492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

В стандарте IEEE 802.16 в качестве генератора ПСП используется пятнадцатиразрядный регистр сдвига с обратными связями, генераторным полиномом G X X15 X14 1. Вектор инициализации генератора ПСП передаётся с началом кадра посредством кодового слова 4А8016 (100101010000000 – в двоичном коде).

3.2 Кодер канала

После скремблирования последовательный цифровой поток бит поступает на кодер канала (рис. 3.1). В процессе передачи по каналу связи происходит искажение сигнала, а так же на него накладываются шумы и помехи. В результате на выходе канала связи в сигнале появляются ошибки, частота появления которых зависит от скорости передачи данных и отношения сигнал/шум в канале. Ошибки будут всегда, независимо от конструкции системы передачи, так что в переданном кадре один или несколько битов обязательно изменят свое значение.

В системах радиосвязи цифровой сигнал перед подачей его на модулятор подвергают обработке в кодере канала, в котором осуществляется введение дополнительных бит (Forward Error Correction – FEC) (см. первый раздел). На приёмной стороне эти биты используются для обнаружения и исправления ошибок.

Чаще всего в системах радиосвязи используются каскадные коды, которые обеспечивают большой энергетический выигрыш кода при приемлемой сложности кодера и декодера (см. первый раздел). Такая система кодирования используется в стандарте IEEE 802.16. В качестве внешнего кода используется недвоичный блочный код, например, код Рида-Соломона. В качестве внутреннего кода используется двоичный свёрточный код. Кроме внутреннего и внешнего кодов используются внешний, внутренний и частотный перемежители (рис. 3.2).

При этом можно использовать одну из четырех схем кодирования: код РидаСоломона с символами из поля Галуа GF(256); каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним сверточным кодом с кодовым ограничением К = 7 с декодированием по алгоритму Витерби; каскадный код с внешним кодом РидаСоломона и внутренним кодом с проверкой на четность (8, 6, 2); блоковый турбокод. Размер кодируемого информационного блока и число избыточных байтов не фиксированы – эти параметры можно задавать в зависимости от условий среды передачи и требований QoS. Так, для кода Рида-Соломона размер исходного блока данных может быть от 6 до 255 байт, а число избыточных байтов – до 32 (всего до 255 байт). Первые два алгоритма кодирования обязательны для всех устройств стандарта, остальные два алгоритма – опциональны.

121

Кодирование данных предполагает кодирование каскадным кодом: внешним кодом Рида-Соломона и внутренним сверточным кодом. Алгоритм кодирования Рида-Соломона, используемый в данном стандарте, строится над полем Галуа GF (256). В базовом виде он оперирует блоками исходных данных по k = 239 байт, формируя из них кодированный блок размером n = 255 байт (добавляя 16 проверочных байт). Такой код способен исправить до t = 8 поврежденных байт или обнаружить до 15 поврежденных или стертых внутренним кодом байт. Поскольку реально используются блоки данных меньшей длины k, перед ними добавляются (239 – k) нулевых байт (так называемое укорочение линейного кода). После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных слов так, чтобы уменьшить число восстанавливаемых байтов t, используются только 2 t первых проверочных байт. Обязательные для поддержки в IEEE 802.16 варианты каскадного кодирования приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1. Параметры каскадного кода

После кодера Рида-Соломона данные поступают в сверточный кодер (рис. 3.3) с порождающими последовательностями (генераторами кода) G1 – 1718 (для выхода X) и G2 = 1338 (для выхода Y). Его базовая скорость кодирования – Rci = 1/2, т.е. из каждого входного бита он формирует два кодированных бита X и Y. Кодовое ограничение этого кода К = 7.

Методом прореживания из последовательности пар элементов Хi или Yi , можно получить различные скорости кодирования Rci = 2/3, 3/4 или 5/6.

Как следует из рис. 3.2, применение избыточного каскадного кодирования приводит на выходе кодера канала к увеличению скорости передачи цифрового сигнала

123

где R – скорость сигнала на входе кодера; R1 – скорость сигнала на выходе кодера.

Как следует из таблицы 3.1 и формулы (3.1), при суммарной скорости каскадного кода Rce × Rci = 1/2 скорость выходного сигнала увеличивается в два раза, а при суммарной скорости равной 2/3 – увеличивается в 1,5 раза.

Если на входе каскадного кодера длительность бита информации равна Tb , то после кодера она уменьшится и станет равной (рис. 3.2)

Tb1 Tb Rce Rci .

Рис. 3.3. Схема свёрточного кодера

124

3.3 Перемежение цифрового сигнала

В процессе кодирования производится внешнее и внутреннее перемежение символов (бит) цифрового сигнала (рис. 3.2).

Как правило, параметры устройства перемежения, используемого совместно с кодом с коррекцией одиночных ошибок, выбираются таким образом, чтобы число столбцов N превышало ожидаемую длину пакета ошибок, т.е. число столбцов определяет глубину перемежения символов. Выбираемое число строк зависит от того, какая схема кодирования будет использована. Для блочных кодов размер матрицы МN должен быть больше длины кодового блока; для сверточных кодов размер матрицы МN должен превышать длину кодового ограничения. Поэтому пакет длиной N может вызвать в блоке кода (самое большее) одиночную ошибку; аналогично в случае сверточных кодов в пределах одной длины кодового ограничения будет не более одной ошибки. Для кодов с коррекцией ошибок кратности t, выбираемое N должно лишь превышать ожидаемую длину пакета, деленную на t.

С помощью такого перемежителя любой пакет ошибок длиной разбивается на M пакетов ошибок длиной b . Предположим, что используется код n,k , с помощью которого можно исправить все комбинации из t (или ме-

нее) ошибок, t n k 2 . Если степень чередования (глубина перемежения)

равна M , то в результате такого перемежения будет получен код Mn,Mk ,

с помощью которого можно исправить Mt ошибочных бит.

Внешнее перемежение

Процедуру внешнего перемежения, используемую в стандарте IEEE 802.16, можно представить в соответствии с формулой

Ncbps – число кодированных бит в OFDM символе (при заданном числе субкана-

лов); n12 – наибольшее целое число, не превосходящее n12 ;

n mod 12 – остаток от деления n12.

Из (3.2) следует, что в качестве внешнего перемежителя используется блочный перемежитель с 12 строками и 12 столбцами. При этом глубина перемежения равна 12 битам. Такой внешний перемежитель используется в каскадном коде, где

125

он позволяет преобразовать пакеты ошибок, возникающие на выходе внутреннего декодера свёрточного кода, в рассредоточенные во времени пакеты ошибок меньшей длины. Такие пакеты ошибок исправляются декодером внешнего кода с небольшой избыточностью.

Пакеты ошибок на выходе свёрточного декодера возникают в том случае, когда число ошибок на входе декодера превысит его исправляющую способность (это эффект называется размножением ошибок).

Внутреннее перемежение

После внутреннего свёрточного кодера последовательный цифровой поток данных в последовательно-параллельном преобразователе разбивается на k параллельных потоков (рис. 3.2), где k равно числу информационных поднесущих в OFDM сигнале.

После разбиения последовательного цифрового потока на k параллельных потоков длительность символа информации в каждом из параллельных потоков станет равной (рис. 3.2)

Внутреннее перемежение осуществляется в два этапа: перемежение битов (временное перемежение); перемежение модуляционных символов данных (частотное перемежение).

Для осуществления первого этапа временного перемежения битов каждый из k параллельных потоков демультиплексируется (распараллеливается) на параллельных потоков (рис. 3.2). При этом количество параллельных потоков определяется позиционностью модуляции M

параллельных преобразователей формируются модуляционные символы

1i ,2i ,..., i для отдельных k информационных поднесущих. Такая схема первого этапа внутреннего перемежения в каждом из цифровых потоков модуляционных символов используется в стандарте DVB-T.

После проведения формирования модуляционных символов (рис. 3.2) длительность символа в каждом из k параллельном потоке станет равной

В стандарте IEEE 802.16 первый этап внутреннего перемежения осуществляется в последовательном цифровом потоке до его разделения на параллельные потоки. При этом перемежение реализуется в соответствии с формулой

где mn – определяется из (3.2); – определяется из (3.3) для соответствующей позиционности модуляции.

Второй этап внутреннего перемежения – перемежения модуляционных символов данных представляет собой частотное перемежение, которое тесно связано с модуляцией несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание модуляционных символов данных, которые модулируют разные несущие колебания.

Из-за многолучёвого распространения радиоволн в спектре передаваемого сигнала возникают селективные замирания, глубина которых достигает 30 ÷ 40 дБ

(рис. 3.4).

S f

f

S f

f

Рис. 3.4. Спектр OFDM сигнала на выходе передатчика а) и на входе приёмника б)

Селективные замирания приводят к ослаблению или даже полному подавлению нескольких соседних несущих частот OFDM сигнала (рис. 3.4 б.) После демодуляции таких несущих в блоке БПФ (рис. 3.1) в соседних параллельных потоках демодулированных символов, соответствующих этим несущим, появятся ошибки в OFDM символе. После объединения параллельных потоков в последовательный поток в нём появятся пакеты ошибок, длина которых соответствует количеству несущих частот, поражённых селективными замираниями.

127

Для преобразования таких пакетов ошибок в одиночные ошибки используется частотное перемежение соседних передаваемых символов параллельных потоков. Такой метод передачи получил название COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Использование частотного перемежения модуляционных символов цифровых потоков повышает помехоустойчивость систем радиосвязи с COFDM, так как одиночные ошибки, получаемые из пакетов ошибок обусловленных селективными замираниями в канале, в последовательном потоке данных достаточно хорошо исправляются свёрточными или каскадными кодами, установленными в блоке кодирования (рис. 3.2), с небольшой избыточностью.

Глубина частотного перемежения определяется частотной корреляцией селективных замираний в канале распространения радиоволн. Так, например, если полоса частот, подверженных селективному замиранию, составляет Всел 50 кГц, то при DVB-T и режиме 2k одновременно будут подвержены замиранию Всел fразн 50 кГц / 4,464 кГц = 12 информационных несущих частот. При модуляции 64-КАМ пропадание одной поднесущей приведёт к появлению пакета из6 ошибок. Для того, чтобы возникший после радиоканала пакет из 72 ошибок преобразовать в ошибки одиночные необходимо сделать глубину перемежения равной 12 модуляционным символам. Для этой цели можно использовать свёрточный перемежитель, только элементы регистров сдвига в нём должны быть рассчитаны на бит данных. При этом перемежение параллельных символов может производиться в соответствии с таблицей 3.2 и рис. 3.5.

Из рис. 3.5 и таблицы 3.2 следует, например, что первый символ передаётся на первой несущей частоте, второй символ – на тринадцатой, третий символ – на двадцать пятой и т.д. Из рис. 3.7 и таблицы 3.2 следует также, что в рассматриваемом примере глубина перемежения соседних символов равна двенадцати.

Табл. 3.2. Частотное перемежение символов

128

Рис. 3.5. Частотное перемежение модуляционных символов при COFDM

Ts каждый, поступают на вход многопозиционного модулятора с позиционностью

M 2, 4, 16, 64, 256 и модуляцией

BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM ,

соответственно.

129