Обратное перемежение символов

4. COFDM

Система DVB-T разрабатывалась для цифрового  вещания, но она должна встраиваться в существующее аналоговое окружение, поэтому в системе следует  обеспечить защиту от интерференционных  помех соседнего и совмещенного каналов, обусловленных действующими передатчиками PAL/SECAM. Поскольку речь идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность  использования частотного диапазона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных передатчиков, многочастотных и одночастотных  сетей. Система DVB-T должна успешно бороться с типичными для наземного  телевидения эхо-сигналами и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого  распространения радиоволн. Является желательным создание условий для  приема в движении и на комнатные  антенны. Все эти требования были выполнены в DVB-T благодаря применению новой системы модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex- частотное уплотнение с ортогональными несущими).

OFDM отличается  передачей сигнала с использованием  большого количества несущих  колебаний. Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию  модулированных колебаний даже  в условиях частичного перекрытия  полос отдельных несущих. Однако  многолучевое распространение радиосигнала в точку приема (довольно типичное для наземного телевидения) приводит к ослаблению и даже полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных.

Применение  какой-либо одной системы кодирования  не дает желаемого эффекта в условиях наземного телевидения, для которого типично проявление разнообразных  шумов, помех и искажений, приводящих к возникновению ошибок с разными  статистическими свойствами. В таких  условиях необходим более сложный  алгоритм исправления ошибок. В системе DVB-T используется сочетание двух видов  кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и  статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически  безошибочную работу (такой подход типичен и для других сфер, например, для цифровой видеозаписи). Если благодаря  работе внутреннего кодирования  частота ошибок на выходе внутреннего  декодера (рис. 2) не превышает величины 2і10-4, то система внешнего кодирования  доводит частоту ошибок на входе  демультиплексора MPEG-2 до значения 10-11, что соответствует практически  безошибочной работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).

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

Кодирование превращает OFDM в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Почему же COFDM более эффективна в условиях многолучевого приема, чем системы передачи с одной несущей? Если по каналу связи с резко выраженной неравномерностью частотной характеристики передается одна модулированная несущая, то ослабление отдельных частотных составляющих можно компенсировать с помощью частотного корректора (хотя и за счет уменьшения отношения сигнал/шум), но если какая-нибудь составляющая подавлена полностью, то корректирующий фильтр помочь не может в принципе и сигнал претерпевает необратимые искажения. Однако если данные передаются с помощью частотного уплотнения, то даже полное исчезновение сигналов отдельных несущих не является катастрофой, поскольку данные, переносимые этими несущими, могут быть восстановлены за счет канального кодирования. Контейнер COFDM отлично приспособлен к условиям передачи данных в наземном телевидении благодаря возможности раздельной обработки сигналов большого числа несущих.

5. Внешнее кодирование  и перемежение

В системе  внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона. В процессе кодирования  к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных  байтов. При декодировании на приемной стороне это позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта.

Формирование пакетов  данных с защитой  от ошибок с памятью  внешнего кода Рида-Соломона RS (204, 188)  

Внешнее перемежение осуществляется путем  изменения порядка следования байтов в пакетах, защищенных от ошибок. В  соответствии со схемой, показанной на рисунке 2, перемежение выполняется  путем последовательного циклического подключения источника и получателя данных к двенадцати ветвям, причем за одно подключение в ветвь направляется и из ветви снимается 1 байт 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 (12і17=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). Синхронизация устройств  прямого и обратного перемежения  осуществляется путем направления  первого же обнаруженного байта  синхронизации через ветвь с  номером 0.

6. 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. 2). 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).

В режимах  с большей скоростью кодирования  передается лишь часть генерируемых сигналов X и Y (передаваемые сигналы  и их порядок приведены в таблице  рисунка 7). 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. При максимальной скорости внутреннего кода, равной 7/8, семи входным битам соответствуют  восемь выходных (X1, Y1, Y2, Y3, Y4, X5, Y6, X7).

7. 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.

8. 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. 8). 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) mod 126.

9. 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 (126і12=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 (126і48=6048), используемых для модуляции 6048 несущих. Это дает вектор Y'=(y'0, y'1,…, y'6047).

10. 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 символов (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 (режим 2k) или 6048 (режим 8k) символов.

11. Формирование модуляционных  символов