ГОСТ Р 70184-2022. Национальный стандарт Российской Федерации. Система спутниковой связи «Спутник-А». Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования, модуляции для системы цифровой спутниковой связи. Технические условия

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 23.06.2022 № 525-ст)

Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 июня 2022 г. № 525-ст

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ «СПУТНИК-А»

ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАДРОВОЙ СТРУКТУРЫ, КАНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ, МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Satellite communication system «Sputnik-A». Framing structure, channel coding and modulation for digital satellite communication system. Specifications

ГОСТ Р 70184-2022

ОКС 33.040.20

Дата введения 1 февраля 2023 года

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)» (МФТИ)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 480 «Связь»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 июня 2022 г. № 525-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

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.rst.gov.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на систему спутниковой передачи данных «Спутник-А». Она предназначена для обеспечения устойчивой защищенной связи и высокоскоростной передачи данных в спутниковых сетях силовых структур, в том числе для обеспечения доступа удаленных и труднодоступных мест Арктического региона к информационным и телекоммуникационным сетям.

«Спутник-А» позволяет производить передачу одного или нескольких потоков данных произвольных форматов. Система коррекции ошибок реализована на основе сочетания LDPC- и БЧХ-кодов, позволяющего осуществлять квазибезошибочное восстановление на расстоянии от 0,7 до 1,0 дБ от границы Шеннона, в зависимости от выбранного режима передачи. Выбор скорости кодирования в диапазоне от 1/8 до 9/10 и одного из пяти режимов модуляции со спектральной эффективностью от 1 до 5 бит/с/Гц позволяет установить требуемый баланс между качеством и скоростью передачи. Для работы в условиях сверхнизкого отношения сигнал/шум разработана группа специальных режимов передачи. Форма спектра сигнала задается одним из трех значений коэффициента сглаживания: 0,35; 0,25 и 0,2. Система предоставляет возможность использования адаптивной схемы модуляции и кодирования (АМК), позволяющей изменять параметры передачи от кадра к кадру на основании данных, получаемых по обратному каналу от устройства получателя.

Настоящий стандарт:

• описывает основные принципы построения системы «Спутник-А»;
• устанавливает формат манипулированного сигнала посредством детального описания процесса обработки сигнала модулятором, а также отдельные значимые аспекты работы приемника;
• определяет общие требования к функционированию системы для достижения необходимого качества обслуживания.

Требования стандарта следует учитывать при разработке, изготовлении и эксплуатации устройств системы спутниковой связи «Спутник-А».

2 Термины, определения, обозначения и сокращения

2.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1.1 пакетированный поток: Битовый поток, состоящий из пакетов, длина которых равна целому количеству байт и не превышает 9000 байт.

2.1.2 связанные потоки: Логическая группа потоков данных, имеющих общие передатчик и приемник физического уровня (логический канал данных).

2.1.3 наиболее [наименее] значимый бит потока: Бит, передаваемый, обрабатываемый или получаемый ранее (позднее) остальных.

2.1.4 квазибезошибочный прием: Прием сигнала, допускающий менее одной неисправленной ошибки в час при передаче на скорости 5 Мбит/с, что соответствует вероятности битовой ошибки менее 10-10.

2.1.5 подсистема: Логически объединенная группа функциональных блоков системы.

2.1.6 кадр базовой полосы; BB-кадр: Кадр длины Kbch бит, получаемый на выходе подсистем адаптации режима и адаптации потока, состоящий из заголовка, поля данных и нулевых битов заполнения.

2.1.7 помехозащищенный кадр; FEC-кадр: Кадр длины nldpc бит, получаемый на выходе подсистемы введения помехоустойчивого кодирования, состоящий из кадра базовой полосы, проверочных битов кода БЧХ и проверочных битов кода LDPC.

2.1.8 комплексный помехозащищенный кадр; XFEC-кадр: Кадр длины (n_{ldpc}\eta_{MOD}) комплексных символов, получаемый на выходе подсистемы отображения битов на созвездие.

2.1.9 кадр физического уровня; PL-кадр: Кадр комплексных символов, получаемый на выходе подсистемы формирования кадров физического уровня и состоящий из символов комплексного помехозащищенного кадра, заголовка физического уровня и опциональных пилотных символов. Длина PL-кадра может варьироваться в зависимости от параметров передачи.

2.1.10 кадр СНОСШ: Кадр физического уровня при использовании режима передачи, адаптированного для работы в условиях сверхнизкого отношения «сигнал/шум».

2.1.11 рандомизация [скремблирование] потока: Обратимое преобразование входного потока, формирующее на выходе последовательность, обладающую свойствами случайности, с целью достижения наиболее равномерного распределения энергии сигнала во времени и независимости энергии выходного сигнала от входных данных. Для битовых потоков получается логическим побитовым сложением исходной последовательности с псевдослучайной битовой последовательностью; для потока комплексных символов — поэлементным умножением на псевдослучайную последовательность комплексных символов.

2.1.12 длинный кадр: Помехозащищенный кадр длины 64 800 бит.

2.1.13 средний кадр: Помехозащищенный кадр длины 32 400 бит.

2.1.14 короткий кадр: Помехозащищенный кадр длины 16 200 бит.

2.1.15 строчно-столбцовый битовый перемежитель: Таблица, в которую входная последовательность битов записывается по столбцам, а выходная последовательность читается по строкам.

2.1.16 коэффициент расширения битовой последовательности: Число подряд идущих повторений каждого бита из входной последовательности.

2.1.17 скорость помехоустойчивого кода: Приблизительное значение скорости кода, служащее для индексации кодов. Может не совпадать с точным значением фактической скорости кода, равной отношению числа информационных битов помехозащищенного кадра к его общему числу битов. Если не оговаривается иное, имеется в виду именно условное приблизительное значение.

2.1.18 битовая вместимость символа: Длина группы битов помехозащищенного кадра, отображаемой в символ комплексного помехозащищенного кадра. Поскольку все используемые созвездия различны по данному параметру, он используется в качестве индекса созвездия.

2.1.19 слот TDMA: Интервал времени, в течение которого частотная несущая, используемая в схеме TDMA, выделяется одному передатчику, а также последовательность кадров физического уровня, заполняющих этот интервал.

2.2 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

- сложение по модулю 2;

\alpha — коэффициент сглаживания;

\gamma , \gamma_{1} , \gamma_{2} — соотношения радиусов в созвездиях 16APSK, 32APSK;

\eta — коэффициент эффективности кадра физического уровня;

\eta_{\text{с}} — скорость помехоустойчивого кода;

\eta_{MOD} — битовая вместимость созвездия;

\rho , \Phi — амплитуда и фаза модулированного сигнала;

\alpha_{0} , \alpha_{1} , .. , \alpha_{mh - 1} — промежуточные буферы формирования групп проверочных битов LDPC в алгоритме Б;

AB — представление числа A в позиционной системе счисления по основанию B;

b₁, b₂, b₃, b₄, b₅ - биты поля MODCOD PLS-кода;

b₆, b₇ - биты поля TYPE PLS-кода;

c — кодовое слово;

c0, c1, ... , cmh-1 — векторы промежуточных результатов формирования групп проверочных битов LDPC в алгоритме Б;

C/N + I — отношение несущая/(шум + помеха);

CI, CO — действительная и мнимая части комплексной рандомизирующей последовательности физического уровня;

d_{n_{bch} - k_{bch} - 1} , d_{n_{bch} - k_{bch} - 2} , ..., — избыточные биты кода БЧХ;

d(x) — остаток деления m(x)x^{n_{bch} - k_{bch}} на g(x);

dmin — минимальное расстояние кода LDPC;

Eb/N0 — отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит сообщения, к односторонней энергетической спектральной плотности шума;

Es/N0 — отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 символ сообщения, к односторонней энергетической спектральной плотности шума;

fN — частота Найквиста;

f0 — несущая частота;

G — порождающая матрица PLS-кода;

g(x) — порождающий многочлен кода;

g1(x), g2(x), ... , g12(x) — примитивные полиномы, необходимые для получения порождающего полинома кода БЧХ;

H(f) — амплитудно-частотная характеристика фильтра;

H — проверочная матрица кода LDPC;

H1 — псевдослучайная часть проверочной матрицы кода LDPC;

H2 — постоянная часть проверочной матрицы кода LDPC;

Hb — проверочная матрица кода LDPC в алгоритме Б в сокращенном виде;

Hb1 — псевдослучайная часть проверочной матрицы кода LDPC в алгоритме Б в сокращенном виде;

Hb2 — постоянная часть проверочной матрицы кода LDPC в алгоритме Б в сокращенном виде;

i — информационный блок кода LDPC;

i0, i1, ... , i_{k_{ldpc} - 1} — информационные биты кода LDPC;

I, Q — синфазная и квадратурная составляющие модулированного сигнала;

Kbch — битовая длина блока до кодирования БЧХ;

kb — число групп информационных битов кода LDPC в алгоритме Б;

Kdata — битовая длина поля данных;

kldpc — битовая длина блока до кодирования LDPC;

m — информационное слово кода БЧХ;

mb — число групп проверочных битов кода LDPC в алгоритме Б;

m_{K_{bch} - 1} , m_{K_{bch} - 2} , ..., m1, m0 — информационные биты кода БЧХ;

m(x) — информационный многочлен кода БЧХ;

M — число модулированных символов в слоте;

Nbch — битовая длина блока после кодирования БЧХ;

nb — число групп битов на выходе кода LDPC в алгоритме Б;

nldpc — битовая длина блока после кодирования LDPC;

p0, p1, ..., p_{n_{ldpc} - k_{ldpc} - 1} — проверочные биты кода LDPC;

P — число символов в блоке пилотов;

Pk — квадратная матрица, строки которой получаются циклическими сдвигами строки с единственным ненулевым элементом в позиции k >= 0, при k = -1 является нулевой матрицей;

q — параметр кода LDPC, определяемый скоростью кода в алгоритме А;

rm — неравномерность АЧХ в полосе пропускания (дБ);

Rn — последовательность индексов значений рандомизирующей последовательности;

Rz — символьная скорость, соответствующая частоте Найквиста;

Ru — скорость подачи пользовательской информации на вход системы;

S — число слотов в комплексном кадре XFECFRAME;

Ts — период следования символов;

u0, u1, ... , u_{k_{h} - 1} — группы информационных битов кода LDPC в алгоритме Б;

v0, v1, ... , v_{m_{h} - 1} — группы проверочных битов кода LDPC в алгоритме Б;

x, y — последовательности максимальной длины, используемые при рандомизации физического уровня;

y0, y1, y2, ... — биты произвольного поля, подлежащие отображению на некоторое созвездие;

z — размер циркулянта проверочной матрицы кода LDPC в алгоритме Б;

zn — последовательность Голда с номером n.

2.3 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ABNF — расширенная форма Бэкус-Наура (Augmented Backus-Naur Form);

1_6APSK — 16-позиционная APSK;

32APSK — 32-позиционная APSK;

8PSK — восьмипозиционная PSK;

\pi 2 - BPSK — BPSK со сдвигом фаз точек созвездия на ;

APSK — амплитудно-фазовая манипуляция (Amplitude and Phase Shift Keying)

BBHEADER — заголовок кадра базовой полосы;

BB-кадр (BBFRAME) — кадр базовой полосы (BaseBand Frame);

BPSK — двоичная PSK (Binary PSK);

CNI — переменная отношения несущая/(шум + помеха);

CRC — циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check);

FEC — помехоустойчивое кодирование (Forward Error Correction);

FEC-кадр (FECFRAME) — кадр с введенным помехоустойчивым кодом;

FIFO — способ организации буфера «первым пришел — первым ушел» (First In — First Out);

GF — поле Галуа (Galois Field);

LDPC — коды с малой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check);

PKTH — заголовок пользовательского пакета (Packet Header);

PLHEADER — заголовок физического кадра;

PLS — сигнализация физического уровня (Physical Layer Signalling);

PL-кадр (PLFRAME) — кадр физического уровня (Physical Layer Frame);

PSK — фазовая манипуляция (Phase Shift Keying);

QPSK — четырехпозиционная PSK (Quaternary Phase Shift Keying);

SNR — отношение «сигнал/шум» (Signal to Noise Ratio);

SOF — начало кадра (Start Of Frame);

SYNCD — отступ синхронизации (SYNChronization Distance);

TDM — мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing);

TDMA — множественный доступ с разделением по времени (Time Division Multiple Access);

UPC — количество пользовательских пакетов в кадре (User Packet Count);

UPL — длина пользовательского пакета в байтах (User Packet Length);

XFEC-кадр (XFECFRAME) — комплексный кадр с коррекцией ошибок (compleX FECFRAME);

XOR — операция «исключающее ИЛИ»;

АМК — адаптивная схема модуляции и кодирования;

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика;

БОР — блок объединения/разделения;

БЧХ — двоичный блоковый код коррекции ошибок Бозе-Чоудури-Хоквингема;

ИМК — схема модуляции и кодирования с изменяющимися параметрами;

КР — коэффициент расширения последовательности;

ПАР — подсистема адаптации режима;

ПД — поле данных кадра;

ПМК — схема модуляции и кодирования с постоянными параметрами;

ПП — пользовательский пакет;

ППД — пакетированный поток данных;

РСЛОС — регистр сдвига с линейной обратной связью;

СНОСШ — режим работы при сверхнизком отношении «сигнал/шум»;

ЦАП — цифроаналоговый преобразователь.

3 Общие положения

Система «Спутник-А» представляет собой блок оборудования, обеспечивающий преобразование входного потока от произвольного источника данных к виду спутникового радиосигнала. Пользовательские данные должны быть представлены в виде последовательностей ПП переменной длины. Входные потоки далее называются ППД.

Если уровень принимаемого сигнала выше порога C/N + I (отношение «несущая/(шум + помеха)»), для обеспечения квазибезошибочного декодирования применяется FEC. Для работы в условиях сильного шума (SNR от минус 10 до минус 2 дБ) может быть применен режим передачи, адаптированный для передачи в условиях СНОСШ, описанный в приложении Ж.

Для размещения на частотной несущей потоков от различных пользователей или к различным пользователям предусмотрена работа по схемам TDM и TDMA, описанным в приложении И.

3.1 Структурная схема передающей стороны. Режимы передачи

Структурная схема передающей части системы «Спутник-А» представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Блок-схема системы «Спутник-А»

Логические группы связанных ППД обрабатываются отдельно друг от друга. Внутри группы могут передаваться до четырех связанных ППД, имеющих политику приоритизации, выходящую за рамки данного стандарта.

Связанные входные ППД поступают в ПАР. Подсистема встраивает заголовки пакетов PKTH и выполняет формирование полей данных (ПД) для вставки в BB-кадры (кадры базовой полосы).

Далее применяется адаптация потока, включающая дополнение кадра нулями, формирование и добавление заголовка BBHEADER в начало кадра для сообщения приемнику порядка извлечения ПП и контроля целостности данных на кадровом уровне, а также рандомизацию BB-кадров.

FEC выполняет кодирование сочетанием внешних БЧХ- и внутренних LDPC-кодов (скорости кода 1/8, 1/5, 2/9, 11/45, 1/4, 4/15, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10) и битовое перемежение. В зависимости от приложения FEC-блок может быть длинным, средним или коротким и иметь длину, соответственно, 64 800, 32 400 или 16 200 битов. При применении схем кодирования и модуляции с изменяющимися параметрами и адаптивной схемы (ИМК и АМК) FEC и режим модуляции могут изменяться от кадра к кадру, однако должны быть постоянными внутри одного кадра.

Маппер представляет собой подсистему (блок) отображения битов сообщения на выходе подсистемы FEC на точки созвездия \pi 2 - BPSK , QPSK, 8PSK, 16APSK или 32APSK, в зависимости от сферы применения. При нумерации точек созвездий QPSK и 8PSK применяется схема Грея.

В таблице 1 представлены доступные комбинации скорости кодирования и типа модуляции для длинных и коротких кадров. Доступные режимы модуляции для длинных, средних и коротких кадров при применении режима СНОСШ описаны в таблице Ж.1.

Подсистема формирования кадров физического уровня выполняет функции сигнализации физического уровня, вставки пилотов (опционально) и рандомизации физического уровня для распределения энергии. Кадровая структура физического уровня системы основана на разбиении на слоты по 90 модулированных комплексных символов и обеспечивает надежную синхронизацию структуры FEC-блоков. Слот предназначен для сигнализации на физическом уровне, включая нахождение начала кадра и определение параметров передачи. Восстановление несущей может быть упрощено введением растра пилотных символов (P = 36 пилотных символов через каждые 16 слотов по 90 символов). Доступен также режим передачи без пилотов, в котором полезная емкость канала увеличивается на величину до 2,4%.

Таблица 1

Возможные соотношения типа модуляции и скорости кодирования для длинных и коротких кадров в системе «Спутник-А» без применения СНОСШ

Примечание - Средние кадры, тип модуляции \pi 2 - BPSK и скорости кодирования 1/8, 1/5, 2/9, 1/45 и 4/15 не применяются вне режима СНОСШ.

Формирование полосы сигнала применяется для ограничения спектра огибающей сигнала (используется фильтр «корень приподнятого косинуса» с коэффициентом сглаживания 0,35, 0,25 или 0,2).

Мультиплексор физического уровня применяется для объединения потоков, не являющихся связанными, в один физический сигнал.

Физическое устройство модуляции состоит из цифроаналогового преобразователя и квадратурной модуляции аналогового сигнала.

3.2 Типы входных данных

Каждый из входных потоков должен относиться к одному из типов, представленных в таблице 2. Описания типов данных приведены в 5.1.1.

Таблица 2

Типы входных данных системы «Спутник-А»

Выходной интерфейс системы представляет собой сигнал на несущей радиочастоте или на промежуточной частоте.

4 Требования к подсистемам и блокам системы «Спутник-А»

4.1 Подсистема адаптации режима

Данная подсистема подвергает потоки входных данных следующим преобразованиям:

• формирование заголовков пакетов;
• объединение связанных потоков;
• разделение на ПД.

Допустимые типы выходных данных описаны в 5.1.1.

Выходной поток ПАР представляет собой последовательность полей данных DATA_FIELD.

4.1.1 Требования к входному интерфейсу подсистемы адаптации режима

Блок входного интерфейса преобразует входной сигнал к внутреннему логическому (битовому) представлению системы. Далее под наиболее значимым битом подразумевается бит, полученный раньше остальных.

ППД представляет собой последовательность пакетов произвольной переменной длины UPL байтов (максимальное значение UPL составляет 9000).

В начало пакета добавляется заголовок PKTH длиной 2 байта (см. рисунок 2). Поля заголовка описаны в таблице 3.

Таблица 3

Поля заголовка PKTH пользовательского пакета

Рисунок 2 — Формат выходного потока подсистемы адаптации режима

Команды АМК предназначены для внешнего управления параметрами кодирования модуляции для определенного объема передаваемых входных данных.

Выход блока представлен потоками различного приоритета.

4.1.2 Требования к блоку объединения/разделения

Входной поток БОР состоит из пакетов со встроенными заголовками. Входные потоки буферизуются в объеме, в котором БОР способен их обработать.

Блок разделения считывает с выходов буфера для записи в ПД последовательность длины Kdata бит, где Kdata удовлетворяет условию

0 <= Kdata <= Kbch — 64,

где максимальная длина кадра Kbch определяется из таблиц 5, 6 и 7.

Блок объединения обобщает в единый выходной поток ПП, полученные из входных потоков различного приоритета. Политика приоритета потоков БОР не регламентируется данным стандартом.

БОР выделяет, считывает максимально допустимый объем данных вплоть до Kbch — 64, разбивая таким образом пакеты на границах смежных ПД.

Если БОР недоступны данные всех входов, ПД остается пустым.

Поскольку границы ПД соседних кадров могут проходить внутри ПП, для синхронизации приемника вычисляется количество битов от начала текущего поля данных до начала первого ПП, начало которого попадает в данный кадр (до первого заголовка ПП в ПД) и записывается подсистемой адаптации потока в поле SYNCD (отступ синхронизации) заголовка BBHEADER (см. 5.2.2). Например, SYNCD = 0 означает, что начало пакета совпадает с началом ПД.

4.2 Подсистема адаптации потока

Подсистема адаптации потока производит дополнение кадра нулями до постоянной длины Kbch бит, зависящей от скорости помехоустойчивого кода (см. таблицы 5, 6, 7), вставку заголовка кадра BBHEADER, генерацию кода проверки целостности данных, а также рандомизацию кадра. Заполнение применяется при недостаточном объеме данных на входе БОР ПАР.

Подсистемы принимает на вход поля данных DATA_FIELD. Выходной поток представляет собой поток кадров базовой полосы BBFRAME (см. рисунок 3).

4.2.1 Требования к блоку заполнения

Для дополнения кадра до длины Kbch бит в конец кадра вставляется Kbch — Kdata — 64 нулевых бит.

4.2.2 Требования к процессу формирования заголовка кадра базовой полосы

Перед ПД BB-кадра вставляется заголовок BBHEADER фиксированного размера, равного 8 байтам, для описания формата ПД и контроля целостности кадра.

На рисунке 3 представлена структура BBHEADER. В таблице 4 описаны поля BBHEADER.

Рисунок 3 — Формат кадра базовой полосы на выходе ПАР

Таблица 4

Поля заголовка BB-кадров

4.2.3 Требования к кодеру CRC-32

Кодированию подвергается ПД кадра базовой полосы вместе с заголовком без поля CRC-кода.

Проверочное слово CRC-кода определяют в соответствии с описанной в приложении Д процедурой. Код CRC-32, используемый в системе «Спутник-А» и формирующий 3 бита контрольного слова на основе данного ПД, построен на следующем полиноме:

x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 +

• x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1.

4.2.4 Требования к рандомизатору базовой полосы

Для увеличения потенциала энергетического выигрыша через минимизацию пик-фактора при формировании радиосигнала применяется рандомизация (скремблирование) кадра. Выходная последовательность представляет собой псевдослучайную последовательность, энергия которой распределена относительно равномерно.

Для рандомизации применяется генератор псевдослучайных чисел на основе РСЛОС в соответствии с рисунком 4. Порождающий полином РСЛОС, используемый в системе «Спутник-А», имеет вид x15 + x14 + 1.

Для задания начального состояния РСЛОС перед передачей каждого кадра используется инициализирующая последовательность 100101010000000.

Рисунок 4 — Схема рандомизации данных

4.3 Подсистема помехоустойчивого кодирования

Данная подсистема выполняет внешнее кодирование БЧХ, внутреннее кодирование LDPC и битовое перемежение. Входной поток подсистемы состоит из кадров базовой полосы BBFRAME постоянной длины Kbch бит, выходной поток состоит из помехозащищенных кадров FECFRAME постоянной длины nldpc бит.

На рисунке 5 представлена структура FEC-кадра. Проверочные биты BCHFEC внешнего кода БЧХ вставляются после входного кадра BBFRAME, проверочные биты внутреннего кода LDPCFEC — после BCHFEC.

Рисунок 5 — Формат данных перед битовым перемежением (nldpc определяется длиной кадра)

В таблице 5 даны параметры внешнего и внутреннего кодирования для длинных FEC-кадров (nldpc = 64 800 бит), в таблице 6 - для средних FEC-кадров (nldpc = 32 400 бит), в таблице 7 - для коротких FEC-кадров (nldpc = 16 200 бит). Кадры средней длины используются только при применении СНОСШ (см. приложение Ж).

Таблица 5

Параметры кодирования для длинных FEC-кадров

Таблица 6

Параметры кодирования для средних FEC-кадров (только в режиме СНОСШ)

Таблица 7

Параметры кодирования для коротких FEC-кадров

4.3.1 Требования к внешнему кодированию

Код БЧХ (Nbch, Kbch), исправляющий t ошибок, применяется к BB-кадру для формирования помехозащищенного пакета. Параметры кода БЧХ для итоговой длины пакета nldpc = 64 800 даны в таблице 5, для nldpc = 32 400 — в таблице 6, для nldpc = 16 200 — в таблице 7.

Для получения порождающего полинома g(x) кода коррекции t ошибок следует перемножить первые t примитивных полиномов таблицы 8 для nldpc = 64 800, таблицы 9 для nldpc = 32 400 или таблицы 10 для nldpc = 16 200.

Таблица 8

Многочлены БЧХ для длинных FEC-кадров

Таблица 9

Многочлены БЧХ для средних FEC-кадров (только в режиме СНОСШ)

Таблица 10

Многочлены БЧХ для коротких FEC-кадров

Кодирование БЧХ входной битовой информационной последовательности m = (m_{K_{bch} - 1},m_{K_{bch} - 2},...m_{1},m_{0}) производят 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}} ;
• делят m(x)x^{N_{bch} - K_{bch}} с остатком на порождающий многочлен g(x); обозначим остаток через d(x):

d(x) = d_{N_{bch} - K_{bch} - 1}x^{N_{bch} - K_{bch} - 1} + d_{N_{bch} - K_{bch} - 2}x^{N_{bch} - K_{bch} - 2} + ... + d_{1}x + d_{0} ;

• выходное кодовое слово получается объединением информационных и проверочных бит:

c = (m_{K_{bch} - 1},m_{K_{bch} - 2},...m_{1},m_{0},d_{N_{bch} - K_{bch} - 1},d_{N_{bch} - K_{bch} - 2},...,d_{1},d_{0}) ; его представление в виде многочлена c(x) = m(x)x^{N_{bch} - K_{bch}} + d(x)

4.3.2 Требования к внутреннему кодированию

LDPC-кодер преобразует битовое сообщение i = (i_{0},i_{1},...,i_{k_{ldpc} - 1}) длины kldpc в кодовое слово c = (i_{0},i_{1},...,i_{k_{ldpc} - 1},p_{0},p_{1},...p_{n_{ldpc} - k_{ldpc} - 1}) длины nldpc. Длины блоков до и после кодирования (nldpc, kldpc) даны в таблицах 5, 6 и 7.

Проверочные биты (p_{0},p_{1},...p_{n_{ldpc} - k_{ldpc} - 1}) определяются одним из двух алгоритмов, описанных в приложении Е. При использовании кодовых скоростей 1/8, 1/2, 2/3 для коротких кадров применяется алгоритм Б, при прочих сочетаниях кодовой скорости и длины кадра — алгоритм А.

4.3.3 Требования к битовому перемежению

Битовое перемежение применяется только при выборе модуляционных созвездий 8PSK, 16APSK, 32APSK. Цель перемежения состоит в распределении по кадру битовых ошибок, вносимых за счет передачи по каналу (предполагается, что искажения имеют локальный характер в силу объединения нескольких подряд идущих битов в один символ), в результате снижается влияние квазицикличности матрицы используемого LDPC-кода. Согласно рисункам 6 и 7 входные биты записываются в столбцы таблицы строчно-столбцового перемежителя сверху вниз слева направо и затем читаются построчно слева направо (справа налево для 8PSK при скорости проверочного кода 3/5) сверху вниз.

Рисунок 6 — Схема битового перемежения для всех конфигураций модулятора, кроме 8PSK при скорости кодирования 3/5

Рисунок 7 — Схема битового перемежения для 8PSK при скорости кодирования 3/5

В таблице 11 даны параметры таблицы перемежителя для различных типов модуляции.

Таблица 11

Параметры таблицы перемежителя

4.4 Требования к отображению битов на созвездие (маппинг)

Блок производит разделение (мультиплексирование) битового потока FEC-кадров на несколько параллельных потоков, число которых равно битовой вместимости символа созвездия: \eta_{MOD} = 2(QPSK) , 3 (8PSK), 4 (16APSK), 5 (32APSK). Каждая группа параллельно следующих символов отображается на заданное созвездие, формируя таким образом на выходе маппера последовательность (I, Q)-точек комплексной плоскости длины. Созвездие \pi 2 - BPSK(\eta_{MOD} = 1) используется только при применении режима СНОСШ (см. раздел 1 приложения Ж).

Последовательность модуляционных символов, формируемых из битов одного помехозащищенного кадра, называется комплексным кадром (XFEC-кадром) и имеет длину 64800\eta_{MOD} в случае длинных кадров, 32400\eta_{MOD} в случае средних кадров и 16200\eta_{MOD} в случае коротких кадров.

Далее будут использоваться два эквивалентных представления комплексного числа: через синфазную и квадратурную составляющую (I, Q) и через модуль и фазу \rho exp(j\Phi) .

4.4.1 Отображение на созвездие \pi 2 - BPSK

Режим модуляции \pi 2 - BPSK применяется к символам заголовка комплексного кадра (см. 5.5.1). Режим применяется к информационным символам только в режиме СНОСШ (раздел 1 приложения Ж).

В режиме модуляции \pi 2 - BPSK (спектральная эффективность созвездия \eta_{MOD} = 1 ) применяется созвездие BPSK с чередующимися углами поворота и  для символов с четными и нечетными индексами соответственно (см. рисунок 8). Средняя нормированная энергия на символ \rho^{2} = 1 .

Биты y2i, y2i+1 отображаются в символы (I2i, Q2i), (I2i+1, Q2i+1), где i = 0, 1, ... N/2 — 1, а N — четно и означает число отображаемых битов по следующей формуле:

I_{2i} = Q_{2i} = \frac{1}{\sqrt{2}} (1 - 2y_{2i}) , i = 0,1,...N/2 — 1,

I_{2i + 1} = - Q_{2i + 1} = - \frac{1}{\sqrt{2}} (1 - 2y_{2i + 1}) , i = 0,1,...N/2 — 1.

Рисунок 8 — Отображение битов на созвездие \pi 2 - BPSK

4.4.2 Отображение на созвездие QPSK

В режиме QPSK применяется стандартное созвездие QPSK, размеченное с использованием кода Грея, в режиме абсолютного (недифференциального) отображения (см. рисунок 9). Средняя нормированная энергия на символ \rho^{2} = 1 .

Биты FEC-кадра с номерами 2i и 2i + 1 задают i-й символ XFEC-кадра, где i = 0, 1, 2, ...nldpc/2 — 1.

Рисунок 9 — Отображение битов на созвездие QPSK

4.4.3 Отображение на созвездие 8PSK

В режиме 8PSK применяется стандартное созвездие 8PSK, размеченное с использованием кода Грея, в режиме абсолютного (недифференциального) отображения (см. рисунок 10). Средняя нормированная энергия на символ \rho^{2} = 1 .

Биты кадра FEC-кадра с номерами 3i, 3i + 1 и 3i + 2 задают i-й символ XFEC-кадра, где i = 0, 1, 2, ... nldpc/3 — 1.

Рисунок 10 — Отображение битов на созвездие 8PSK

4.4.4 Отображение на созвездие 16APSK

Созвездие 16APSK представляет собой совокупность точек двух концентрических созвездий фазовой манипуляции с четырьмя и 12 символами, равномерно распределенными по окружностям меньшего радиуса R1 и большего радиуса R2 (см. рисунок 11). Отношение радиусов окружностей \nu = R_{2}R_{1} задается в соответствии с таблицей 12.

\gamma = R_{2}R_{1}

Рисунок 11 — Отображение битов на созвездие 16APSK

Таблица 12

Оптимальное соотношение \gamma радиусов окружностей созвездия 16APSK

Допускаются два способа нормирования амплитуд точек:

• E = 1 (где E — средняя энергия символа созвездия), равносильно R21 + 3R22 = 4;
• R2 = 1.

Биты кадра FEC-кадра с номерами 4i, 4i + 1, 4i + 2 и 4i + 3 задают i-й символ XFEC-кадра, где i = 0, 1, 2, ... nldpc/4 — 1.

4.4.5 Отображение на созвездие 32APSK

Созвездие 32APSK представляет собой совокупность точек трех концентрических созвездий фазовой манипуляции с четырьмя, 12 и 16 символами, равномерно распределенными по окружностям меньшего радиуса R1, среднего радиуса R2 и большего радиуса R3 (см. рисунок 12). Отношения радиусов окружностей \gamma_{1} = R_{2}R_{1} , \gamma_{2} = R_{3}R_{1} , задаются в соответствии с таблицей 13.

\gamma_{1} = R_{2}R_{1}

\gamma_{2} = R_{3}R_{1}

Рисунок 12 — Отображение битов на созвездие 32APSK

Таблица 13

Оптимальные соотношения \gamma_{1} и \gamma_{2} радиусов окружностей созвездия 32APSK

Допускаются два способа нормировки амплитуд точек:

• E = 1 (где E — средняя энергия символа созвездия), равносильно R21 + 3R22 + 4R23 = 8;
• R3 = 1.

Биты кадра FEC-кадра с номерами 5i, 5i + 1, 5i + 2, 5i + 3 и 5i + 4 задают i-й символ XFEC-кадра, где i = 0, 1, 2, ... nldpc/5 — 1.

4.5 Требования к формированию кадров физического уровня

В данном подразделе описывается работа формирователя кадров физического уровня вне режима СНОСШ. Описание работы в режиме СНОСШ дано в приложении Ж.

Подсистема формирования кадров физического уровня (PL-кадров) выполняет следующие задачи (см. рисунки 1 и 13):

• разбиение XFEC-кадров на целое число S слотов SLOT, имеющих равную длину M = 90 символов (значения S приведены в таблице 14);
• формирование заголовка кадра физического уровня PLHEADER и его вставка перед кадром XFECFRAME для передачи параметров приемнику; PLHEADER должен иметь длину одного слота M = 90 символов;
• вставка пилотных блоков (для режимов передачи с пилотами) между каждыми 16 информационными слотами для улучшения синхронизации; пилотный блок состоит из P = 36 пилотных символов;
• скремблирование модулированных комплексных символов с помощью рандомизатора физического уровня.

Таблица 14

Число слотов пользовательской информации и коэффициенты эффективности XFEC-кадра в режимах передачи без пилотов и с пилотами

Рисунок 13 — Структура кадра физического уровня PLFRAME

Входным потоком подсистемы является последовательность комплексных помехозащищенных кадров XFECFRAME, выходным — последовательность рандомизированных кадров физического уровня PLFRAME.

Эффективность XFEC-кадра \eta рассчитывается как отношение количества информационных символов к общему числу символов кадра

\eta = \frac{90S}{90(S + 1) + P[\frac{S - 1}{16}]} .

Расчет эффективности кадра в режимах без использования пилотов \eta_{\text{б}/\text{п}} и с использованием пилотов \eta_{\text{п}} для различных длин FEC-кадров nldpc и значения спектральной эффективности \eta_{MOD} созвездий модуляции приведены в таблице 15.

4.5.1 Сигнализация физического уровня

Сигнализация физического уровня состоит в добавлении в начало FEC-кадра заголовка физического уровня.

Заголовок физического уровня PLHEADER предназначен для синхронизации приемника с передатчиком и содержит данные о применении режима СНОСШ (см. приложение Ж), о длине и структуре текущего PL-кадра, типе модуляции и скорости кодирования XFEC-кадра, наличии или отсутствии пилотных символов.

Заголовок PLHEADER (90 комплексных символов) в битовом представлении (y0, y1, ... y89) состоит из двух полей:

• SOF (26 бит) обозначает начало кадра;
• PLS-код (64 бита) (код сигнализации физического уровня) представляет собой несистематический двоичный код длины 64, размерности 7 с минимальным кодовым расстоянием 32, равнозначный коду Рида-Маллера первого порядка с перестановкой, примененный к 7 битам входного слова, состоящего из полей MODCOD и TYPE:
• MODCOD (5 бит) фиксирует, используется ли СНОСШ, и определяет тип модуляции и скорость FEC-кодирования;
• TYPE (2 бита) определяет длину FEC-кадра (64 800 бит или 16 200 бит) и наличие/отсутствие пилотов.

Символьное представление заголовка (Ii, Qi) (i = 0, 1,... 89) связано с его представлением в виде двоичной последовательности (y0, y1, ... y89) через модуляцию по созвездию \pi 2 - BPSK .

4.5.1.1 Поле SOF

Поле SOF (начало кадра) заполняется последовательностью 10967C616 и используется для синхронизации.

4.5.1.2 Поле MODCOD

Поле MODCOD состоит из 5 бит. Вне режима СНОСШ поле MODCOD принимает значения от 110 до 2810 и определяет скорость кода (\eta_{C} = [14,13,25,12,35,23,34,45,56,89,910]) и тип модуляции (вместимость символа \eta_{MOD} = [2,3,4,5] ) согласно таблице 15. Значения поля MODCOD в режиме СНОСШ описаны в пункте 2.2.1 приложения Ж.

Таблица 15

Значения поля MODCOD

4.5.1.3 Поле TYPE

Вне режима СНОСШ первый бит поля TYPE определяет длину кадра FEC-кадра: 0 — длинный кадр (64 800 бит), 1 — короткий кадр (16 200 бит).

Второй бит поля TYPE определяет конфигурацию пилотов: 0 — пилоты не применяются, 1 — пилоты применяются.

4.5.1.4 PLS-код

К 7 битам полей MODCODE b1, b2, ... b5 и TYPE b6, b7 применяется код (64,7), который строится на основе кода (32,6), описанного ниже, по схеме, представленной на рисунке 14.

Рисунок 14 — Блок-схема формирования PLS-кода

Данный способ построения гарантирует, что каждый бит с нечетным индексом либо всегда равен предыдущему, либо всегда ему обратен. Выбор одного из двух случаев зависит от значения бита b7. Данная особенность может быть использована при применении когерентного детектирования.

5 бит поля MODCOD и первый бит поля TYPE линейно кодируются с помощью кода (32,6) со следующей порождающей матрицей:

.

Полученные 64 бита PLS-кода скремблируются побитовым сложением со следующей последовательностью: 0010010110111011001101010111111000001000011000101001111010001110.

4.5.2 Вставка пилотов

Возможны конфигурации кадра физического уровня с применением пилотов и без них.

В случае применения пилотов после каждого 16-го информационного слота кадра после PLHEADER вставляют блок пилотов, представляющий собой последовательность P = 36 немодулированных символов I = 1 \sqrt{2} , Q = 1 \sqrt{2} . Если последний пилотный блок располагается непосредственно перед SOF-полем следующего кадра, блок не передается.

4.5.3 Рандомизация физического уровня

Перед модуляцией каждый кадр физического уровня PLFRAME, за исключением его заголовков PLHEADER и VLSNR (в режиме СНОСШ), для распределения энергии рандомизируется: каждый элемент I + jQ умножается на соответствующий элемент комплексной рандомизирующей последовательности CI + jCQ, описанной ниже.

Примечание — Рандомизация сигнала не изменяет скорости следования битов, поэтому не влияет на ширину полосы сигнала. Период комплексной рандомизирующей последовательности гарантированно превышает максимальную длину кадра комплексных символов без заголовков, равную 33 984 символам, достигаемую в случае применения режима СНОСШ-1 (см. раздел 2 приложения Ж).

Рандомизирующая последовательность заново инициализируется после каждого PLHEADER. Длина кадра PLFRAME варьируется в зависимости от выбранного режима модуляции, поэтому рандомизирующая последовательность обрезается до длины текущего кадра. Данная последовательность формируется по описанному ниже алгоритму.

Вначале генерируются две двоичные последовательности максимальной длины (218 — 1), порожденные многочленами степени 18. Данные последовательности, далее обозначаемые через x и y, генерируются РСЛОС, заданными с помощью примитивных многочленов 1 + x7 + x18 и 1 + y5 + y7 + y10 + y18 над полем GF(2) соответственно, со следующими начальными условиями:

• x(0) = 1, x(1) = x(2) = ... = x(17) = 0;
• y(0) = y(1) = ... = y(17) = 1,

где через x(i) и y(i) обозначаются элементы с номерами i последовательностей x, y.

Далее на основе последовательности x и y формируется двоичная последовательность Голда с номером n, обозначаемая через zn, где n = 0, 1, 2, ..., 218 — 2, следующим образом:

z_{n}(i) = x((i + n)mod(2^{18} - 1))y(i) .

Полученная двоичная последовательность преобразуется в целочисленную действительную последовательность Rn, принимающую значения {0, 1, 2, 3}, по следующей формуле

Rn(i) = 2zn((i + 131 072),mod(218 — 1)) + zn(i).

Окончательно n-я комплексная рандомизирующая последовательность CI(i) + jCQ(i) определяется как

C_{I}(i) + jC_{Q}(i) = exp(jR_{n}(i) \frac{\pi}{2}) .

Параметр n задается равным 0.

Примечание - Номер рандомизирующей последовательности n может принимать значения от 0 до 262 142. Применение последовательностей с различными номерами позволяет снизить уровень интерференции между потоками передачи. С той же целью в различных каналах могут использовать сдвинутые копии одной и той же рандомизирующей последовательности.

Зависимость значений выходной рандомизированной последовательности (Iранд, Qранд) от входных значений (I, Q) и значений действительной целочисленной последовательности Rn отражена в таблице 16.

Таблица 16

Соотношение значений последовательности Rn и значений рандомизированной последовательности

Возможная реализация рандомизатора в виде блок-схемы представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 — Схема рандомизации физического уровня для n = 0

4.6 Требования к формированию полосы пропускания

Блок модуляции выполняет фильтрацию базовой полосы и полосовую модуляцию рандомизированного комплексного сигнала.

После рандомизации сигналы пропускаются через фильтр «корень приподнятого косинуса» (фильтр Найквиста). Коэффициент сглаживания \alpha может принимать значения {0,35; 0,25; 0,2} в зависимости от требований обслуживаемого сервиса: более крутой спад (\alpha = 0,25,\alpha = 0,2)) позволяет повысить пропускную способность системы, но может создать значительные нелинейные искажения при приеме со спутника при работе с одной несущей.

Фильтр Найквиста определяется АЧХ, теоретически равной

,

где f_{N} = \frac{1}{2T_{s}} = \frac{R_{s}}{2} частота Найквиста, \alpha — коэффициент сглаживания.

Шаблонный спектр сигнала представлен в приложении А.

4.7 Требования к мультиплексору физического уровня

Мультиплексор физического уровня выполняет сложение сигналов, не являющихся связанными, выполняя временны́е задержки и частотные смещения входных сигналов согласно параметрам частотно-временного плана.

4.8 Физическое устройство модуляции

Физическое устройство модуляции состоит из цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и квадратурного модулятора.

4.8.1 Требования к цифроаналоговому преобразователю

ЦАП выполняет преобразование комплексной огибающей сигнала от вида последовательности отчетов к виду аналогового сигнала.

4.8.2 Требования к квадратурной модуляции

Квадратурная модуляция может быть произведена умножением синфазной и квадратурной составляющих сигнала базовой полосы (после фильтрации) на cos(2\pi f_{0}t) и sin(2\pi f_{0}t) соответственно с их последующим сложением.

Приложение А (обязательное)

РАДИОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ

На рисунке А.1 приведен шаблон спектра сигнала на выходе модулятора, а также АЧХ возможной реализации фильтра Найквиста. На рисунке А.2 изображена относительная групповая задержка для аппаратной реализации фильтра Найквиста.

Рисунок А.1 — Шаблон полосы спектра сигнала на выходе модулятора для коэффициента сглаживания \alpha = 0,35 и АЧХ аппаратной реализации фильтра Найквиста

Рисунок А.2 — Шаблон групповой задержки фильтра Найквиста

Определение точек A - S рисунков А.1, А.2 дано в таблице А.1. Частотные характеристики фильтра строятся в предположении, что на вход подаются идеальные импульсы дельта-функции Дирака с интервалом, равным длине символа: Ts = 1/RS = 1/2fN, причем в случае П-образных сигналов должна производиться соответствующая sinc-коррекция.

Таблица А.1

Определение точек шаблонов, приведенных на рисунках А.1, А.2; fN — частота Найквиста

Приложение Б (обязательное)

КООРДИНАТЫ НЕНУЛЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАТРИЦЫ LDPC-КОДА ДЛЯ nldpc = 64 800

К длинным кадрам применяется алгоритм кодирования А. Проверочная матрица H имеет размер (nldpc — kldpc)·nldpc и состоит из двух частей

H = [H1H2],

где H1 — псевдослучайная компонента размера (nldpc — kldpc)·kldpc, описание которой дается ниже, а H2 — постоянная часть размера (nldpc — kldpc)·(nldpc — kldpc), имеющая вид аккумулятора: элементы на главной диагонали, а также непосредственно над главной диагональю равны 1, прочие элементы равны 0

Матрица H1 состоит из вертикально объединенных подматриц размера 360·kldpc. В строках приведенных ниже таблиц Б.1 - Б.12 даны координаты ненулевых элементов верхних строк каждой из подматриц. Строка с номером {}_{\zeta}(_{\zeta \in}{_{1,...,359}}) подматрицы получается с помощью циклического сдвига на \zeta позиций вправо верхней строки подматрицы. Нумерация строк и столбцов начинается с 0.

При наличии в записи горизонтальных разделителей строки между двумя разделителями должны считаться единой строкой таблицы, в противном случае строки таблицы определяются одной строкой в записи.

При наличии в записи вертикальных разделителей запись произведена в несколько колонок и строки, приведенные в колонках, считаются продолжением предыдущей части таблицы, причем колонки читаются слева направо.

Таблица Б.1

Скорость 2/9 (только в режиме СНОСШ)

Таблица Б.2

Скорость 1/4

Таблица Б.3

Скорость 1/3

Таблица Б.4

Скорость 2/5

Таблица Б.5

Скорость 1/2