литература / Лекция 4 СиТЦТРВ

Внешнее перемежение

На выходе декодера Витерби ошибки имею тенденцию к группированию в пакеты, обычно оказывая влияние более чем на один байт. Поэтому для облегчения работы в состав каскадного кодека вводят устройство перемежения/деперемежения структуры передаваемых данных.

Перемежение - это метод безызбыточной перестановки символов (или байтов символов) передаваемого сигнала с целью их декоррелирования для преобразования на приеме возможных пакетов ошибок в группы независимых случайных ошибок. Как известно, эффективное перемежение позволяет свести канал с замираниями к каналу с одиночными независимыми ошибками.

В результате внешнего перемежения на передающей стороне системы происходит временное перемешивание байтов данных, в приемнике в результате обратного перемежения, т.е. деперемежения, исходный порядок следования байтов данных восстанавливается, а длинные пакеты ошибок разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным блокам кода RS. В каждый такой блок попадает лишь малая часть пакета ошибок, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно, небольшом объеме проверочных данных.

Внешнее перемежение осуществляется последовательным циклическим подключением источника и получателя данных к 12 ветвям, причем за одно подключение в ветвь вводится (в передатчике) или выводится (в приемнике) 1 байт данных. В одиннадцати ветвях включены регистры сдвига, содержащие разное количество ячеек памяти.

Ячейки регистров сдвига имеют емкость в 1 байт, а, входной и выходной переключатели синхронизированы. Ветвь с индексом 0 вносит нулевую задержку, с индексом 1 - задержку длительностью 17 байтов, с индексом 2 - длительностью 34 байта, и т. д. Задержка в старшей ветви с индексом 11 равна 17х11 = 187 байтов. После 12 циклов коммутации ключей через устройство пройдет 17х12 = 204 байтов, что соответствует длине пакета, на выходе кодера Рида-Соломона (см. рис. 3.5).

Структурная схема устройства внешнего перемежения данных с памятью внешнего кода Рида-Соломона RS

Синхронизация устройств прямого и обратного перемежения осуществляется путем направления первого же обнаруженного байта синхронизации через ветвь с номером 0.

Внутреннее кодирование

Для внутреннего кодирования используют сверточный код (СК) с декодированием по алгоритму Витерби с мягким решением демодулятора. Сверточный кодек исправляет ошибки на уровне физической передачи модулированного сигнала, поэтому его часто называют модуляционным кодеком.

Внутреннее кодирование в стандарте вещания DVB-T основано на сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым в процессе кодирования добавляется некоторое количество проверочных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других.

При свёрточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но гораздо меньшей длины, их называют «кадрами информационных символов». Обычно кадр включает в себя лишь несколько битов. К каждому информационному кадру также добавляются проверочные символы, в результате чего образуются кадры кодового слова, но кодирование каждого кадра производится с учетом предыдущих информационных кадров. Для этого в кодере всегда хранится некоторое количество кадров информационных символов, доступных для кодирования очередного кадра кодового слова (количество информационных символов, используемых в процессе сверточного кодирования, часто называют «длиной кодового ограничения»). Формирование кадра кодового слова сопровождается вводом следующего кадра информационных символов. Таким образом, процесс кодирования связывает между собой последовательные кадры.

Число информационных символов, поступающих за один такт на вход кодера — k.

Число символов на выходе кодера — n, соответствующих k, поступившим на вход символам в течение такта.

Скорость кода определяется отношением R=k/n и характеризует избыточность, вводимую при кодировании.

Скорость внутреннего кода, или отношение числа символов в информационном кадре к общему числу символов, передаваемых в одном кодовом кадре, может изменяться в соответствии с условиями передачи данных в канале связи и требованиями к скорости передачи данных. Чем выше скорость кода, тем меньше его избыточность и тем меньше его способность исправлять ошибки в канале связи.

Использование оценки состояния канала и информации для мягкого решения, полученной в демодуляторе, позволяет значительно улучшить характеристики передачи. В стандартах DVВ-Т/Н для получения информации о состоянии канала передаются специальные опорные несущие (пилот-сигналы).

В стандарте DVВ-Т2 при каскадном кодировании используется внешний код БЧХ (ВСН) с высокой относительной скоростью и внутренний код с низкой плотностью проверок на четность LDРС (Low Dentity Check Code). Последний имеет лучшую корректирующую способность по сравнению с кодом Рида-Соломона.

В стандарте DVB-T внутреннее кодирование с изменяемой скоростью строится с использованием базового кодирования со скоростью 1/2. Основу базового кодера представляют собой два цифровых фильтра с конечной импульсной характеристикой, выходные сигналы которых Х и Y формируются путем сложения по модулю 2 двух сигналов, снятых с разных точек линии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров.

Входные данные последовательно вводятся в регистр сдвига, а из выходных сигналов фильтров после преобразования в последовательную форму создается цифровой поток, в котором биты следуют друг за другом в два раза чаще, чем на входе (скорость такого кода равна 1/2, так как на каждый входной бит приходятся два выходных).

В режимах с большей скоростью кодирования передается лишь часть генерируемых сигналов Х и Y (передаваемые сигналы и их порядок приведены в таблице рис. 8.28). Например, при скорости 2/3 двум входным битам ставятся в соответствие и передаются в последовательной форме три выходных сигнала (Х1, Y1, Y2), а Х2 вычеркивается. При максимальной скорости внутреннего кода, равной 7/8, семи входным битам соответствуют восемь выходных (Х1, Y1, Y2, Y3, Y4, Х5, Y6, Х7).

8.28 Схема внутреннего кодирования

а – структурная схема устройства сверточного кодирования со скоростью r=1/2; б – кодирование с вычеркиванием; в – таблица кодирования.

Так, если при отношении сигнал/помеха, по мощности равном 3 дБ, вероятность ошибки на входе декодера СК составляет 10^-1...10^-2, то на выходе этого декодера она, как правило, не превышает VBER=2*10^-4. В то же время работа системы внешнего кодирования с RS-кодом доводит частоту ошибок на входе демультиплексора кодека источника до значения СВЕR=10^-11, что соответствует практически безошибочной работе (ошибка появляется не чаще одного раза в час) (рис. 1.17).

Внутренне перемежение

Внутреннее перемежение в стандарте DVВ-Т тесно связано с модуляцией поднесущих ОFDМ-модема (рис. 1.20). Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные поднесущие.

1.20 Структурная схема устройства внутреннего кодирования/перемежения

При этом глубина частотного перемежения определяется полосой частот, подверженных селективному замиранию, т. е. интервалом корреляции частотно-селективных замираний в канале распространения радиоволн. В результате улучшаются характеристики системы в тех случаях, когда канал подвергается частотно-селективному замиранию.

Это довольно сложный процесс, но именно он является основой принципов модуляции ОFDМ в стандарте DVВ-Т. Внутреннее перемежение складывается из перемежения битов и цифровых символов данных. Его первым этапом является демультиплексирование входного потока данных. Непосредственно за перемежением следует формирование модуляционных символов.

Прямое и обратное перемежения могут выполняться с помощью практически одинаковых схем, но только порядок изменения задержки в ветвях схемы обратного перемежения в приемном устройстве должен быть изменен на противоположный.

1.19 Частотное и временное перемежение для системы с OFDM-модемом

Как видно из рис. 1.19, при наличии нескольких несущих в системе передачи можно разнести элементы цифрового потока во времени и по частоте так, чтобы прием осуществлялся в условиях независимых замираний. Однако при временном перемежении возникает временная задержка при декодировании. Поэтому для выбора глубины перемежения - максимального расстояния, на которое разносятся соседние символы, требуется тщательный анализ.

Кодирование обязательно связано с введением в поток данных некоторой избыточности и соответственно с уменьшением скорости передачи полезных данных, поэтому наращивание мощности кодирования за счет увеличения объема проверочных данных не всегда соответствует требованиям практики. Для увеличения эффективности кодирования, без снижения скорости кода, применяется перемежение данных. Кодирование позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, а перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

5