СОГЛАСОВАНИЕ СИСТЕМЫ МОДУЛЯЦИИ И КОДИРОВАНИЯ.

 

Многопозиционные сигналы с плотной упаковкой (например, ФМ) обеспечивают повышение частотной эффективности за счет снижения энергетической при увеличении количества позиций. С другой стороны, применение корректирующих кодов позволяет повысить энергетическую эффективность системы передачи при определенных потерях в эффективности использования полосы пропускания канала связи. Задачи построения высокоэффективных систем (в частности, спутниковых) сводится к поиску такого расположения точек в сигнальном пространстве, при котором обеспечивается высокая частотная эффективность (сигналы расположены достаточно плотно) и одновременно высокая помехоустойчивость (сигналы достаточно друг от друга разнесены). Для этого необходимо использовать для модуляции несущей передатчика такой манипуляционный код, чтобы большему расстоянию по Хэммингу между кодовыми словами соответствовало большее расстояние по Евклиду между соответствующими им сигналами [7,10].

С этой целью, в стандарте В стандарте DVB-S2 модуляция осуществляется в четырех вариантах – QPSR, 8PSK, 16APSK и 32APSK (рис. 3). Две точки созвездия, размещенные в каждом квадранте, отображают один символ сигнала с верхним приоритетом. Наложение сигнала DVB-S2 осуществляется сдвигом символов в констелляционном поле по окружности с определенным углом наклона. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работающим в режиме, близком к насыщению.

Символы внутри констелляционного поля APSK модулированного сигнала размещены по окружностям, что улучшает помехоустойчивость при передаче амплитуды символов в режимах, близких к точке насыщения.

В зависимости от выбранного режима помехоустойчивого кодирования и схемы модуляции уровень сигнал/шум, позволяющий принять сигнал на приемной стороне, колеблется от - 2,4 дБ (при модуляции QPSK и FEC с относительной скоростью 1/4) до +16 дБ (32 APSK и FEC 9/10). Эти значения справедливы для Гауссового канала и идеального демодулятора. При условии допустимости BER на уровне 10Е-7 энергетика сигнала превышает предел Шеннона всего на 0,7–1,2 дБ. Новый стандарт DVB-S2 обеспечивает повышение скорости передачи полезной информации на 20–35%.

При 4-позиционной фазовой манипуляции несущая может принимать 4 фиксированных положения фазы в зависимости от комбинаций двоичных символов на I (синхронном) и Q (квадратурном) входах модема. Для обеспечения совместимости модуляторов и демодуляторов разных фирм изготовителей эти положения стандартизованы и показаны на фазовой диаграмме рис. 2.6, из которого следует, что, например, комбинации двоичных символов 00 на входах I и Q модема соответствует фаза несущей 45°, а комбинации двоичных символов 10 - фаза 135°.

 

Рис.2.6 Структурная схема модема с внутренней системой кодозащиты.

Система координат I и Q определяется структурной схемой модулятора. Типовой ФМ-4 модулятор состоит из двух параллельно работающих ФМ-2 модуляторов, на один из которых синусоидальный сигнал подается непосредственно от задающего генератора модема, а на другой ФМ-2 модулятор — со сдвигом по фазе на 90^о. Ортогональные сигналы I и Q образуют эквидистантную систему: расстояния между двумя соседними сигнальными точками равны d= , где Е — энергия сигнала.

Кодер Грея, включенный между сверточным кодером и модулятором, преобразует двоичный код с выхода СК в оптимальный манипуляционный код вида 00, 01, 11, 10. В таблице 2.1 представлены расстояния по Хэммингу (dx) и расстояния по Евклиду (dЕ) для этого кода:

Таблица 2.1

Код Грея
dx
dЕ			2

 

Из таблицы следует, что большему расстоянию по Хэммингу соответствует большее расстояние по Евклиду, что обеспечивает, как уже отмечалось, высокую эффективность данной сигнально-кодовой конструкции. Переход любой сигнальной точки из-за действия помех в области (квадрантов) соседних с ней сигналов приведет к появлению ошибки только в одном разряде соответствующей информационной комбинации, что минимизирует вероятность ошибки на двоичный символ [7,10].

Мерой помехоустойчивости и качества передачи сигналов в цифровых системах связи является вероятность ошибки (или коэффициент ошибок), которая определяется величиной энергетического отношения сигнал-шум на входе демодулятора цифровых сигналов, равного q_d=E_d / N₀, где E_d — энергия, затрачиваемая на передачу одного бита информации; N₀ — спектральная плотность мощности шумов.

Применение помехоустойчивого кодирования понижает требуемое отношение сигнал-шум (дБ) и дает энергетический выигрыш, что особенно важно для спутниковых систем связи, энергетика которых ограничена.

Особенно высокие требования по помехоустойчивости предъявляются к системам цифрового телевизионного вещания, в которых передаются сигналы с большим информационным сжатием данных. Требуемое качество выходного изображения в этих системах достигается при коэффициенте ошибок порядка 10^-10…10^-11 [3,8]. Применение регламентируемого стандартом DVB-S2 каскадного кодирования с перемежением данных и оптимального манипуляционного кода обеспечивает нужную помехоустойчивость. В табл. 2.2, представлены пороговые значения отношения сигнал-шум (E_d / N₀) в зависимости от скорости внутреннего сверточного кода, обеспечивающие коэффициент ошибок 10^-10…10^-11 при кодировании по стандарту DVB-S.

Таблица 2.2.

Скорость СК	Ѕ	2/3	3/4	5/6	7/8
Ed / N0	4,5		5,5		6,4

 

Без применения помехоустойчивого кодирования вероятность ошибки 10^-10 в идеальном демодуляторе ФМ-4 достигается при отношении сигнал-шум на входе, равном E_d / N₀=13 дБ [6].

Таким образом, помехоустойчивое кодирование по стандарту DVB-S2 обеспечивает энергетический выигрыш, равный 6,5…8 дБ.

 

8PSK это по сути два отдельных созвездия использующие кодирование Грея, которые повёрнуты на 45° относительно друг друга. Обычно, чётные и нечётные биты используются для определения точек соответствующего созвездия. Это приводит к уменьшению максимального скачка фазы с 180° до 135°.

С другой стороны, использование π/4-QPSK приводит к простой демодуляции и вследствие этого она используется в системах сотовой связи с временным разделением каналов.