ГОСТ Р 54309-2011 Аудиовизуальная информационная система реального времени (РАВИС). Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ диапазоне. Технические условия

ГОСТ Р 54309-2011

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АУДИОВИЗУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ (РАВИС)

Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ диапазоне

Технические условия

Realtime audiovisual information system (RAVIS). Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial narrowband broadcasting system for VHF band. Specifications

ОКС 33.170

Дата введения 2012-09-01

Предисловие

1 Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Главный радиочастотный центр" (ФГУП "ГРЧЦ")

2 ВНЕСЕН Федеральной службой по надзору в сфере связи "Роскомнадзор"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 февраля 2011 г. N 22-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Май 2020 г.

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на систему передачи РАВИС для цифрового наземного узкополосного вещания в ОВЧ диапазоне частот. Система РАВИС позволяет осуществлять информационное звуковое стереовещание и видеовещание как в случае стационарного приема, так и при расположении приемника в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и густых лесных массивах. Данная система может быть использована вещателями, силовыми ведомствами, банковскими структурами, организациями городского и междугороднего транспорта. Система РАВИС обеспечивает передачу цифрового информационного потока в узкополосном канале с шириной полосы 100; 200 или 250 кГц.

Настоящий стандарт устанавливает:

- основные принципы построения системы для цифрового наземного узкополосного вещания;

- процессы формирования кадровой структуры, методов канального кодирования, мультиплексирования и модуляции системы.

2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1 блок перемежения (time interleaving block): Множество ячеек, в которых выполняется перемежение.

2.2 блок помехозащищенных данных (FEC block): Множество из ячеек OFDM, передающих все биты одного или нескольких помехозащищенных кадров данных.

2.3 защитный интервал (guard interval): интервал, вводимый между двумя последовательными OFDM-символами, предназначенный для защиты полезной части сигнала от искажений, связанных с эфирным многолучевым распространением.

2.4 кадр OFDM (OFDM frame): Совокупность символов OFDM, с начала кадра возможно декодирование передаваемых данных.

2.5 кадр данных (data frame): Множество из бит, формирующее вход одного процесса канального кодирования (кодирование БЧХ и LDPC).

2.6 пик-фактор сигнала (PAPR, peak-to-average power ratio): Отношение пиковой амплитуды сигнала к его среднеквадратичному значению.

2.7 символ OFDM (OFDM symbol): Сигнал длительностью , включающий в себя все активные несущие, модулированные соответствующими значениями, а также защитный интервал.

2.8 синхробайт (sync byte): Байт со значением 47 в шестнадцатеричной системе счисления. Используется для определения начала транспортного пакета.

2.9 транспортный пакет MPEG-2 (MPEG-2 transport packet): Последовательность из 188 Б, у которой первый байт является синхробайтом [1].

2.10 универсальная инкапсуляция потока (generic stream encapsulation): Протокол инкапсуляции пакетных данных [2].

2.11 ячейка OFDM (OFDM cell): Значение, модулирующее одну несущую OFDM на протяжении одного символа OFDM, например, одна точка созвездия.

2.12 ячейка данных (data cell): Ячейка OFDM, не являющаяся пилотной или ячейкой параметров передачи сигнала.

3 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения:

4 Общие положения

Система РАВИС предназначена для использования в радиовещательных полосах I и II ОВЧ диапазона частот (65,8-74,0 и 87,5-108,0 МГц). Диапазон частот, используемый для вещания РАВИС, позволяет локализовать вещание, т.е. на одной и той же частоте в разных городах передавать различные программы. При этом радиус покрытия передатчиком является достаточным для обеспечения приема в отдаленных пунктах там, где другим способом осуществить вещание невозможно.

Система РАВИС предназначена для приема в транспорте, а также на переносные и стационарные приемные устройства. Она позволяет передавать в одном канале шириной 250 кГц более 10 программ стереозвукового вещания CD качества либо видеопрограмму с несколькими каналами звукового сопровождения. Предусмотрены варианты системы при ширине полосы 200 и 100 кГц с меньшей пропускной способностью и меньшим числом звуковых программ в мультиплексе.

Кроме ширины полосы канала предусмотрено несколько возможных значений параметров канального кодирования и модуляции системы РАВИС, что позволяет организовывать вещание в различных условиях окружающей среды и помеховой обстановки, обеспечивая вещателю выбор между надежностью передачи и скоростью передачи данных в системе. Эти параметры позволяют также организовывать вещание в одночастотных сетях, например, вдоль автомобильных трасс.

В системе предусмотрены, помимо логического канала КОС, канал передачи низкоскоростных данных с повышенной надежностью передачи (НСК) и канал высоконадежной передачи данных (НКД). Эти логические каналы могут использоваться, например, в системах оповещения о чрезвычайных ситуациях и т.д.

4.1 Структурная схема

Структурная схема передающей части системы РАВИС представлена на рисунке 1.

Составные части блока обработки, канального кодирования и перемежения входных данных в каждом из трех каналов системы РАВИС представлены на рисунке 2.

На вход каждого из трех каналов подают данные различного типа с соответствующей скоростью передачи, поступающие от кодеров источников (звук, видео, др. данные) и мультиплексоров.

Из входных данных формируют КД (см. 6.2). Далее проводят рандомизацию энергии внутри КД (см. 6.3). Рандомизированные КД подвергают помехозащитному канальному кодированию, включающему в себя внешнее (см. 6.4) и внутреннее (см. 6.5) кодирование (кодер БЧХ и кодер LDPC). Далее изменяют порядок следования битов внутри ПКД (битовое перемежение, см. 6.6), проводят отображение битов КД на точки модуляционного созвездия (см. 6.7, 6.8), перемежение ячеек данных (см. 6.9) и перемежение блоков ячеек (временное перемежение) в рамках одного или нескольких КД (см. 6.10). Временное перемежение предусмотрено только для КОС.

Далее проводят формирование символов и кадров OFDM: отображение ячеек данных всех каналов на несущие OFDM (см. 6.11), перемежение данных несущих (см. 6.13), ввод пилотных несущих (см. 6.14) и несущих ППС (см. 6.15) с учетом номера символа, коррекцию пик-фактора (см. приложение В), формирование сигнала символа OFDM во временной области с помощью ОБПФ, формирование задержки при использовании разнесенной передачи (см. приложение Г), ввод защитного интервала (см. 6.12).

Сформированный на этом этапе в цифровом виде сигнал РАВИС преобразуют в аналоговую форму, фильтруют, переносят на частоту вещания, усиливают по мощности и излучают.

Рисунок 1 - Структурная схема передающей части РАВИС

Рисунок 2 - Составные части блока обработки, канального кодирования и перемежения входных данных

4.2 Кодирование источника и мультиплексирование входных данных

На входы каналов данных КОС, НСК и НКД подают двоичные данные, переносящие различную информацию. В первую очередь система РАВИС предназначена для передачи видео- и звуковой информации. Эта информация должна предварительно подвергаться эффективному кодированию с целью устранения как статистической избыточности, так и избыточности восприятия (визуальной, звуковой).

Примечание - В настоящее время наиболее перспективными для использования в системе РАВИС являются звуковой кодер HE-AAC [3] (включая кодирование SBR, PS, MPEG Surround) и видеокодер H.264/AVC [4]; кодер HE-AAC позволяет передавать в потоке 32 Кбит/с высококачественный стереозвук, а кодер H.264/AVC обеспечивает видео высокого качества формата CIF 25 кадров/с при потоке менее 500 Кбит/с.

Закодированные данные источников мультиплексируют с использованием различных форматов, включая пакеты постоянной (в том числе ТП MPEG-2) и переменной длины.

4.3 Формат передаваемых данных

Подаваемые на вход трех логических каналов данные могут иметь различный формат, который указывается в заголовке КД. Предусмотрены четыре типа (формата) данных:

- пакеты данных постоянной или переменной длины;

- ТП (пакеты фиксированной длины известного размера и структуры);

- пакеты протокола УИП;

- НСПД.

4.4 Режимы передачи

В системе РАВИС используют три режима передачи с полосой радиоканала 100; 200 или 250 кГц.

Радиоканал 250 кГц: всего 553 несущих, из них 504 информационных.

Радиоканал 200 кГц: всего 439 несущих, из них 400 информационных.

Радиоканал 100 кГц: всего 215 несущих, из них 196 информационных.

Кроме логического канала КОС могут передаваться один или два дополнительных логических канала данных - низкоскоростной канал (НСК, пропускная способность около 12 Кбит/с) и надежный канал данных (НКД, пропускная способность около 5 Кбит/с).

Размер КД в логическом канале КОС зависит от полосы радиоканала, скорости канального кодирования и присутствия или отсутствия дополнительных каналов данных. Допустимые скорости канального кодирования - 1/2, 2/3, 3/4; допустимые типы модуляции - QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Размер кадра данных в логическом канале НСК - 656 бит, скорость канального кодирования - 1/2, тип модуляции - QPSK. Данные канала передают на 32 информационных несущих.

Размер кадра данных в логическом канале НКД - 533 бит, скорость канального кодирования - 1/2, тип модуляции - BPSK. Данные канала передают на 26 информационных несущих.

Интервал между несущими составляет (4000/9) Гц. Длительность полезной части символа OFDM составляет 2,25 мс. Длительность защитного интервала - 1/8. Кадр OFDM состоит из 41 символа.

4.5 Цифровые потоки, аудио- и видеоформаты

Скорости цифровых потоков в одном радиоканале для всех комбинаций модуляционного созвездия и скорости помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Скорости цифровых потоков в одном радиоканале

Возможное число передаваемых программ звукового стереофонического вещания формата 32 Кбит/с в одном радиоканале для всех комбинаций модуляционного созвездия и скорости помехоустойчивого кодирования приведено в таблице 2.

Таблица 2 - Возможное число передаваемых звуковых программ в одном радиоканале

Предпочтительные видеоформат и число передаваемых программ звукового стереофонического сопровождения формата 32 Кбит/с в одном радиоканале для всех комбинаций модуляционного созвездия и скорости помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Предпочтительные видеоформат и число передаваемых звуковых программ в одном радиоканале

Данные в таблицах 1-3 приведены для логического канала КОС при отсутствии каналов НСК и НКД.

5 Требования к процессам формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции

5.1 Общие требования

Система канального кодирования и OFDM-модуляции - это функциональный блок, выполняющий адаптацию данных от выхода кодера источника сигнала к характеристикам канала. Потоки данных всех логических каналов данных (КОС, НСК, СКД) подвергают следующим преобразованиям (см. рисунки 1, 2):

- формирование КД;

- рандомизация распределения энергии КД;

- внешнее кодирование КД (блочный код БЧХ);

- внутреннее кодирование КД (блочный код LDPC);

- битовое перемежение ПКД;

- отображение битов на ячейки модуляционного созвездия;

- перемежение ячеек в рамках одного или нескольких ПКД;

- временное перемежение в рамках одного или нескольких ПКД;

- отображение данных всех логических каналов на ячейки OFDM;

- частотное перемежение и ввод служебных несущих;

- коррекция пик-фактора;

- ОБПФ;

- введение защитного интервала и формирование полного сигнала OFDM.

Система допускает различные уровни модуляции QAM и различные скорости канального кодирования в канале КОС, которые используют для достижения оптимального соотношения между скоростью цифрового потока и надежностью (помехозащищенностью). Каналы НСК и НКД отличает большая помехозащищенность и соответственно большая зона охвата вещанием и устойчивость приема по сравнению с каналом КОС.

Блок адаптации входного потока играет роль интерфейса и предоставляет возможность подключения к кодеру канала любого входного потока со скоростью не больше заданной. Кроме того, блок адаптации входного потока формирует элементарные КД для дальнейшей обработки кодером канала.

Блок рандомизации осуществляет процедуру рассеивания энергии двоичного цифрового потока, превращая длинные последовательности идущих подряд нулей или единиц в псевдослучайную двоичную последовательность. Данная операция обеспечивает энергетический выигрыш при дальнейшем формировании радиосигнала (выигрыш по пик-фактору сигнала).

Блок помехозащитного кодирования включает в себя каскад из двух помехоустойчивых кодеров: БЧХ и LDPC. Выходная длина ПКД после канального кодирования для канала КОС зависит от полосы радиоканала, а также от наличия или отсутствия каналов НСК и НКД (см. таблицу 6). Длина ПКД для канала НСК составляет 1312 бит, а для канала НКД - 1066 бит.

Битовый перемежитель предназначен для ослабления влияния пакетных битовых ошибок. Битовый перемежитель работает в пределах одного ПКД.

Блок модуляции осуществляет отображение последовательности групп битов (1 - BPSK, 2 - QPSK, 4 - 16-QAM, 6 - 64-QAM) на точки выбранного сигнального созвездия.

Перемежитель ячеек представляет из себя частотный перемежитель, обеспечивающий дополнительную устойчивость сигнала к частотным замираниям в канале.

перемежитель предназначен для глубокого перемежения одного или нескольких ПКД для защиты от временных замираний канала. Временной перемежитель присутствует только в канале КОС.

Работа канала НСК обеспечивается тем же набором блоков, что и работа канала КОС, за исключением перемежителя. Кроме того, для повышения помехоустойчивости данного канала используется только модуляция QPSK и скорость канального кодирования 1/2. Канал НКД построен аналогично каналу НСК, при этом используется только модуляция BPSK и скорость канального кодирования 1/2.

Мультиплексор потоков формирует из поступающих на его вход модулированных ячеек данных различных каналов OFDM-символы. При этом каждый канал отображают на определенное число несущих. Канал НСК отображают на 32 несущие, канал НКД - на 26 несущих. Число несущих канала КОС зависит от используемой полосы радиочастотного канала и наличия или отсутствия дополнительных каналов данных - НСК и НКД. После отображения данных всех каналов на несущие OFDM осуществляют частотное перемежение, в результате которого низкоскоростные надежные потоки передаются на различных несущих в различных символах OFDM, что повышает устойчивость системы передачи данных к частотно-селективным замираниям. Кадр OFDM состоит из 41 символа OFDM. Размер ПКД в логическом канале данных равен произведению количества несущих OFDM, соответствующих логическому каналу данных, на число символов в кадре OFDM (см. 6.4, таблица 6).

Далее в мультиплексированный поток OFDM-символов вводят пилотные несущие и несущие ППС, обеспечивающие на стороне приема возможности синхронизации, коррекции канальных искажений и передачи дополнительной информации, в том числе о параметрах модуляции и канального кодирования, наличия различных каналов данных и пр.

Коррекция пик-фактора сигнала является необязательной, но рекомендуемой. Возможный алгоритм коррекции пик-фактора приведен в приложении В.

На выходе ОБПФ формируют временной дискретизированный сигнал, который после введения защитного интервала поступает на вход блока ЦАП.

При использовании разнесенной передачи до ввода защитного интервала осуществляют введение задержки сигнала (см. приложение Г).

5.2 Требования к процессу формирования КД

Размер КД зависит от параметров канального кодирования (см. 6.4, таблица 6) и равен размеру некодированного блока БЧХ-кода .

КД состоит из заголовка, полезной нагрузки и заполнения.

В качестве полезной нагрузки могут быть использованы данные следующего типа (формата):

- ТП;

- ПД, а именно, пакеты фиксированной или переменной длины;

- пакеты протокола УИП;

- НСПД.

Описание полей заголовка КД представлено в таблице 4.

Полезную нагрузку, представляющую собой пользовательские данные, записывают после заголовка. Ее размер записывают в поле длины данных заголовка, этот размер не может превышать значения, равного размеру КД минус размер заголовка.

Заполнение записывают после полезной нагрузки, если ее размер плюс размер заголовка меньше размера КД; заполнение производят нулями.

Таблица 4 - Описание полей заголовка КД

Размер заголовка кадра данных зависит от типа данных полезной нагрузки, переменной или фиксированной длины пакетов, наличия метки пакетов, наличия номера КД:

Размер заголовка увеличивается на 2 Б при передаче метки (выставлен бит 2 поля TYPE заголовка КД).

Размер заголовка увеличивается на 2 Б при передаче номера КД (выставлен бит 5 поля TYPE заголовка КД).

Размер заголовка кадра данных увеличивается на 1 Б при увеличении поля TYPE (выставлен бит 7 поля TYPE заголовка КД).

Пользовательские пакеты снабжаются заголовками (0, 2 или 4 Б):

- метка, 2 Б, если выставлен бит 4 поля TYPE (передача метки пользовательского пакета) - только для потоков типа ТП и ПД;

- длина пакета, 2 Б, если выставлен бит 3 поля TYPE (пакеты переменной длины) - только для потоков типа ПД.

5.3 Требования к процессу рандомизации распределения энергии

КД рандомизируют (скремблируют) в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3.

Порождающий полином для ПСДП имеет вид .

Загрузку инициализирующей последовательности "100101010000000" в регистры ПСДП, как указано на рисунке 3, следует проводить при начале обработки каждого КД.

Первый бит на выходе генератора ПСДП должен быть применен к первому биту (т.е. к старшему биту) первого байта КД.

Рисунок 3 - Схема рандомизации данных

5.4 Требования к подсистеме канального кодирования

Подсистема канального кодирования должна выполнять внешнее кодирование БЧХ, внутреннее кодирование LDPC и побитовое перемежение. Входной поток должен состоять из КД, а выходной поток - из ПКД.

Каждый КД, содержащий битов, должен обрабатываться подсистемой канального (помехозащитного) кодирования для формирования ПКД, содержащего битов. проверочных битов систематического внешнего кода БЧХ должны быть присоединены в начале КД, размер КД, таким образом, увеличивается до битов проверочных битов внутреннего кодера LDPC должны быть присоединены в конце КД.

5.5 Требования к внешнему кодированию БЧХ

Для генерации ПКД код БЧХ (, ), корректирующий ошибок, должен быть применен к каждому КД. Примитивные полиномы кода БЧХ приведены в таблице 5.

Для получения порождающего полинома кода коррекции ошибок кодера БЧХ следует перемножить первые примитивных полиномов, соответствующих (см. таблицу 5).

Таблица 5 - Примитивные полиномы кодера БЧХ

Параметры канального кодирования и размеры кадров данных для всех каналов передачи данных приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Параметры канального кодирования системы РАВИС

Кодирование БЧХ входной битовой информационной последовательности выполняют следующим образом:

- полином сообщения умножают на ;

- делят на порождающий полином , остаток равен ;

- создают выходное кодовое слово , которое формирует информационное слово для кодирования с помощью кодов LDPC в соответствии со следующим выражением:

Примечание - Эквивалентный полином кодового слова имеет вид .

5.6 Требования к внутреннему кодированию LDPC

Кодер LDPC обрабатывает выход внешнего кодирования как блок информации размером битов и систематически кодирует его в кодовое слово размером ,

где .

Параметры кода LDPC , приведены в таблице 6.

Задача кодера - определить проверочных битов (, , …, ) для каждого блока из информационных битов (, , …, ).

Матрица , используемая для расчета проверочных битов кода LDPC, имеет строк, столбцов и содержит относительно малое число ненулевых элементов 1, нерегулярно распределенных по строкам и столбцам.

Правило получения каждого из проверочных битов записывают в форме:

; .

Кодирование осуществляют с использованием матрицы соответствующей размерности.

Процедура формирования матриц для всех используемых параметров кода LDPC приведена в приложении Е.

5.7 Требования к битовому перемежению

Выход кодера LDPC подвергают побитовому перемежению, которое представляет собой перемежение со сдвигом начала столбцов.

При перемежении со сдвигом начала столбцов биты данных , поступающие от кодера LDPC, последовательно записывают в перемежитель по столбцам и последовательно считывают по строкам (старший бит заголовка ПКД считывают первым), как показано на рисунке 4. Запись стартовой позиции каждого столбца сдвигают на в соответствии с таблицей 7, в которой представлены значения для 0,…, 11; для остальных значений .

Рисунок 4 - Процедура битового перемежения

Число строк побитового перемежителя 41, число столбцов .

Модуль перемежения определен следующим образом:

- входной бит с индексом , при записывают в столбец , строку модуля перемежения,

где ,

;

- выходной бит с индексом для считывают из строки , столбец ,

где ,

.

Таблица 7 - Сдвиг стартовой позиции столбца записи при битовом перемежении

5.8 Требования к отображению битов на ячейки

Один или несколько ПКД должны быть преобразованы в кодированный и модулированный БПД. Для этого поток входных битов сначала разделяют на кодовые слова ячеек, а затем эти слова отображают на модуляционное созвездие. Эффективное число битов на ячейку модуляции приведено в таблице 8. БПД состоит из ПКД, таким образом, число ячеек выходных данных в БПД равно .

Таблица 8 - Число битов на ячейку модуляции

Разделение последовательности битов на модулирующие значения ячеек осуществляют следующим образом: битовый поток , поступающий от битового перемежителя, разделяют (демультиплексируют) на подпотоков, как показано на рисунке 5, значение .

Рисунок 5 - Демультиплексирование потока битов на подпотоки

Разделение потока битов определяют как отображение побитово перемеженных входных битов на выходные биты ,

где ;

- индексы битов, демультиплексированных на подпотоки, (), которые зависят от значения в соответствии с тем, как определено в таблице 9;

- вход демультиплексора;

- индекс бита во входном потоке;

- выход демультиплексора;

- индекс бита в заданном потоке на выходе демультиплексора.

Таблица 9 - Зависимости номеров входных и выходных битов демультиплексора

5.9 Требования к отображению ячеек на созвездие

Каждое кодовое слово ячеек , поступающее от демультиплексора, должно быть отображено на точку созвездия одного из типов: BPSK, QPSK, 16-QAM или 64-QAM - для получения точки созвездия до нормализации.

Точные значения действительных и мнимых компонентов и для каждой комбинации соответствующих входных битов , приведены для различных созвездий в таблице 10.

Таблица 10 - Отображение битов ячеек на точки созвездия

Созвездия и детализация применяемого к ним отображения показаны на рисунке 6.

Точки созвездия для каждого входного кодового слова ячеек нормализуют в соответствии с таблицей 11 для получения точного комплексного значения ячейки, которое должно использоваться при модуляции.

Таблица 11 - Коэффициенты нормализации точек созвездия

QPSK: порядок битов - ;

отображает , отображает

16-QAM: порядок битов - ;

отображает , , отображает ,

64-QAM: порядок битов - ;

отображает , , , отображает , ,

Рисунок 6 - Отображение битов ячеек на созвездия QPSK, 16-QAM и 64-QAM

5.10 Требования к перемежению ячеек

Псевдослучайный перемежитель ячеек должен равномерно распределять ячейки в БПД, чтобы обеспечивать в приемнике декорреляцию канальных искажений и сдвигать последовательность перемежения в БПД на протяжении одного блока перемежения (БВП, см. 5.11).

Вход перемежителя ячеек (,, …, ) должен представлять собой ячейки данных БПД с индексом , сформированного с помощью созвездия, обозначает увеличивающийся индекс БПД внутри БВП. Этот индекс сбрасывают в нуль в начале каждого БВП. Выход перемежителя ячеек должен представлять собой вектор (, , …, ), определенный выражением*

для каждого 0, 1, …, ,

где - число выходных ячеек данных на БПД (равное ) и

- функция перестановки, применяемая к -му БПД в рамках БВП.

________________

* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - .

Функцию определяют следующим образом: . Значения приведены в таблице 12.

Таблица 12 - Значения для функции перестановки

5.11 Требования к перемежению

БВП состоит из одного или нескольких БПД. Его отображают на целое число (один или несколько) кадров OFDM. Длительность БВП , выраженная в кадрах OFDM, передается в ППС, 1, …, 6.

перемежитель представляет собой строчно-столбцовый блоковый перемежитель, число столбцов =41 в перемежителе равно числу символов в кадре OFDM. Графическое представление перемежителя показано на рисунке 7. Данные ячеек записывают в столбцы, а считывают построчно.

Рисунок 7 - Схема перемежителя

Число строк временного перемежителя .

Модуль перемежения определен следующим образом:

- входную ячейку с индексом при записывают в столбец , строку модуля перемежения,

где ,

;

- выходную ячейку ,с индексом для считывают из строки , столбец ,

где ,

.

5.12 Требования к общей схеме OFDM-модуляции

После блоков перемежения цифровые потоки логических каналов данных КОС, НСК и НКД поступают на блок отображения данных на несущие OFDM (см. рисунок 1). Общее число и распределение несущих для различных полос радиоканала приведено в таблице 13.

Таблица 13 - Распределение несущих при различных полосах радиоканала

При OFDM-модуляции проводят разбиение цифровых потоков логических каналов данных на блоки длиной 41 символ комплексной модуляции , причем каждый такой символ имеет длину битов (см. таблицу 8). Далее в соответствии с кодом Грея осуществляют отображение на информационные несущие OFDM-символа в соответствии с выбранным вариантом модуляции несущих - BPSK, QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Диаграммы отображения кода Грея для QPSK, 16-QAM и 64-QAM вариантов модуляции несущих представлены на рисунке 6.

После отображения данных логических каналов на информационные несущие осуществляют частотное перемежение, которое делает распределение логических каналов по несущим псевдослучайным, что позволяет повысить устойчивость системы передачи данных к селективным замираниям.

Помимо информационных несущих в состав OFDM-символа вводят также пилотные несущие и несущие ППС. Пилотные несущие передают на повышенном уровне мощности. Фазы пилотных несущих задают в соответствии с опорной псевдослучайной двоичной последовательностью равными 0° либо 180°.

Пилотные несущие вводят в состав OFDM-символа с целью обеспечения на принимающей стороне возможности синхронизации сигнала и оценки характеристик канала передачи. Пилотные несущие составляют около 9% общего числа несущих (см. таблицу 13).

Несущие ППС вводят с целью непосредственной передачи информации о ключевых параметрах передаваемого сигнала (наличие логических каналов данных, скорость LDPC-кода, тип QAM-созвездия, длина защитного интервала и пр.). В каждом символе OFDM передают четыре несущих ППС.

OFDM-символ, полученный после введения пилотных несущих и несущих ППС, подвергают обратному преобразованию Фурье, которое преобразовывает символ из частотной области во . Затем в начало символа вводят защитный интервал длительностью . В защитный интервал копируют последние отсчетов полезной части символа, где - длина полезной части символа (в отсчетах), - длительность полезного символа (в секундах). В системе предусмотрен защитный интервал с длительностью .

Полученную последовательность отчетов ограничивают, масштабируют и квантуют в соответствии с разрядностью ЦАП.

Перед обратным преобразованием Фурье может проводиться операция, направленная на снижение пик-фактора сигнала.

При использовании разнесенной передачи перед введением защитного интервала блок внесения задержки формирует несколько сигналов с необходимыми задержками.

5.13 Требования к кадровой структуре OFDM

Передаваемый сигнал должен быть организован в виде последовательности кадров. Кадр имеет длительность и состоит из 41 OFDM-символов. OFDM-символ имеет длительность и состоит из защитного интервала длительностью и полезной части длительностью . Защитный интервал является циклическим префиксом полезной части , его длительность - .

OFDM-символы содержат полезную информацию (о данных) и опорную информацию (пилотные и ППС-несущие). Символы в кадре OFDM пронумерованы от 0 до 40.

Ключевые параметры блока OFDM-модуляции системы приведены в таблице 14.

Таблица 14 - Ключевые параметры модуляции OFDM системы РАВИС

Математическая модель сигнала описывается выражением:

, (1)

- нижний предел индекса несущей, 0;

- верхний предел индекса несущей, ;

- число символов OFDM в кадре, 41;

- индекс несущей;

- индекс несущей относительно центральной частоты, ;

- индекс символа OFDM в кадре;

- индекс передаваемого кадра;

- центральная частота спектра сигнала;

- комплексный коэффициент, модулирующий -ю несущую -го символа в -м кадре OFDM.

С целью нормирования выходного уровня сигнала в системе предусмотрены коэффициенты нормализации величин . Применение этих коэффициентов нормирует к единице суммарную мощность модуляционного алфавита информационных несущих сигнала (см. рисунок 6). В таблице 11 представлены значения этих коэффициентов для всех режимов модуляции.

5.14 Требования к частотному перемежению

Частотное перемежение, которое выполняют после отображения данных логических каналов на информационные несущие, делает распределение логических каналов по несущим псевдослучайным. Такое распределение позволяет повысить устойчивость низкоскоростных каналов данных НСК и НКД к селективным замираниям.

Модулированные ячейки данных каналов НСК и НКД отображают псевдослучайным образом на информационные несущие OFDM с индексами относительно центральной несущей радиоканала.

Индексы информационных несущих, на которых передают данные каналов НСК и НКД для всех символов в кадре OFDM и для всех вариантов присутствия данных каналов НСК и НКД, представлены в таблице 15. Индекс символа следует брать по модулю 7, т.е. .

Таблица 15 - Индексы информационных несущих каналов НКД и НСК

После отображения данных каналов НСК и НКД модулированные ячейки данных канала КОС отображают на информационные несущие с индексами последовательно, за исключением информационных несущих, уже занятых каналами НСК и НКД.

5.15 Требования к пилотным несущим

Назначение пилотных несущих - передача дополнительной (опорной) информации, с помощью которой на приемной стороне осуществляют синхронизацию, а также оценивают характеристики канала передачи. Пилотные несущие передают на повышенном уровне мощности. Пилотные несущие делят на два типа: 1) повторяющиеся и 2) рассеянные. Положение повторяющихся пилотных несущих в спектре сигнала не зависит от номера символа в кадре, а положение рассеянных - зависит. Фазы пилотных несущих могут принимать значения 0° или 180° в соответствии с опорной последовательностью. Мощность пилотных несущих составляет 16/9, в то время как средняя мощность информационных несущих и несущих ППС в соответствии с коэффициентом нормирования равна 1.

5.15.1 Определение опорной последовательности

Опорная последовательность является ПСДП с порождающим полиномом . Схема генератора, реализующего данный полином, приведена на рисунке 8.

Начало последовательности ПСДП 1111111111100...

Рисунок 8 - Схема генератора опорной последовательности

Фазы пилотных несущих, а также фазы ППС-несущих определяют на основе значений , генерируемых данной ПСДП. Значение 0 соответствует фазе 0°, значение 1 соответствует фазе 180°.

При инициализации генератора опорной последовательности все регистры выставляют в "1" (см. рисунок 8). Каждой -й несущей символа ставится в соответствие бит . Инициализацию осуществляют в начале каждого символа OFDM.

5.15.2 Расположение рассеянных пилотных несущих

Индексы рассеянных пилотных несущих определены в таблице 16.

Примечание - Если совместить центральные несущие при различных полосах радиоканала, то пилотные несущие более узкого радиоканала окажутся подмножеством пилотных несущих более широкого радиоканала.

Рассеянные пилотные несущие усиливают по мощности и их фазы задают в соответствии с опорной последовательностью по формуле

; (2)

,

где - индекс кадра;

- индекс символа в кадре;

- индекс несущей в символе.

Таблица 16 - Индексы рассеянных пилотных несущих

5.15.3 Расположение повторяющихся пилотных несущих

Индексы повторяющихся пилотных несущих определены в таблице 17.

Примечание - Если совместить центральные несущие при различных полосах радиоканала, то пилотные несущие более узкого радиоканала окажутся под множеством пилотных несущих более широкого радиоканала.

Таблица 17 - Индексы повторяющихся пилотных несущих

Все повторяющиеся пилотные несущие модулируют согласно опорной последовательности.

Повторяющиеся пилотные несущие усиливают по мощности и их фазы задают в соответствии с опорной последовательностью по формуле

, (3)

.

5.16 Требования к несущим ППС

Несущие ППС предназначены для передачи параметров сигнала, связанных с режимом передачи, параметрами канального кодирования канала и модуляции.

Информацию ППС передают параллельно на четырех несущих. Каждая несущая ППС в одном и том же символе передает один и тот же дифференциально кодированный информационный бит. Индексы этих несущих относительно центральной несущей радиоканала равны ±27 и ±81 для всех вариантов ширины полосы радиоканала.

Несущие ППС обеспечивают передачу следующей информации:

- типа модуляционного созвездия КОС;

- скорости канального кодирования КОС;

- числа кадров перемежения КОС;

- номера кадра перемежения КОС.

Инициализацию фазы ППС-несущих осуществляют для каждого кадра OFDM. Для инициализации фазы ППС-несущих первого символа кадра используют опорную последовательность .

Блок данных ППС соответствует одному кадру OFDM и содержит 41 бит, которые определены следующим образом:

27 информационных битов;

14 избыточных битов для защиты от ошибок.

5.16.1 Формат передачи ППС-информации

Информацию ППС следует передавать в соответствии с таблицей 18. Первым передают бит . Первые три бита задают номер версии и должны быть установлены в 0. При изменении версии возможно изменение значений остальных полей информации ППС.

Тип модуляционного созвездия КОС передают двумя битами в соответствии с таблицей 19.

Скорость канального кода КОС кодируют тремя битами в соответствии с таблицей 20.

Число кадров перемежения КОС передают тремя битами , , (значения 000, 111 зарезервированы). Индекс текущего кадра перемежения также передают тремя битами , , . Индекс меняется в диапазоне от 0 до - 1 (значения 110, 111 заразервированы).

Биты , указывают наличие (значение 1) или отсутствие (значение 0) в кадре OFDM данных логических каналов НСК и НКД соответственно.

Таблица 18 - Информация ППС

Таблица 19 - Кодирование типа QAM-созвездия КОС

Таблица 20 - Кодирование скорости кода КОС

Таблица 21 - Кодирование ширины полосы радиоканала

5.16.2 Помехоустойчивое кодирование информации ППС

К 27 битам добавляют 14 проверочных битов сокращенного кода БЧХ (41, 27, 2), вычисленного из исходного систематического кода БЧХ (127, 113, 2).

Порождающий полином этого кода: .

5.16.3 Модуляция ППС-несущих

Несущие ППС передают с уровнем мощности, равным 1.

Несущие ППС передают с разностно-фазовой модуляцией (DBPSK) с инициализацией в начале каждого кадра OFDM.

Разностно-фазовую модуляцию ППС-несущей с номером символа (0) в кадре осуществляют в соответствии с правилом:

- если 0, то и 0;

- если * 1, то и 0,

_____________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - .

где - текущий кодируемый бит.

Начальную фазу несущих ППС в первом символе кадра определяют на основе опорной последовательности по формуле

, (4)

.

5.17 Определение скорости полезного информационного потока

Скорость полезного битового потока различных логических каналов данных (КОС, НСК, НКД) определяют по формуле

, (5)

где - число информационных несущих логического канала ;

- число битов информации, передаваемых на одной несущей (см. таблицу 8);

- скорость помехоустойчивого кодирования, равная отношению числа битов в КД к числу битов в ПКД (см. таблицу 6);

- доля полезной информации в КД, равная отношению числа битов пользовательских данных к общему размеру КД;

- длительность полезной части символа;

- длительность защитного интервала.

Приблизительные значения скорости полезного битового потока в канале КОС в случае отсутствия НСК и НКД приведены в таблице 1.

Приложение А
(справочное)

Радиочастотные характеристики системы

Система РАВИС предназначена для использования в диапазонах частот 65,8-74,0 и 87,5-108,0 МГц.

OFDM-модулированный сигнал с числом несущих имеет почти нормальное распределение, что подтверждается экспериментальными исследованиями (см. рисунок А.1). Среднее отклонение оценки плотности распределения OFDM-модулированного сигнала от плотности нормального распределения с параметрами (0, 1) составляет 1,5·10, а максимальное отклонение - не превышает 10.

Рисунок А.1 - Плотность распределения вероятности сигнала OFDM

А.1 Эффект Доплера

Эффект Доплера вызывает частотный сдвиг несущих сигнала при движении приемника относительно передатчика.

Сдвиг частот составляет ,

где - несущая частота радиосигнала;

- проекция скорости движения приемника относительно передатчика на прямую, соединяющую приемник и антенну передатчика;

- скорость света.

Расстояние между соседними несущими в системе РАВИС составляет приблизительно 0,44 кГц. При скорости движения приемника 200 км/ч допплеровский сдвиг частот не превышает 5% расстояния между двумя соседними несущими в диапазоне частот до 108 МГц.

Приложение Б
(справочное)

Моделирование работы системы

Моделирование производительности системы РАВИС выполнено с двумя моделями многолучевого распространения в канале передачи: канал Райса (для стационарного приема) и канал Релея (для мобильного приема).

Модели канала соответствуют моделям, описанным в [5].

Б.1 Канал Райса

В модели канала Райса выходной сигнал вычисляют по формуле

, (Б.1)

где - входной сигнал;

- прямой (неотраженный) сигнал с затуханием;

- число эхо-сигналов, 20;

- фазовый сдвиг, возникающий при рассеянии -го отраженного сигнала;

- затухание -го отраженного сигнала;

- относительная задержка -го отраженного сигнала.

Значения параметров , и приведены в таблице Б.1.

Коэффициент Райса (отношение мощностей прямого сигнала и отраженных сигналов) вычисляют по формуле

. (Б.2)

При моделировании был использован коэффициент Райса 10, т.е.

.

Б.2 Канал Релея

В модели канала Релея выходной сигнал вычисляют по формуле

, (Б.3)

где .

Значения параметров , и приведены в таблице Б.1.

Таблица Б.1 - Значения параметров , и для моделей канала Райса и Релея

Пороговые значения отношения сигнал/шум при использовании модуляции 16-QAM и скорости канального кодирования 3/4 для канала КОС приведены в таблице Б.2.

Таблица Б.2 - Пороговые значения отношения сигнал/шум при различных моделях канала

Приложение В
(рекомендуемое)

Коррекция пик-фактора сигнала OFDM

Для уменьшения отношения пиковой и средней мощностей сигнала (пик-фактора) рекомендуется использовать, например, метод активного расширения созвездия (АСЕ), описанный в [6]. Этот метод применяют к активной части каждого символа OFDM до введения защитного интервала. Метод активного расширения созвездий не должен применяться к пилотным несущим и несущим ППС.

Алгоритм активного расширения созвездий генерирует сигнал во области , который замещает исходный сигнал во , сгенерированный с помощью ОБПФ из множества значений частотной области .

Схема алгоритма представлена на рисунке В.1.

Рисунок В.1 - Схема алгоритма АСЕ

получают из с помощью четырехкратной интерполяции.

Сочетание ОБПФ, передискретизации и низкочастотной фильтрации реализуют с помощью заполнения нулями до четырехкратной длины и последующего преобразования ОБПФ.

получают с помощью применения к компонентам оператора ограничения.

Оператор ограничения определен следующим образом:

(В.1)

Порог ограничения является параметром алгоритма АСЕ.

получают из с помощью четырехкратного прореживания.

Сочетание низкочастотной фильтрации, передискретизации и БПФ реализуют с помощью заполнения нулями до четырехкратной длины и последующего преобразования БПФ.

получают из с помощью БПФ.

Новый сигнал получают с помощью суммирования и следующим образом:

. (В.2)

Коэффициент расширения является параметром алгоритма АСЕ.

получают из с помощью оператора насыщения, который по отдельности обрабатывает действительные и мнимые компоненты, обеспечивая, чтобы модуль отдельных компонентов не превышал заданного значения :

, (В.3)

(B.4)

Предел расширения является параметром алгоритма АСЕ.

Тогда составляют с помощью простого выбора действительных и мнимых компонентов из относящихся к , :

(В.5)

(В.6)

получают из с помощью ОБПФ.

Компонент определяют как расширяемый, если он принадлежит к модулированной ячейке данных и если его абсолютное значение равно максимальному значению компонента, связанного с модулирующим созвездием, используемым для этой ячейки. Например, компонент, принадлежащий к 16-QAM модулированной ячейке, является расширяемым, если его значение равно .

Выбор значения коэффициента следует проводить в пределах от 0 до 31 с шагом 1.

Выбор порога ограничения следует проводить в диапазоне от +0 до +12,7 дБ с шагом 0,1 дБ относительно эффективного напряжения исходного сигнала.

Выбор максимального значения расширения следует проводить в диапазоне от 0,7 до 1,4 дБ с шагом 0,1 дБ.

Если устанавливается максимальное значение , то максимальное увеличение мощности на несущую после расширения ограничено значением +6 дБ (увеличение мощности получается максимальным для модуляции QPSK).

Приложение Г
(рекомендуемое)

Разнесенная передача

Система РАВИС может функционировать в сложных условиях распространения сигнала, обеспечивая, в частности, мобильный прием в городских условиях с плотной застройкой. Узкополосные сигналы в таких условиях подвержены не только частотно-селективным, но и амплитудным (плоским) замираниям.

В этих условиях используемое в РАВИС временное перемежение улучшает мобильный прием сигнала. Эффективным методом борьбы с амплитудными замираниями является использование разнесенного приема, т.е. нескольких приемных антенн, расположенных на определенном расстоянии. Но в некоторых случаях использование нескольких антенн затруднительно, например, для небольших переносных приемников. Для вещательных систем хорошей альтернативой или дополнением к разнесенному приему является использование методики разнесенной передачи.

Разнесенная передача с задержкой представляет собой достаточно простой и эффективный метод. В этом случае кроме исходного сигнала излучают еще один сигнал, представляющий задержанную на время копию исходного сигнала, дополнительный сигнал излучают с другой антенны, пространственно разнесенной с основной. Использование этого метода не требует никаких дополнительных изменений приемника. Задержанных копий сигнала может быть несколько. Схема передающей части при использовании разнесенной передачи представлена на рисунке Г.1.

Рисунок Г.1 - Схема разнесенной передачи

Необходимо выбрать значения задержек для всех ветвей излучения сигнала. При этом необходимо учитывать, что:

- задержка должна быть достаточно большой (более 10 мкс), чтобы увеличить частотную избирательность составного канала, представляющего собой объединение каналов передающих антенн;

- задержка должна быть гораздо меньше длительности защитного интервала (то есть <<300 мкс), чтобы не вызывать межсимвольную интерференцию.

Приложение Д
(обязательное)

Вычисление циклического избыточного кода

Реализация проверки с помощью циклических избыточных кодов (CRC-кодов) позволяет выявлять ошибки передачи в приемнике. С этой целью слова CRC-кода должны быть включены в передаваемые данные. Слова CRC-кода определяют в соответствии с описанной в настоящем приложении процедурой.

Код CRC определяют с помощью полинома степени

при 1 и , 1,…, .

CRC-код может быть вычислен с помощью сдвигового регистра, содержащего ячеек, где равно степени полинома. Блок-схема вычисления CRC-кода представлена на рисунке Д.1. Ячейки обозначают как , где соответствует 1; соответствует ; соответствует ; ...; соответствует . Сдвиговый регистр дополняют с помощью вставки операторов XOR на входе тех ячеек, где соответствующие коэффициенты полинома равны 1.

Рисунок Д.1 - Блок-схема вычисления CRC-кода

В начале вычисления кода CRC-8 все ячейки сдвигового регистра инициализируют нулями.

После поступления первого бита блока данных на вход данных (старший бит поступает первым) тактовый генератор обеспечивает сдвиг ячеек регистра на одну ячейку в направлении ячейки старшего бита . При этом в промежуточные ячейки помещают данные после соответствующих операций XOR. Затем процедуру повторяют для каждого входного бита данных. После поступления последнего бита (младший бит) блока данных на вход сдвиговый регистр будет содержать слово CRC-кода, которое вслед за этим считывают. При передаче данных и слова CRC-кода старший бит следует первым.

Код CRC-8, используемый в системе РАВИС, основан на следующем полиноме:

.

Приложение Е
(обязательное)

Процедура формирования матриц кода LDPC

В настоящем приложении приведена процедура формирования матрицы , по которой проводят расчет проверочных битов кода LDPC (см. 6.5).

Матрицу формируют так, чтобы число столбцов в ней, содержащих единиц, соответствовало таблице Е.1.

Для значений , указанных в таблице Е.1, выполнено соотношение .

Таблица Е.1 - Параметры матрицы для всех возможных значений параметров кода LDPC

Максимально допустимое число единичных элементов в строке матрицы в зависимости от примерной скорости кода определено в таблице Е.2.

Таблица Е.2 - Максимально допустимое число единичных элементов в строке матрицы

Алгоритм расстановки ненулевых элементов в матрице использует псевдослучайную последовательность, задаваемую рекуррентной формулой

(E.1)

,

где 214013;

2531011;

65536;

0, 1, 2,….

Начальное значение , заданное в таблице Е.3, зависит от размера блока и скорости кода .

Таблица Е.3 - Начальное значение псевдослучайной последовательности

Алгоритм формирования матрицы представлен в виде блок-схемы на рисунке Е.1 (листы 1-3).

В алгоритме формирования матрицы используется двухдиагональная матрица , определенная следующим образом:

Рисунок Е.1 - Блок-схема алгоритма формирования матрицы , лист 1

Рисунок Е.1 - Блок-схема алгоритма формирования матрицы , лист 2

Рисунок Е.1 - Блок-схема алгоритма формирования матрицы , лист 3

Библиография

Электронный текст документа

и сверен по:

, 2020