Проектирование цифровых спутниковых систем связи и вещания. Учебное пособие для дипломного проектирования

21

фективность по сравнению с ФМ-2, поскольку в одном модуляционном символе передаются два бита информации.

Отображение (задание) М информационных бит М = 2Q возможными фазами сигнала можно сделать различными способами. Наилучшим заданием является такое, при котором соседние фазы сигналов соответствуют информационным двоичным блокам, различающимся в одном разряде. Такое отображение называется манипуляционным кодом Грея. Он важен при демодуляции сигнала, поскольку наиболее вероятные ошибки вызывают ошибочный выбор фазы, соседней по отношению к той, которая действительно передана. При М = 4 при наиболее распространенных фазовых ошибках на /2 использование такого кода приводит к ошибке только в одном двоичном символе, а в Q-битовой информационной последовательности (то есть в Q-битовом модуляционном символе) возникает ошибка только в одном бите. В результате достигается максимальная помехоустойчивость передачи.

Вшироко используемых в цифровых ССС двукратных (Q = 2) ФМ-4 (QPSK)

иОФМ-4 (DQPSK) модулирующий сигнал представляет собой последовательность символов, выбираемых из алфавита с четырьмя двухразрядными двоичны-

ми словами 00, 01,11,10, которые определяют эквивалентный сдвиг фазы (0, /2, , - /2) модулированного колебания. Для формирования таких символов входной поток битов демультиплексируют на два субпотока – синфазный и квадратурный, в каждом из которых тактовая частота будет в два раза меньше, чем на входе. Развитие современных систем связи и вещания связано с реализацией методов модуляции, эффективно использующих отведенную для передачи полосу час-

тот. К их числу относится многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция

(АФМ-М), часто называемая в последнее время квадратурной АМ (КАМ). Известно, что при использовании КАМ при М > 8 обмен мощности сигналов на полосу частот производится с меньшими энергетическими затратами, чем при использовании многопозиционной ФМ. При модуляции типа ФМ постоянная огибающая поддерживается за счет введения ограничений на комбинации уровней в квадратурных каналах. В системе с КАМ комбинации не ограничиваются, поскольку уровни в каждом канале выбираются независимо. В результате этого системы с КАМ в общем случае нельзя использовать с устройствами, которые могут входить в насыщение. Таким образом, высокая чувствительность к искажениям в тракте ретранслятора КС и мощном передатчике ЗС, а также трудности достижения высокого отношения несущая/шум на входе демодулятора приемной ЗС являются причинами достаточно редкого применения в ССС квадратурной АМ с высокой кратностью (М >>1).

Методы многостанционного доступа. Многостанционный доступ (МД)

в сетях VSAT обычно организуют на основе метода частотного разделения (МДЧР) в режиме закрепленных каналов между станциями с интенсивным трафиком или в режиме МДЧР с предоставлением каналов по требованию (МДЧРПКТ) для интерактивного трафика. В интерактивном режиме передачи информа-

22

ции станции сети VSAT осуществляют доступ к выделенным в стволе ретранслятора несущим на основе метода временного разделения (МДВР), в том числе по протоколу со случайным доступом типа Aloha или более эффективным разновидностям этого протокола: тактированная Aloha (S – Aloha) и Aloha с резервированием (R – Aloha) [1,16].

В сетях для передачи телефонии входящие каналы VSAT-ЦЗС организуют с частотным разделением типа «один канал на несущую» (МДЧР-ОКН) и экономичными скоростями передачи 16/24/32 кбит/с, предоставляемыми абонентам телефонной сети на все время соединения. Присвоение частотных каналов на посто-

янной основе РАМА (Permanently Assignment Multiple Access) целесообразно, ко-

гда сеть VSAT соединяет абонентов 24 часа в сутки (долговременный сервис) и может быть изменено в любое время посредством процедуры динамического переназначения. Присвоение частотных каналов по запросу DAMA (Demand Assignment Multiple Access) целесообразно, когда сеть VSAT функционирует как коммутируемая система или АТС, позволяющая учрежденческим ПЗС подключаться к ЦЗС. Возможны два варианта подключения, требующих исходящего и ответного входящего пакетов: полностью переменное соединение и соединение с переменной точкой назначения.

Иногда может применяться МД с кодовым разделением сигналов (МДКР), позволяющий наиболее эффективно решать проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) сетей VSAT с наземными и другими спутниковыми сетями, но уступающий МДВР и МДЧР по эффективности использования пропускной способности спутникового ретранслятора [16].

Входящие каналы с МДВР от ПЗС

n

.... .

f, МГц

Рис. 8. Организация МД в сетях VSAT со структурой «звезда»

Рассмотрим подробнее организацию МД в сетях типа «звезда» (рис.8). В таких сетях различают исходящие (ЦЗС-ПЗС) и входящие (ПЗС-ЦЗС) спутниковые каналы, которые образуются на основе МДЧР в выделенной для сети VSAT полосе частот ствола спутникового ретранслятора. В сетях VSAT с большим числом периферийных терминалов каждому исходящему каналу ЦЗС обычно соответствует несколько (0,1,2,…,n) входящих каналов (n < 32), используемых различными группами терминалов VSAT.

23

Структура входящих и исходящих каналов в каждом конкретном случае определяется на основе требований к сети связи, составу сети, видам и скорости передаваемой информации. В одной сети может быть организовано несколько исходящих и соответствующих им входящих каналов.

Исходящий канал ЦЗС-ПЗС организуется обычно как канал на отдельной несущей с временным разделением (ВР) и пакетированием передаваемой информации. Скорость передачи информации в исходящем канале определяется общим объемом радиального трафика от ЦЗС сети к группе обслуживаемых периферийных терминалов VSAT. Типовые скорости передачи информации в исходящих

оналах действующих сетей VSAT 256…2048 кбит/с, метод модуляции — ФМ-2 или ФМ-4. ЦЗС передает информацию в исходящем канале в виде непрерывного сигнала с регулярной кадровой структурой, называемой фреймом (frame) или кадром. Она состоит из временной последовательности информационных пакетов, повторяющих классическую структуру пакетов систем с ВР (рис. 9): 1) флаг начала пакета (преамбула), 2) заголовок пакета, 3) блок данных (полезная информация), 4) проверочная последовательность (корректирующий код для исправления ошибок), 5) флаг окончания пакета (постамбула).

Рис. 9. Структура исходящего кадра от ЦЗС

Границы кадра обозначаются уникальным словом (UW) и блоком служебной информации, которые используются для сетевой кадровой синхронизации пакетов, передаваемых терминалами VSAT во входящих каналах VSAT-ЦЗС, и для управления терминалами VSAT по протоколам S, R-Aloha. Совокупность передаваемых в исходящем канале ЦЗС пакетов предназначена (адресуется) группе периферийных терминалов VSAT.

Каждый терминал VSAT по коду адресного поля в заголовке пакетов принимает только адресованные этому терминалу пакеты из переданной последовательности. Другие пакеты пропускаются (игнорируются). Существуют три стандартных длительности фрейма для сетей VSAT: 10, 15 и 20 мс, причем кадр длительностью 10 или 20 мс предназначен для европейского стандарта СЕРТ и

оннока Е1 (2048 кбит/с), а длительностью 15 мс – для североамериканского стандарта DS1 потока Т1 (1544 кбит/с). В каждом из ответных входящих каналов ПЗС-ЦЗС, передаваемых на отдельных несущих, организуется МДВР группы терминалов VSAT с передачей информации пакетами со следующей структурой: 1) преамбула, 2) заголовок, 3) информационный блок, 4) проверочная последовательность, 5) постамбула.

Пакеты разных станций VSAT располагаются на временных интервалах в пределах общего временного кадра. Типовые скорости передачи пакетированной информации во входящих каналах 32…2048 кбит/с, манипуляция – ФМ-2 / ФМ-4 (BPSK/QPSK). Терминалы ПЗС ведут передачу пакета управляющей информации

24

последовательно – по принципу «хоровода»: станция 0, станция 1, станция 2 и т.д. Когда все ПЗС передали свою управляющую информацию, то в последнем фрейме передается информация для тестирования оборудования на предмет готовности к работе. Множество фреймов идентичной структуры, следующие один за другим, формируют суперфрейм. Между фреймами суперфрейма организуются защитные временные промежутки, позволяющие избежать перекрытия пакетов.

3.2. Элементы технологии цифрового радиовещания

Важнейшим условием повышения качества и расширения объемов звукового вещания (ЗВ) в России является решение проблемы доведения вещательных программ до потребителя без заметной потери качества. Решить проблему полного охвата страны традиционными методами развития наземных средств вещания и каналов подачи программ нереально - потребуются десятки лет и огромные средства. Наземные средства вещания никогда не обеспечат охват всей территории,

вто время как для радиовещания это является обязательным условием [12].

Всоответствии с европейским стандартом, задача перспективного развития ЗВ решается путем создания новой системы вещания, спроектированной таким образом, чтобы удовлетворить высоким требованиям слушателей к качеству звучания программ при различных условиях приема. Этим качествам отвечает цифровое радиовещание (ЦРВ) – новая информационная технология, в основе которой представление и передача звукового вещательного сигнала в цифровой форме во всех звеньях вещательного тракта – от студии до мобильного приемника.

Системы вещания на базе спутниковых средств позволяют в короткие сроки охватить большие территории. Однако, эксплуатируемые в ряде стран (Япония, Германия, Франция, США) спутниковые системы непосредственного радиовещания в диапазоне 12 ГГц, рассчитаны на применение стационарных антенн индивидуального или коллективного пользования. Попытка использовать подобные системы вещания для приема в движущемся транспорте, оборудованном низкоэффективными антеннами, приводит к необходимости чрезмерного (до десятков кВт) увеличения мощности ретранслятора. Поэтому спутниковая система должна сочетаться с отдельными зонами наземного ЦРВ, обеспечивающего вещание в крупных городах, в северных регионах и районах с горным ландшафтом. Речь идет о комбинированных (наземно-спутниковых) системах цифрового вещания

[12], когда сочетается стационарный прием сигнала от ретранслятора ИСЗ, расположенного на ГО, и мобильный прием от наземных ретрансляторов.

Объектом внимания в настоящем пособии являются спутниковый сегмент комбинированной системы ЦРВ и (или) система непосредственного цифрового радиовещания (НЦРВ). При проектировании таких систем можно использовать системные параметры сети передачи данных на основе технологии VSAT, уточнив лишь ряд специфических характеристик.

Как отмечалось, размеры и форма (контур) зоны обслуживания определяются параметрами диаграммы направленности передающей антенны ИСЗ. Обычно известен набор контуров – зон обслуживания, соответствующих постоянному

25

уменьшению усиления передающей антенны бортового ретранслятора на -2, - 4 дБ и т.д. относительно максимума в ―точке прицеливания‖ оси ДН. Для обеспечения надлежащего качества услуги в пределах заданной зоны обслуживания осуществляется энергетический расчет линии спутник – Земля по направлениям, соединяющим ИСЗ с различными точками земной поверхности – в привязке к конкретным географическим координатам зоны обслуживания и долготой точки стояния геостационарного спутника. Если в системе НЦРВ используются спутники на эллиптических орбитах или круговых, отличных от ГО, то энергетический расчет должен проводиться с учетом их траектории и радиовидимости.

При проектировании сети НЦРВ зона обслуживания может формироваться как одной антенной с глобальным охватом, так и множеством парциальных лучей,

создаваемых многолучевой антенной системой ИСЗ (рис. 10).

Каждый такой луч способен создать зону обслуживания – гиперсоту, близкую к круговой с диаметром, определяемым шириной ДН антенны и используемой частотой вещания. Однако все ныне известные системы НЦРВ обслуживают, как правило, значительные территории, соизмеримые с размерами континентов. Свежим примером может служить антенная система ИСЗ AsiaStar системы World Space ([12]).

Рис. 10. Принцип использования многолучевой антенной системы ИСЗ

Выбор рабочих частот. Возможность передачи радиовещательных программ через ИСЗ обсуждается более четверти века. Цель исследований заключалась в том, чтобы выбрать полосу частот, в которой можно было бы обеспечить эффективную передачу звуковых программ как по земным, так и по спутниковым цифровым сетям, что позволит охватить вещанием отдаленные области не хуже, чем плотно населенные регионы. Исследователи полагают, что передача сигналов ЦРВ в полосах, используемых ныне службами АМ и ЧМ вещания, практически невозможна. Не только потому, что эти полосы уже переполнены, но они еще и имеют массу проблем с интерференцией. Кроме того, эти полосы непрактичны для спутниковых передач – приемные антенны должны были бы быть огромными. Именно поэтому основное внимание было сосредоточено на L-полосе (1…2 ГГц).

26

Как отмечалось выше, нижняя граница рабочей частоты для спутникового сегмента системы ЦРВ и системы НЦРВ, главным образом, определяется ограниченными размерами передающей антенны ИСЗ, причем уменьшение рабочей частоты влечет за собой пропорциональное увеличение размеров антенны. В табл.3 показана зависимость диаметра антенны от частоты для зон действия ИСЗ, выраженных в значениях ширины ДН антенны и размерах обслуживаемой территории

вЕвропе.

Та б л и ц а 3. Ширина ДН, зона действия и диаметр антенны ИСЗ

Разработка антенн диаметром до 20 метров является перспективной и может рассматриваться как предел существующим технологическим возможностям. С этой точки зрения при использовании частот ниже 1 ГГц невозможно существование малых национальных зон обслуживания. Верхний предел определяется главным образом величиной мощности ИСЗ.

Всемирная радиоконференция WARC-92 объявила L-полосу (1452-1492 МГц) единственным участком спектра радиочастот для ведения цифровых радиопередач на всемирной основе. Кроме того, были выделены S-полосы (23102360 МГц) для США и Индии и (2635-2655 МГц) для некоторых других стран, включая Россию.

Способы кодирования источника. Классическим способом повышения эффективности систем передачи информации является кодирование информации. Наряду с кодированием канала кодирование источника позволяет более экономно использовать ресурсы системы связи. При передаче речи (т.е. аудиоданных) по цифровым каналам связи самый важный вопрос – это сколько информации придется передавать по каналам, чтобы снабдить пользователя качественной голосовой связью. Ответ на этот вопрос в каком-то смысле определяет все – стоимость и качество предоставляемых пользователям услуг и аппаратуры, емкость сети и многое другое.

Речь представляет собой колебания сложной формы, зависящей от произносимых слов, тембра голоса, интонации, пола и возраста говорящего. Спектр речи весьма широк (примерно от 50 до 10000 Гц), но для еѐ передачи в аналоговой телефонии в свое время отказались от составляющих, лежащих вне полосы 0,3-3,4 кГц, что ухудшило восприятие ряда звуков (например, шипящих), но мало затронуло разборчивость. Сжатие речи при ее передаче сокращает объем передаваемых данных, затраты и, благодаря этому, позволяет снижать цены на ус-

27

луги. Именно поэтому рынок цифровой телефонии развивается под непосредственным технологическим диктатом разработчиков кодеков речи. Благодаря высокоэффективным разработкам последних лет, расценки на цифровую связь стали конкурировать с проводной аналоговой, а ожидаемый переход к кодекам речи на скорости порядка 2,4 кбит/с и ниже значительно увеличит доступность цифровой связи.

Исторически сложились два направления кодирования речи: кодирование формы сигнала и кодирование источника сигнала. Первый метод основан на использовании статистических характеристик речевого сигнала и практически не зависит от механизма его формирования. Кодеры этого типа обеспечивают высокое качество передачи речи, но отличаются меньшей по сравнению со вторым методом экономичностью, что является результатом достаточно высокого уровня не устраненной избыточности. Следствие этого – скорость цифрового потока редко бывает меньше 32 кбит/с. Поэтому для кодирования речи со скоростью передачи 16 кбит/с и меньше – прежде всего для цифровых систем сотовой и персональной спутниковой связи - получили мощное развитие разнообразные методы кодирования источника [12].

Кодеки формы сигнала представлены в настоящее время логарифмической ИКМ (LogИКМ) и адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), а кодирова-

ние источника (иначе – параметрическое кодирование речи) реализуется с по-

мощью следующих известных алгоритмов: CELP – линейное предсказание с кодовым возбуждением; MBE – многополосное возбуждение; LTP – долговременное предсказание; MELP – линейное предсказание со смешанным возбуждением; MP-MLQ – многоимпульсное возбуждение с вероятностным квантованием; RPE – возбуждение регулярной последовательностью импульсов; VSELP – линейное предсказание с возбуждением векторной суммой.

Основные критерии оценки различных методов кодирования связаны с восприятием речи человеком, т.е. со средними субъективными оценками по пятибалльной шкале MOS (Mean opinion score). В табл. 4 представлена сводная информация о наиболее распространенных способах кодирования речи.

Т а б л и ц а 4. Характеристики наиболее распространенных кодеков речи

28

Коснемся далее вопросов компактного представления широкополосного звукового (вещательного) сигнала (ЗВС). В результате цифрового (обычно ИКМ) преобразования ЗВС формируется цифровой поток со скоростью передачи

(12)

где: fд – частота дискретизации, m – число разрядов в кодовом слове. Для каналов CD-качества с полосой 20 кГц выбирают fд = 48 кГц, а в цифровых каналах передачи обычно используют fд = 32 кГц. В результате субъективно-статистических испытаний установлено, что для цифровой передачи ЗВС с сохранением студийного качества и при линейном законе квантования должно быть использовано 16разрядное (m = 16) кодирование. Скорость такой передачи Rзв оказывается весьма высокой – 1536 кбит/с на одну стереопрограмму

При цифровой передаче ЗВС в прошлом применялось нелинейное квантова-

ние, реализуемое путем мгновенного или почти мгновенного компандирования

[13]. Ситуацию существенно изменило появление новых технологий, известных как «сжатие цифровых данных». Целью сжатия (компактного представления)

ЗВС является снижение скорости цифрового потока на выходе кодера источника с коэффициентом сжатия Kсж – до предельно возможной величины, при которой шумы и искажения остаются еще незаметными на слух даже для высококвалифицированных экспертов. Это используют либо для повышения пропускной способности системы в заданной полосе частот, либо для уменьшения полосы частот, необходимой для передачи заданного объема звуковой информации.

Вновых разработках используются высокоэффективные кодеки источника,

вчастности, система MUSICAM (MPEG 1 Layer II) и MP3 (MPEG 1 Layer III),

обеспечивающие Kсж > 10 при сохранении субъективно высокого качества звукопередачи. При этом алгоритмы компактного представления широкополосного ЗВС принципиально отличаются от алгоритмов высокоэффективного кодирования речи. Диапазон изменения скорости цифрового потока на стереоканал в системах ЦЗВ, использующих эти методы кодирования, указан в табл. 5.

Та б л и ц а 5. Параметры кодирования источника из расчета на одну стереопрограмму

Перспективы компактного представления связывают с алгоритмами коди-

рования источника MPEG-4 AAC (Advanced Audio Coding) и MPEG-4 CELP,

29

включающими средства повышения помехоустойчивости: первый – для универсального моно и стерео звукового радиовещания с цифровой скоростью 20 кбит/сек, а второй – для монофонического информационного радиовещания.

Значения скорости цифрового потока, определяемые по формуле (12), являются минимальными при линейном квантовании. Они не учитывают результаты компактного представления сигнала и не обеспечивают функционирования аппаратуры как системы связи. Поэтому в суммарный цифровой поток необходим ввод дополнительных сигналов цикловой синхронизации, контроля и управления, сопряжения с линиями связи и помехоустойчивого кодирования. В общем случае применения кодера источника, обеспечивающего сжатие аудиоданных в Kсж раз, и корректирующего кода со скоростью R скорость цифрового потока аудиоданных из расчета на передачу соответственно одной и N программ ЗВ составляет:

Помехоустойчивое кодирование. Так как каналы и тракты спутниковых линий входят в национальные и международные сети связи общего пользования, к их качественным показателям предъявляются весьма жесткие требования. Поэтому при передаче цифровых сигналов в ССС применяют помехоустойчивое (ка-

нальное) кодирование с исправлением ошибок (FEC coding), предполагающее вве-

дение в цифровой канал определенной избыточности, которая реализуется путем добавления по определенному алгоритму в каждое кодовое слово (или кодовый блок) некоторого количества поверочных символов. Положительным эффектом помехоустойчивого кодирования является либо снижение вероятности ошибки, либо снижение энергетики передачи при той же вероятности ошибки, либо и то, и другое одновременно. Таким образом, кодирование расширяет возможности компромисса между полосой и энергетикой канала, присущего любой системе связи.

Выбор того или иного корректирующего кода и его параметров зависит от конкретных условий решаемой задачи: требуемой достоверности приема, допустимой скорости передачи, вида ошибок (статистики помех) в канале. Известно большое число кодов, различных по структуре, принципам построения и корректирующей способности. В цифровых системах широко используют двоичные коды, так как их структура и реализация кодеков наиболее просты [2,6,11-14].

Для обнаружения и исправления ошибок применяют либо блоковые корректирующие (n,k)-коды, либо сверточные (СК). Определяющее различие между кодерами для кодов этих двух типов состоит в наличии или отсутствии памяти.

При использовании блоковых кодов информационная последовательность разбивается на блоки из k символов; каждому блоку ставится в соответствие кодовая комбинация из n символов (n > k), которая передается по каналу связи; добавленные r = n – k символов называются проверочными; код характеризуется

кодовой скоростью R = k/n и минимальным кодовым расстоянием d = 2t + 1,

показывающим максимальное количество ошибок t в кодовой комбинации, которое он может исправить. Наиболее распространены блоковые коды БЧХ и РС. На практике значения k достигают нескольких сотен, а R = 1/3…7/8.

30

Увеличение исправляющей способности блоковых кодов достигается увеличением длины блока, что ведет к повышению сложности реализации кодека. При t > 3 – 5 эффективность блоковых кодов заметно снижается, то есть существенно возрастает требуемая при этом избыточность. Потому в современных системах связи и вещания, как правило, используются более эффективные сверточные коды, в которых обрабатывается непрерывная последовательность символов.

СК – это линейный рекуррентный код. В каждый тактовый момент времени на вход кодирующего устройства СК поступает m символов сообщения; n выходных символов формируются с помощью рекуррентного соотношения из K = m + q символов сообщения, среди которых m поступили в данный тактовый момент времени, а q – в предшествующие. Символы сообщения, из которых формируются выходные символы, хранятся в памяти кодера. Параметр K называют длиной кодового ограничения данного кода. Он играет ту же роль, что и длина блокового кода. СК характеризуются также кодовой скоростью R = m / n и свободным рас-

стоянием dсв, аналогичным параметру d блочных кодов. Типичные значения параметров сверточных кодов: m,n = 1 – 8, R = 1/2 – 7/8, K = 3 -10 и более.

Применение канального кодирования позволяет не только повысить достоверность передаваемой информации, но и получить энергетический выигрыш кодирования (ЭВК) hэвк, на величину которого может быть уменьшена мощность передатчика. Величина выигрыша зависит от вида корректирующего кода, скорости кода R и алгоритма декодирования. В ССС обычно применяют короткие сверточные коды с K < 10 (типичное значение K = 7) и кодовыми скоростями R, выбираемыми из ряда 1/2, 2/3, 3/4 и 7/8. Для таких кодов разработаны близкие к оптимальным вероятностные методы декодирования (в том числе алгоритм максимального правдоподобия Витерби). При этом ЭВК достигает 5…6 дБ при R = 1/2

икоэффициенте ошибок на выходе декодера Кош = 10-6.

Вразработках цифровых систем передачи, осуществленных в последнее десятилетие, просматривается тенденция к существенному усложнению канальных кодеков, что стало возможным благодаря появлению высокоэффективной элементной базы (сигнальных процессоров, специализированных СБИС, ПЛИС и др). В результате внедряются каскадные коды (например, РС + СК), турбокоды, сигнально-кодовые конструкции (СКК), позволяющие существенно повысить одновременно и энергетическую и частотную эффективность цифровой системы пе-

редачи [2,14].

Наиболее плодотворным в этом направлении является способ построения СКК на основе обобщѐнного каскадного кодирования. В этом случае внешние по-

мехоустойчивые коды согласуются с внутренними кодами, в качестве которых используются вложенные подансамбли сигналов. Такая технология, которую час-

то называют модуляцией с решетчатым кодированием или ТСМ (Trellis-Coded Modulation), объединяет кодирование и модуляцию в единое целое, обеспечивая энергетический выигрыш от 3 до 6-8 дБ.

Наиболее высокая исправляющая способность по отношению к одиночным и пакетированным ошибкам достигается при использова он каскадного кодирова-