В.3. Структура учебного пособия 2 страница
Рис.1.5. Внешнее перемежение данных
В одиннадцати ветвях включены регистры сдвига, содержащие разное количество ячеек (каждая ячейка хранит байт данных) и создающие увеличивающуюся от ветви к ветви задержку. Входной и выходной ключи синхронизированы. Интересно, что предложенная схема не нарушает периодичность и порядок следования байтов синхронизации. Первый же синхробайт направляется в ветвь с номером «0», которая не вносит задержки. После семнадцати циклов коммутации ключей через устройство пройдет 204 байта (12´17=204, что совпадает с длиной кодового слова, в которое превращается пакет данных после кодирования Рида-Соломона). Следовательно, следующий байт синхронизации опять пройдет через ветвь с нулевой задержкой.
Перемежение является временным перемешиванием байтов данных, в приемнике исходный порядок следования байтов данных восстанавливается. Полезным в перемежении является то, что длинные пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами в канале связи и искажающие последовательно идущие байты данных, в результате обратного перемежения в приемнике разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным кодовым словам кода Рида-Соломона. В каждое кодовое слово попадает лишь малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме проверочных данных.
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 (рис.1.5).
Синхронизация устройств прямого и обратного перемежения осуществляется путем направления первого же обнаруженного байта синхронизации через ветвь с номером «0».
1.3.3. Внутреннее кодирование.Внутреннее кодирование в системе 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 сверточном 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.
Как было уже сказано, 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.
В системе 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 X и Y формируются путем сложения по модулю двух сигналов, снятых с разных точек линии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров (рис.1.6,а).
Входные данные последовательно вводятся в регистр сдвига, а из выходных сигналов фильтров после преобразования в последовательную форму с вычеркиванием (рис.1.6,б). Таким образом 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 приходится два выходных).
В режимах с большей скоростью кодирования передается лишь часть генерируемых сигналов X и Y (передаваемые сигналы и их порядок приведены в таблице на рис.1.6,в). Например, при скорости 2/3 двум входным битам ставятся в соответствие и передаются в последовательной форме три выходных сигнала (X1, Y1, Y2), а X2 вычеркивается.
| Сверточное кодирование r=1/2 |
| Вход данных |
| Преобразование в последовательный код с вычеркиванием |
| Выход данных |
| r |
| Структура вычеркивания |
| Передаваемая последовательность |
| 12 |
| X:1 Y:1 |
| X1 Y1 |
| 34 |
| X:10 Y:11 |
| X1 Y1 Y2 |
| … |
| ……… |
| ……… |
| 78 |
| X:1000101 Y:1111010 |
| X1 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 |
| D |
| D |
| D |
| D |
| D |
| D |
| Вход данных |
| Выход X |
| Выход Y |
| а |
| б |
| в |
Рис.1.6. Внутреннее кодирование:
а – сверточное кодирование со скоростью r=1/2; б – кодирование с вычеркиванием;
в – таблица кодирования
При максимальной скорости внутреннего кода, равной 7/8, семи входным битам соответствуют восемь выходных (X1, Y1, Y2, Y3, Y4, X5, Y6, Y7).
| ГЛАВА 2. | МОДУЛЯЦИЯ В СИСТЕМЕ ЦИФРОВОГО ЭФИРНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ DVB-T |
1.1. Структурная схема кодера и декодера системы
1.2. Принципы построения системы DVB-T
1.2.1. Частотное уплотнение с ортогональными несущими OFDM
1.2.2. Защитный интервал
1.2.3. Оценка параметров
1.2.4. Иерархическая передача
1.2.5. Гибкость системы
1.3. Обработка данных и сигналов в системе DVB-T
1.3.1. Рандомизация
1.3.2. Внешнее кодирование и перемежение
1.3.3. Внутреннее кодирование
2.1. Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов
2.1.1. Демультиплексирование
2.1.2. Перемежение битов
2.1.3. Цифровой символ данных и символ OFDM
2.1.4. Перемежение цифровых символов данных
2.1.5. Формирование модуляционных символов
2.2. Перемежение и формирование модуляционных символов
при иерархической передаче
2.3. Модуляция OFDM и преобразование Фурье
2.4. Спектр радиосигнала OFDM
2.5. Многолучевой прием
2.6. Параметры системы DVB-T
2.1. Внутреннее перемежение
и формирование модуляционных символов
Внутреннее перемежение в системе DVB-T тесно связано с модуляцией несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные несущие колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он является основой принципов модуляции OFDM в системе DVB-T. Внутреннее перемежение складывается из перемежения битов и перемежения цифровых символов данных. Его первым этапом является демультиплексирование входного потока данных. Непосредственно за перемежением следует формирование модуляционных символов.
2.1.1. Демультиплексирование.Отдельные несущие могут модулироваться с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying) или квадратурной амплитудной модуляции (QAM – Quadrature Amplitude Modulation). Сигналы, модулирующие несущую (точнее, синфазное и квадратурное колебания), при таких способах модуляции, являются многоуровневыми, они описываются последовательностями многопозиционных символов, которые называются «модуляционными». В способе QPSK модулирующий сигнал представляет собой последовательность четырехпозиционных символов, выбираемых из алфавита с четырьмя двухразрядными двоичными словами (00, 01, 10, 11), которые определяют фазу модулированного колебания. Для формирования таких символов входной последовательный поток битов надо распределить, или демультиплексировать на два субпотока, в каждом из которых тактовая частота будет в два раза меньше, чем на входе (рис.2.1). Для 16-позиционной QAM 16-QAM надо формировать модуляционные символы в виде 4-разрядных двоичных слов, определяющих фазу и амплитуду модулированного колебания. В этом случае входной поток надо демультиплексировать соответственно на четыре субпотока. При использовании модуляции 64-QAM модуляционные символы представляют собой 6-разрядные слова, поэтому входной поток демультиплексируется на шесть субпотоков.
В системе 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 x и y формируются путем сложения по модулю двух сигналов, снятых с разных точек линии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров (рис.1.6). 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 приходится два выходных).
Входной поток данных демультиплексируется на v субпотоков (v=2 для QPSK, v=4 для 16-QAM, v=6 для 64-QAM). Поток битов x0, x1, x2, x3,… преобразуется в последовательность слов из v разрядов (рис.2.1).
| Демульти-плексирование |
| I0 |
| I1 |
| Переме-жение символов |
| x0, x1, … |
| b0,0, b0,1, … |
| b1,0, b1,1, … |
| a0,0, a0,1, … |
| a1,0, a1,1, … |
| Перемежение битов |
| Формирование модуляционных символов |
| Y0, Y1, … |
| Re(Ż) |
| Y0,0 |
| Y1,0 |
| Im(Ż) |
| QPSK |
| а) |
| Демульти-плексирование |
| I0 |
| I1 |
| Переме-жение символов |
| x0, x1, x2 … |
| b0,0, b0,1, … |
| b3,0, b3,1, … |
| a0,0, a0,1, … |
| a3,0, a3,1, … |
| Перемежение битов |
| Формирование модуляционных символов |
| Y0, Y1, … |
| Y0,0, Y2,0 |
| Y1,0, Y3,0 |
| Im(Ż) |
| 16-QAM |
| б) |
| I0 |
| I1 |
| b1,0, b1,1, … |
| b2,0, b2,1, … |
| a1,0, a1,1, … |
| a2,0, a2,1, … |
Рис.2.1. Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов:
а – QPSK; б – 16-QAM
При использовании QPSK два последовательно следующих бита x0 и x1 отображаются в слово, представленное в параллельной форме и состоящее из битов b0,0 и b1,0, биты x2 и x3 – в слово из битов b0,1 и b1,1 и т.д.
При модуляции 16-QAM выполняется следующая структура отображения последовательного потока входных битов в 4-х разрядные слова в параллельной форме: x0 - b0,0; x1 - b2,0; x2 - b1,0; x3 - b3,0 и т.д.
При использовании 64-QAM каждые шесть последовательно следующих битов отображаются в 6-ти разрядное слово аналогичным образом.
2.1.2. Перемежение битов.Перемежение битов представляет собой блочный процесс, то есть оно осуществляется в пределах фиксированной области данных. Перемежение битов выполняется в пределах последовательности из 126 битов субпотока (рис.2.1). Оно осуществляется только над полезными данными, причем в каждом субпотоке (их максимальное количество равно шести) перемежение соответствует своему правилу. В процессе перемежения в каждом субпотоке формируется входной битовый вектор B(e)=(be,0, be,1, …, be,125), преобразуемый в выходной A(e)=(ae,0, ae,1, …, ae,125), элементы которого определяются как ae,w=be,He(w) (здесь He(w) – функция перестановки битов, e=0, 1, …, v–1, w=0, 1, 2, …, 125). Функция перестановки определяется различным образом для устройства перемежения каждого субпотока. Например, для субпотока I0 H0(w)=w, перестановка фактически отсутствует, а для субпотока I1 перестановка выполняется в соответствии с функцией H1(w)=(w+63)mod126.
2.1.3. Цифровой символ данных и символ OFDM.Для образования цифрового символа данных выходы устройств перемежения субпотоков объединяются таким образом, что каждый символ из v битов (слово y'w, где w=0, 1, 2, …,125) включает в себя один бит с выхода каждого устройства, причем выход I0 дает старший бит: y'w=(a0,w, a1,w, …, av–1,w). В режиме 2k процесс битового перемежения повторяется 12 раз, в результате чего образуются пакет из 1512 цифровых символов данных (126´12=1512), называемый символом OFDM. Именно эти 1512 цифровых символов данных используются для модуляции 1512 несущих колебаний в интервале одного символа OFDM (длительность символа OFDM обозначается как TS). 12 групп по 126 слов, считываемых последовательно с выхода устройства битового перемежения, образуют вектор Y'=(y'0, y'1,…, y'1511). В режиме 8k процесс битового перемежения повторяется 48 раз, что дает 6048 цифровых символов данных (126´48=6048), используемых для модуляции 6048 несущих. Это дает вектор Y'=(y'0, y'1,…, y'6047).
2.1.4. Перемежение цифровых символов данных.Перед формированием модуляционных символов выполняется перемежение цифровых символов данных. Вектор на выходе устройства перемежения символов Y=(y0, y1, …, yNmax–1) формируется в соответствии с правилом: yH(q)=y'q для четных символов и yq=y'H(q) для нечетных (здесь q=0,…,Nmax–1, а Nmax=1512 или 6048). Функция H(q) называется функцией перестановки символов. Перестановка символов производится в пределах блока из 1512 (для 2k) или 6048 (для 8k) символов.
2.1.5. Формирование модуляционных символов.Цифровой символ данных Y состоит из v битов (как и Y'): Yq'=(Y0,q', Y1,q', …, Yv–1,q'), где q' – номер символа на выходе устройства символьного перемежения. Величины Y используются для формирования модуляционных символов в соответствии с используемым способом модуляции несущих. Модуляционные символы Ż являются комплексными, их вещественная и мнимая части отображаются битами Yu,q'. Соответствие между битами Yu,q' и модуляционными символами иллюстрируют диаграммы рис.2.2 (QPSK) и рис.2.3. (16-QAM).
| Im (Ż) Y1, q¢ |
| Порядок следования битов Y0,q¢ Y1,q¢ |
| Re (Ż) Y0, q¢ |
| -1 |
| -1 |
| QPSK |
Рис.2.2. Модуляция QPSK
(Yu,q¢ обозначает биты, соответствующие комплексному модуляционному символу Ż)
Отображение производится с использованием кода Грея, поэтому соседние по горизонтали и вертикали символы отличаются только в одном бите. Следовательно, если при демодуляции происходит ошибка из-за помех и за демодулированный символ принимается соседний (такие ошибки наиболее вероятны), то это приводит к ошибке только в одном бите. При обычном коде, такие же ошибки могут вызвать при демодуляции ошибки сразу в нескольких битах.
Модуляционные символы в системе DVB-T являются комплексными. Например, при использовании способа QPSK значениям Y0,q' =0 и Y1,q' =0 соответствует комплексное число Ż=1+j (правая верхняя точка верхней диаграммы на рис.2.2.).
Значения вещественной и мнимой частей этого комплексного модуляционного символа имеют вполне конкретный реальный смысл. Они означают, что амплитуды синфазной I и квадратурной Q компонент модулированного колебания равны 1. Иными словами, в процессе модуляции косинусоидальная (или синфазная) и синусоидальная (или квадратурная) составляющие складываются с одинаковыми единичными амплитудами.
Правая нижняя точка этой же диаграммы является отображением битов Y0,q' =0 и Y1,q' =1. Ей соответствует комплексный модуляционный символ Ż=1–j, что означает равенство единице каждой из амплитуд обеих составляющих, но фаза синфазной компоненты меняется на противоположную, то есть претерпевает сдвиг на 180°. Как известно, сумма косинусоидальной и синусоидальной функций с единичными амплитудами дает гармоническое косинусоидальное колебание с амплитудой, равной µ2 и начальной фазой 45° (это и соответствует вектору, проведенному из начала координат в верхнюю правую точку верхней диаграммы на рис.2.2). Правой нижней точке соответствует колебание с амплитудой µ2 и начальной фазой –45°.
| -1 |
| -1 |
| Im(Ż) Y1,q¢ Y3,q¢ |
| Порядок следования битов: Y0,q¢ Y1,q¢ Y2,q¢ Y3,q¢ |
| 16-QAM |
| Re(Ż) Y0,q¢ Y2,q¢ |
| -3 |
| -3 |
Рис.2.3. Однородная модуляция 16-QAM
Таким образом, при переходе от верхней правой точки к правой нижней амплитуда модулированного колебания не меняется, а фаза претерпевает сдвиг на 90°, что и поясняет смысл способа модуляции QPSK (квадратурная фазовая манипуляция).
При QAM меняется и модуль, и аргумент комплексного модуляционного символа и, соответственно, амплитуда и начальная фаза полученного при модуляции колебания. Например, при использовании однородной квадратурной модуляции 16-QAM комбинации битов Y0,q' =0, Y1,q' =0, Y2,q' =1, Y3,q' =0 соответствует точка диаграммы 0010 и комплексный модуляционный символ Ż=1+3j (синфазная косинусоидальная составляющая имеет амплитуду 1, а квадратурная синусоидальная – 3), что означает получение в процессе модуляции колебания с амплитудой µ10 и начальной фазой 60°. Точка диаграммы 0111, в которую отображается комбинация битов Y0,q' =0, Y1,q' =1, Y2,q' =1, Y3,q' =1, обозначает комплексный модуляционный символ Ż =1–j, что означает получение в процессе модуляции колебания с амплитудой µ2 и начальной фазой –45°.
Однако в процессе модуляции используются не сами модуляционные символы Ż, а их нормированные версии Ċ. Нормировка вводится для того, чтобы средние мощности колебаний с разными способами модуляции были бы одинаковы. Например, при использовании способа QPSK нормированный комплексный модуляционный символ определяется как Ċ= Ż/µ2, при однородной модуляции 16-QAM – Ċ= Ż/µ10, а при неоднородной модуляции 64-QAM (с параметром 4) – Ċ= Ż/µ108.
2.2. Перемежение и формирование модуляционных символов
при иерархической передаче
Описанные принципы перемежения и формирования модуляционных символов соответствуют неиерархической передаче данных, при которой используется однородная квадратурная модуляция (в этом случае расстояния между соседними точками на векторной диаграмме одинаковы на всей плоскости, что показывают диаграммы рис.2.2–2.3).
При иерархической передаче применяется неоднородная квадратурная модуляция. Особенности иерархической передачи (16-QAM) иллюстрируют диаграммы рис.2.4. Расположение точек векторной диаграммы зависит от параметра модуляции, обозначаемого в системе DVB-T буквой a. Этот параметр равен отношению расстояния между соседними точками в двух разных квадрантах к расстоянию между точками в одном квадранте. Стандарт DVB-T предусматривает три значения параметра. При использовании однородной модуляции параметр устанавливается равным 1, в случае неоднородной: a=2 или a=4.
При иерархической передаче на вход устройства внутреннего перемежения поступает два потока данных: высшего приоритета (x'0, x'1, x'2, x'3, …) и низшего (x"0, x"1, x"2, x"3, …). Поток высшего приоритета демультиплексируется всегда на два субпотока (x'0 - b0,0, x'1 - b1,0), а поток низшего приоритета – на (v–2) субпотоков (x"0 - b2,0, x"1 - b3,0 в случае 16-QAM, x"0 - b2,0, x"1 - b4,0, x"2 - b3,0, x"3 - b5,0 в случае 64-QAM).