигнала (пик-фактора) рекомендуется использовать, например, метод активного расширения созвездия (ACE), описанный в [6]. Этот метод применяют к активной части каждого символа OFDM до введения защитного интервала. Метод активного расширения созвездий не должен применяться к пилотным несущим и несущим ППС.
Алгоритм активного расширения созвездий генерирует сигнал во временнуй области xACE, который замещает исходный сигнал во временнуй области x = (x_{0},x_{1},...,x_{N_{FT - 1}}) , сгенерированный с помощью ОБПФ из множества значений частотной области X = (X_{0},X_{1},...,X_{N_{FT - 1}}) .
Схема алгоритма представлена на рисунке В.1.
Рисунок В.1 — Схема алгоритма ACE
x\prime = (x\prime_{0},x\prime_{1},...,x\prime_{4N_{FFT - 1}}) получают из x с помощью четырехкратной интерполяции.
Сочетание ОБПФ, передискретизации и низкочастотной фильтрации реализуют с помощью заполнения нулями до четырехкратной длины и последующего преобразования ОБПФ.
x\prime\prime = (x\prime\prime_{0},x\prime\prime_{1},...,x\prime\prime_{4NFFT^{- 1}}) получают с помощью применения к компонентам x' оператора ограничения.
Оператор ограничения x_{k}\prime\prime определен следующим образом:
. (В.1)Порог ограничения Vclip является параметром алгоритма ACE.
x_{c} = (x_{c0},x_{c1},...,x_{cNFFT^{- 1}}) получают из x» с помощью четырехкратного прореживания.
Сочетание низкочастотной фильтрации, передискретизации и БПФ реализуют с помощью заполнения нулями до четырехкратной длины и последующего преобразования БПФ.
Xc получают из xc с помощью БПФ.
Новый сигнал X_{c}\prime получают с помощью суммирования Xc и X следующим образом:
X_{c}\prime = X + G(X_{c} - X) . (В.2)
Коэффициент расширения G является параметром алгоритма ACE.
X_{c}\prime\prime получают из X_{c}\prime с помощью оператора насыщения, который по отдельности обрабатывает действительные и мнимые компоненты, обеспечивая, чтобы модуль отдельных компонентов не превышал заданного значения L:
(В.3)
(В.4)Предел расширения L является параметром алгоритма ACE.
Тогда XACE составляют с помощью простого выбора действительных и мнимых компонентов из относящихся к X, X«c:»
(В.5)
(В.6)xACE получают из XACE с помощью ОБПФ.
Компонент определяют как расширяемый, если он принадлежит к модулированной ячейке данных и если его абсолютное значение равно максимальному значению компонента, связанного с модулирующим созвездием, используемым для этой ячейки. Например, компонент, принадлежащий к 16-QAM модулированной ячейке, является расширяемым, если его значение равно \pm 3 \sqrt{10} .
Выбор значения коэффициента G следует проводить в пределах от 0 до 31 с шагом 1.
Выбор порога ограничения Vclip следует проводить в диапазоне от + 0 до + 12,7 дБ с шагом 0,1 дБ относительно эффективного напряжения исходного сигнала.
Выбор максимального значения расширения L следует проводить в диапазоне от 0,7 до 1,4 дБ с шагом 0,1 дБ.
Если устанавливается максимальное значение L, то максимальное увеличение мощности на несущую после расширения ограничено значением + 6 дБ (увеличение мощности получается максимальным для модуляции QPSK).
Система РАВИС может функционировать в сложных условиях распространения сигнала, обеспечивая, в частности, мобильный прием в городских условиях с плотной застройкой. Узкополосные сигналы в таких условиях подвержены не только частотно-селективным, но и амплитудным (плоским) замираниям.
В этих условиях используемое в РАВИС временнуе перемежение улучшает мобильный прием сигнала. Эффективным методом борьбы с амплитудными замираниями является использование разнесенного приема, т.е. нескольких приемных антенн, расположенных на определенном расстоянии. Но в некоторых случаях использование нескольких антенн затруднительно, например, для небольших переносных приемников. Для вещательных систем хорошей альтернативой или дополнением к разнесенному приему является использование методики разнесенной передачи.
Разнесенная передача с задержкой представляет собой достаточно простой и эффективный метод. В этом случае кроме исходного сигнала излучают еще один сигнал, представляющий задержанную на время \delta копию исходного сигнала, дополнительный сигнал излучают с другой антенны, пространственно разнесенной с основной. Использование этого метода не требует никаких дополнительных изменений приемника. Задержанных копий сигнала может быть несколько. Схема передающей части при использовании разнесенной передачи представлена на рисунке Г.1.
Рисунок Г.1 — Схема разнесенной передачи
Необходимо выбрать значения задержек \delta_{k} для всех ветвей излучения сигнала. При этом необходимо учитывать, что:
- задержка \delta_{k} должна быть достаточно большой (более 10 мкс), чтобы увеличить частотную избирательность составного канала, представляющего собой объединение каналов передающих антенн;
- задержка \delta_{k} должна быть гораздо меньше длительности защитного интервала (то есть << 300 мкс), чтобы не вызывать межсимвольную интерференцию.
ВЫЧИСЛЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО ИЗБЫТОЧНОГО КОДА
Реализация проверки с помощью циклических избыточных кодов (CRC-кодов) позволяет выявлять ошибки передачи в приемнике. С этой целью слова CRC-кода должны быть включены в передаваемые данные. Слова CRC-кода определяют в соответствии с описанной в настоящем приложении процедурой.
Код CRC определяют с помощью полинома степени n
Gn(x) = xn + gn — 1·xn — 1 + ... + g2·x2 + g1·x + 1
при n >= 1 и {}_{g_{i} \in}{_{0,1}} , i = 1, ..., n — 1.
CRC-код может быть вычислен с помощью сдвигового регистра, содержащего n ячеек, где n равно степени полинома. Блок-схема вычисления CRC-кода представлена на рисунке Д.1. Ячейки обозначают как b0 ... bn — 1, где b0 соответствует 1; b1 соответствует x; b2 соответствует x2; ...; bn — 1 соответствует xn — 1. Сдвиговый регистр дополняют с помощью вставки операторов XOR на входе тех ячеек, где соответствующие коэффициенты gi полинома равны 1.
Рисунок Д.1 — Блок-схема вычисления CRC-кода
В начале вычисления кода CRC-8 все ячейки сдвигового регистра инициализируют нулями.
После поступления первого бита блока данных на вход данных (старший бит поступает первым) тактовый генератор обеспечивает сдвиг ячеек регистра на одну ячейку в направлении ячейки старшего бита bn — 1. При этом в промежуточные ячейки помещают данные после соответствующих операций XOR. Затем процедуру повторяют для каждого входного бита данных. После поступления последнего бита (младший бит) блока данных на вход сдвиговый регистр будет содержать слово CRC-кода, которое вслед за этим считывают. При передаче данных и слова CRC-кода старший бит следует первым.
Код CRC-8, используемый в системе РАВИС, основан на следующем полиноме:
G8(x) = x8 + x7 + x6 + x4 + x2 + 1.
ПРОЦЕДУРА ФОРМИРОВАНИЯ МАТРИЦ КОДА LDPC
В настоящем приложении приведена процедура формирования матрицы H, по которой проводят расчет проверочных битов кода LDPC (см. 6.5).
Матрицу H формируют так, чтобы число столбцов ni в ней, содержащих i единиц, соответствовало таблице Е.1.
Для значений ni, указанных в таблице Е.1, выполнено соотношение Kldpc = n13 + n12 + n8 + n3.
Параметры матрицы H для всех возможных значений параметров кода LDPC
Максимально допустимое число единичных элементов Dc max в строке матрицы H в зависимости от примерной скорости кода R определено в таблице Е.2.
Максимально допустимое число единичных элементов в строке матрицы H
| Примерная скорость кода R | 1/2 | 2/3 | 3/4 |
|---|---|---|---|
| Максимально допустимое число единичных элементов dc max | 8 | 11 | 15 |
Алгоритм расстановки ненулевых элементов в матрице H использует псевдослучайную последовательность, задаваемую рекуррентной формулой
Srnd(k) = (((Srnd(k) div M) mod (M/2)) mod Mldpc) + 1, (Е.1)
Начальное значение S_{r}\prime_{nd}(0) , заданное в таблице Е.3, зависит от размера блока Nldpc и скорости кода R.
Начальное значение псевдослучайной последовательности S_{r}\prime_{nd}(0)
Алгоритм формирования матрицы H представлен в виде блок-схемы на рисунке Е.1 (листы 1 — 3).
В алгоритме формирования матрицы H используется двухдиагональная матрица E2, определенная следующим образом:
Рисунок Е.1 — Блок-схема алгоритма формирования матрицы H