Стандарт цифрового телевидения DVB-T

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

DVB-T (англ. Digital Video Broadcasting -- Terrestrial) -- европейский стандарт эфирного (наземного) цифрового вещания, один из семейства стандартов DVB. Используется, прежде всего, в различных европейских, азиатских и африканских государствах, а также в Австралии как стандарт для передачи цифрового телевидения и радио. Североамериканский пандан к DVB называется ATSC, японский ISDB, в Китайской Народной Республике -- DMB-T/H.Название стандарта DVB-T в разных странах часто имеет другие сокращения, например в Великобритании и Ирландии оно называется «Digital Terrestrial Television (DTT)» или в соответствии со стоимостью «Pay-TV» или «Freeview», в Испании «Televisiуn Digital Terrestre (TDT)», во Франции «Tйlйvision Numйrique Terrestre (TNT)».

Стандарт позволяет передавать сжатое видео, звук и данные в транспортном потоке MPEG, использующем COFDM-модуляцию.

В современном цифровом телевидении используется стандарт MPEG-2, разработанный в 1992 г. группой экспертов по движущимся изображениям (Moving Pictures Expert Group). Одно из основных отличий нового стандарта заключалось в алгоритме удаления избыточной информации, что позволяло получать изображения хорошего качества при относительно небольшом объеме передаваемой информации.

На основе этого алгоритма были разработаны три стандарта цифрового телевидения:

DVB (Digital Video Broadcasting) -- европейский;

ATSC (Advanced Тelevision Systems Committee) -- американский;

ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) -- японский (также планируется использование этого стандарта в Бразилии).

Как и в случае с аналоговым телевидением, существуют несколько способов организации доставки цифрового сигнала каждому пользователю. В связи с этим в европейском стандарте выделяются наземное DVB-T (Terrestrial), спутниковое DVB-S (Satellite) и кабельное DVB-C (Cable) вещание, а также вещание для портативных устройств (DVB-H) (Handheld). Американский и японский стандарты сугубо наземные и не подразделяются на виды.

В России, как и в других европейских странах, вместо аналогового телевидения должно появиться цифровое вещание в стандарте DVB-T. Он разрабатывался в соответствии с уже действующими стандартами DVB-S и DVB-C, что позволяет использовать одинаково кодированную информацию для нормальной работы в каждом из трех стандартов.

DVB-T характеризуется высоким разрешением в 625 строк, использует чересстрочную развертку, при этом частота полукадров составляет 50 Гц. DVB-T в состоянии обеспечить удвоенное (по сравнению с базовым) разрешение по горизонтали и вертикали, а также может передавать изображение c соотношением сторон 16:9. DVB-T поддерживает звук в формате Dolby AC-3, используя для передачи аудиосигнала стандарт MUSICAM.

Разработчики стандарта DVB-T уделили особое внимание устойчивости приема сигнала и его невосприимчивости к переотраженным сигналам. Еще из школьного курса физики известно, что радиоволны метрового и дециметрового диапазона очень негативно относятся к каким-либо препятствиям на своем пути -- они способны только отражаться от них, но никак не огибать. Поэтому, даже если из вашего окна открывается чудный вид на Останкино, никто не сможет гарантировать вам идеальный прием канала. Стоит только пройтись по комнате, как сразу же на экране телевизора появятся помехи. Это связано с тем, что телевизор начинает принимать не только основной сигнал от телебашни, но и волны, отраженные от человеческого тела. Для борьбы с этим эффектом в DVB-T используется специальный алгоритм: информация посылается с передатчика не непрерывным потоком, а разбивается на небольшие пакеты и передается с перерывами. В этом случае эффект эха помогает не только четко передать основной сигнал, но и многократно усилить его за счет повторения отраженными волнами. Кто бывал в горах или пещерах, знает: эхо от слова «Эй!» разобрать гораздо легче, чем крик «синхрофазотрон».

Кроме того, стандарт DVB-T хорошо «прячется» от помех, создаваемых аналоговым телевидением, что делает его особенно ценным для стран с большой территорией (в особенности для России). Нет необходимости, выбиваясь из последних сил, единовременно переводить всю огромную страну на цифровое вещание -- можно делать это постепенно, комбинируя аналоговое и цифровое телевидение.

1. Техническое описание

DVB-T - обозначение стандарта цифрового наземного телевизионного вещания, разработанного в рамках проекта DVB

Стандарт DVB-T для цифрового эфирного ТВ-вещания в диапазоне ДМВ для Европы и других стран был принят в 1996 г. -- на два года позже аналогичных стандартов для спутниковых (DVB-S) и кабельных (DVB-C) каналов связи. Эта задержка была вызвана необходимостью применения более сложных технических методов передачи цифровой информации при сохранении приемлемой стоимости цифрового эфирного телевизора, а также из-за не очень высокой коммерческой конъюнктуры ввиду отсутствия свободных ТВ-каналов в диапазоне ДМВ для большинства стран Европы.

Снизить стоимость цифрового телевизора возможно за счет применения в стандарте DVB-T апробированных технических решений и технологий, разработанных для систем цифрового спутникового и кабельного вещания. Это требует унификации ряда методов обработки цифровых сигналов в указанных системах. Данная задача была решена путем разработки коммерческих требований к цифровой системе эфирного вещания, на основании которых были выбраны необходимые технические решения.

Используемая в DVB-T модуляция OFDM разбивает цифровой поток данных на большое количество более медленных цифровых потоков, каждый из которых в цифровой форме модулируют ряд близко расположенных смежных несущих частот. Микросхемы устройств, осуществляющих модуляцию, могут работать с количеством несущих, равным какой-либо степени двойки, поэтому было выбрано ближайшее число 8192 = 213, режим получил название «8k». Для ускорения принятия стандарта требования к одночастотной сети снизили, ограничившись числом несущих 2048 = 211, режим «2k». В итоге была принята единая спецификация «2k/8k». В стандарте используются два значения длительности активной части символов (Т) -- 224 мкс для режима «2k» и 896 мкс для режима «8k». Частотный разнос несущих составляет 4464 Гц и 1116 Гц, число несущих (N) 1705 и 6817, соответственно.

1.1 Различие мощностей аналогового и цифрового сигнала стандарта DVB-T

Различают пиковую и среднюю мощность сигналов. Пиковая мощность -- это максимальная мощность за какой-либо промежуток времени, измеренная в полосе полезного сигнала. Средняя мощность -- это усреднённая мощность за некоторый период времени, измеренная в полосе полезного сигнала. Отношение пиковой мощности к средней за один и тот же период времени сокращённо называется PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) и выражается в децибелах. Чем меньше значение PAPR, тем эффективнее передатчик расходует подводимую к нему электрическую энергию (имеет более высокий КПД) и тем меньше происходит искажение сигнала. В DVB-T (и особенно в DVB-T2) используются специальные методы для обработки сигнала COFDM для снижения PAPR.

В аналоговом телевидении важнейшей характеристикой излучаемого сигнала служит пиковая мощность несущей изображения, измеренная в полосе 120 кГц. Эта полоса была определена нормативно-техническими документами и не совпадает с полосой канала (8 Мгц). Связано это с тем, что в более широкой полосе сигнал аналогового телевидения постоянно меняется, то есть средняя мощность сигнала аналогового телевидения непостоянна.

В полосе частот аналогового телевидения постоянно присутствуют различные гармоники изображения, амплитуда которых зависит от передаваемого изображения. Максимальная средняя мощность аналогового телевизионного сигнала достигается тогда, когда передаётся чёрное поле. Это происходит потому, что в аналоговом телевидении используется инверсная модуляция, то есть при максимальных уровнях изображения (белое поле) уровень излучаемого сигнала минимален. Поэтому измерение мощности аналоговых передатчиков проводят, как правило, при выключенном источнике аналогового сигнала или отключённой модуляции. Средняя мощность сигнала аналогового телевидения составляет величину от 20 до 30 % от пиковой мощности.

В цифровом телевидении для характеристики излучаемого сигнала используется средняя мощность. Разность между пиковой мощностью и средней мощностью сигнала цифрового телевидения (COFDM) составляет очень малую величину.

При сравнении мощностей аналогового и цифрового телевидения необходимо помнить, что сравниваются разные мощности: пиковая мощность для аналогового передатчика и средняя мощность для цифрового. Для упрощённого сравнения можно мощность аналогового передатчика делить на 5 и после этого сравнивать её с мощностью цифрового, то есть средняя мощность 1кВт цифрового сигнала COFDM соответствует примерно пиковой мощности 5 кВт аналогового сигнала.

Уровень сигнала уверенного приёма аналогового TV 48-54 дб/мкв. Приёмники DVB-T начинают уверенно принимать сигнал при 25-30 дб/мкв. Разница уровней, как минимум, 20 децибел (100 раз). Это значит, что передатчики цифрового телевидения могут быть мощностью в 100 раз меньше, с учётом вышеприведённого коэффициента 100/5 в 20 раз. Это не принимая во внимание отношения сигнал/шум, который у аналогового телевидения 50дб., у цифрового-20-30дб(зависит от параметров сигнала). Что также равносильно уменьшению мощности передатчика, так как уровень шумов в одной и той же точке пространства и на одной и той же частоте одинаков.

цифровой эфирный телевидение радиосигнал

2. Метод модуляции

При цифровом эфирном ТВ-вещании основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

При многолучевом приеме в декодер поступают две (или более) одинаковые по характеру чередования символов, но сдвинутые по времени цифровые последовательности. Поскольку анализ переданного значения символа "0" или "1" в декодере обычно производится в середине символа, то в случае, если задержка радиосигнала второго луча становится близкой или больше половины длительности символа, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного разрушения цифрового канала.

При стационарном эфирном ТВ-приеме бороться с многолучевостью можно путем применения остронаправленных многоэлементных ТВ-антенн, что обычно и делается в системах коллективного эфирного приема. Но это не решает проблемы полностью, так как при этом нельзя будет гарантировать уверенный прием цифровых ТВ-программ на переносные и перевозимые ТВ-приемники, в которых используются простые ТВ-антенны. Радикальным решением этой проблемы является применение в эфирных каналах ТВ-вещания модуляции COFDM (Coded Orthogonal Division Multiplexing), которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме.

При COFDM используется ортогональное частотное мультиплексирование совместно с помехоустойчивым канальным кодированием. Сочетание канального кодирования (аббревиатура С) с ортогональным частотным мультиплексированием (аббревиатура OFDM) обозначается как COFDM. Метод COFDM хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде, Японии и др.

При COFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей. Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом COFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков (обычно 1705 или 6817 субпотоков), длительность символа в параллельных потоках получается существенно больше, чем в последовательном потоке данных (соответственно 280 или 1120 мкс -- в зависимости от числа используемых субпотоков). Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при COFDM временной интервал символа субпотока Ts делится на две части -- защитный интервал D, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа Tu, за время которого принимается решение о значении принятого символа (рисунок 2.1). Отметим, что для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились не в начале, а в конце символов S2, S3 ..., то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом (рисунок 2.1 б, г).

Для обеспечения оптимального обмена между топологией (конфигурацией построения) сети ТВ-вещания и эффективностью использования радиоспектра применяются разные значения защитного интервала. Благодаря этому система может использоваться для вещания как в одночастотной сети с большой зоной покрытия, так и для малых зон, обслуживаемых одним передатчиком.

Для одночастотной радиосети типичным видом эхо-сигналов являются сигналы от соседних по территориальному размещению радиопередатчиков, передающих одинаковые символы COFDM. Эти сигналы не отличаются от классических эхо-сигналов, и их можно оценивать как эхо-сигналы, если они будут поступать в приемник за время защитного интервала D. Таким образом, выбор длительности защитного интервала будет непосредственно влиять на вид проектируемой одночастотной радиосети. Увеличение длительности защитного интервала позволяет увеличить расстояние между соседними радиопередатчиками. С другой стороны, длительность защитного интервала целесообразно выбирать небольшой, так как, с точки зрения теории информации, защитный интервал не используется для передачи полезной информации и его введение уменьшает объем передаваемой информации.

2.1 Групповой спектр радиосигнала OFDM

Такие параметры модема OFDM, как число несущих в групповом спектре, величина их частотного разноса, длительность защитного и рабочего интервала информационного символа, взаимосвязаны и выбираются путем компромиссных решений.

При разработке стандарта DVB-T выбор этих параметров оказался наиболее сложным и дискуссионным вопросом.

Частотный разнос Df между соседними несущими f1, f2 ... fn в групповом радиоспектре OFDM (рисунок 2.2) выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.



Рисунок 2.1 - Взаимное расположение временных интервалов:

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими (рисунок 2.2 а) выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Df і 2/Tu , где Tu -- рабочий интервал информационного символа (рисунок 2.1). Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой. Поэтому в стандарте OFDM выбран ортогональный метод разделения несущих, при котором значение частотного разноса может быть уменьшено в два раза по сравнению с первым методом, за счет чего в два раза повышается плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц.

В нашем случае две модулированные несущие будут ортогональными, если интеграл от их произведения за время длительности рабочего интервала Tu равен нулю. По этой причине при ортогональном методе демодуляции несущих группового спектра взаимные помехи от соседних несущих будут также равны нулю, несмотря на то, что их соседние боковые полосы взаимно перекрываются.

Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Df = 1/Tu , то есть на интервале Tu должно укладываться целое число периодов разностной частоты f2 - f1. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.

2.2 Параметры OFDM

Основные параметры сигналов OFDM приведены в таблице 1.

В стандарте эфирного вещания DVB-T предусмотрены два режима модуляции OFDM, названные режимами 8К и 2К, для которых используются два значения рабочих интервалов информационных символов: Тu1 = 896 мкс -- для режима 8К и в 4 раза меньшее значение Тu2 = 224 мкс -- для режима 2К. Этим рабочим интервалам соответствуют два значения частотного разноса несущих в групповом спектре OFDM: Df1 =1/896 мкc = 1116 Гц и Df2 = 1/224 мкс = 4464 Гц (рисунок 2.2 б, в), при которых в групповом спектре OFDM cодержится n1=6817 для первого режима и n2 = 1705 несущих -- для второго режима модуляции. Общая ширина спектра группового сигнала в обоих случаях равна 7,61 МГц (рисунок 2.2 б, в).

Таблица 1 - Основные параметры системы OFDM

Таким образом, видно, что спектр группового сигнала OFDM можно разместить в эфирном радиоканале аналогового телевидения с полосой пропускания 8 МГц, обеспечивая между соседними радиоканалами защитные частотные интервалы по ~0,39 МГц. Это важный момент, так как согласованность спектра группового сигнала OFDM с существующими радиоканалами эфирной сети ТВ-вещания упрощает внедрение цифровой системы телевидения.

Рисунок 2.2 - Групповой спектр несущих OFDM

Стандартом для каждого режима модуляции предусмотрены 4 относительных значения защитных интервалов, равные 1/4; 1/8; 1/16 и 1/32 длительности рабочего интервала. Соответствующие им абсолютные значения длительностей защитных интервалов и информационных символов в мкс и периодах тактовой частоты Т0 = 7/64 мкс приведены в таблице 1.

В этой же таблице указан максимальный территориальный разнос между ТВ-передатчиками одной ТВ-программы в синхронной одночастотной сети эфирного вещания, который может выбираться при проектировании сети в пределах от 67,2 до 8,4 км и от 16,8 до 2,1 км соответственно для режимов модуляции 8К и 2К.

Остановимся на причинах, по которым в стандарте эфирного вещания были приняты два варианта режимов модуляции (8К и 2К), поскольку эти факторы необходимо учитывать при проектировании такой сети вещания.

Режим модуляции 8К позволяет в одночастотной сети эфирного вещания использовать территориальный разнос между передатчиками одинаковых ТВ-программ до 67 км. При этом получается большая зона покрытия, приемлемые мощности ТВ-передатчиков и стандартные высоты антенно-мачтовых сооружений. Экономические преимущества такой сети становятся особенно заметными при организации ТВ-вещания в странах с большими территориями, за счет сокращения общего числа передающих ТВ-станций сети. По этим причинам в стандарт был введен режим модуляции 8К.

Технически модем 8К реализуется путем выполнения в модуляторе инверсного дискретного преобразования Фурье и прямого дискретного преобразования Фурье -- в демодуляторе телевизора, для чего требуются процессоры с двоичной емкостью 213 = 8192 = 8К. Однако имеющееся в то время первое поколение таких процессоров не подходило для этих целей ни по быстродействию, ни по стоимости, что не позволяло начать одновременно с принятием стандарта разработку аппаратуры с режимом модуляции 8К . По этой причине было принято решение ввести в стандарт второй -- технически более простой режим 2К, для которого уже имелись необходимые процессоры с двоичной емкостью 211 = 2048 = 2К.

В итоге был принят общий стандарт с модуляцией 2К и 8К с разным числом несущих. Спецификация стандарта 2К позволяла начать внедрение цифрового эфирного вещания сразу, а спецификация стандарта 8К могла быть реализована позднее, после разработки соответствующего процессора. Отметим, что с появлением процессоров 8К и необходимости построения сети эфирного вещания с большой зоной покрытия, что характерно для Российской Федерации, предпочтение необходимо отдать режиму модуляции 8К и использовать его при создании отечественной сети цифрового эфирного вещания.

2.3 Модуляция несущих в групповом сигнале OFDM

Стандартом предусмотрено, что в модеме OFDM могут быть использованы следующие виды модуляции несущих группового сигнала: квадратурная фазовая модуляция (4-ФМ), 16- и 64-уровневая квадратурная амплитудная модуляция (16-КАМ или 64-КАМ) с равномерным или неравномерным расположением вершин векторов сигнала в кодовом пространстве сигналов.

Выбор конкретного вида модуляции из указанных производится в зависимости от требуемой скорости передачи данных с учетом избыточности, необходимой для их помехоустойчивого кодирования. Эту избыточность легко оценить, исходя из того, что при помехоустойчивом кодировании в модеме используются сверточные коды с относительными скоростями: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8, в результате чего скорость цифрового потока после помехоустойчивого кодирования увеличится в число раз, равное единице, деленной на относительную скорость кода. То есть, например, при использовании сверточного кода 3/4, скорость цифрового потока возрастает в 4/3=1,33 раза.

Данные, необходимые для выбора вида модуляции в зависимости от требуемой скорости цифрового потока для различных значений относительной скорости сверточного кода и относительной длительности защитного интервала в информационном символе, приведены в табл. 2. Данные этой таблицы не зависят от режима модуляции 8К или 2К, так как при переходе от режима 8К к режиму 2К с уменьшением числа несущих в 4 раза одновременно в 4 раза увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей.

В таблице 2 также указаны необходимые значения отношения сигнал/шум в эфирном радиоканале для двух случаев эфирного приема -- на стационарную, многоэлементную ТВ-антенну и на простую антенну переносного телевизора. Приведенные значения отношения сигнал/шум обеспечивают получение коэффициента ошибок 2 x 10-4 на выходе декодера сверточного кода. Окончательный выбор перечисленных параметров системы цифрового вещания делается путем анализа нескольких альтернативных вариантов.

Таблица 2 - Скорость передачи данных при неиерархической модуляции 8К и 2К

Поясним порядок пользования данными таблицы 2 на примере.

Допустим, что необходимо передать в одном радиоканале 4 ТВ-программы с высоким качеством изображения. В этом случае скорость цифрового потока для одной ТВ-программы может быть выбрана в пределах 7...8 Мбит/с, и соответственно для 4-х ТВ-программ необходимо передать цифровой поток 28...32 Мбит/с. Исходя из этих данных по табл. 2 находим, что необходимую нам скорость можно получить используя 64-КАМ, так как два других вида модуляции 16-КАМ и 4-ФМ не обеспечивают необходимых значений скорости.

Отметим, что при модуляции 64-КАМ для рассматриваемого случая имеется несколько альтернативных вариантов с приемлемыми значениями скоростей цифровых потоков (см. табл. 2): 29.27; 30.16; 29.03; 30.74; 31.67 Мбит/с, отличающихся значениями относительной скорости сверточного кода: С(5/6) и С(7/8) и относительными длительностями защитных интервалов (D/Tu): 1/8; 1/16;1/32. При этом, поскольку параметр D/Tu определяет максимальное расстояние между ТВ-передатчиками в сети вещания (см. табл. 1), а параметр C зависит от выбора мощности ТВ-передатчиков сети, то их значения выбираются путем анализа нескольких вариантов построения проектируемой сети.

2.4 Пространство сигналов

При квадратурной фазовой (4-ФМ) и амплитудной модуляции (16-КАМ и 64-КАМ) сигнал несущей получается путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: coswt и sinwt. Эти сигналы при анализе систем квадратурной модуляции удобно представлять в виде двух квадратурных векторов I и Q, полагая, что вектор I совпадает с осью абсцисс и называется синфазным вектором, а вектор Q совпадает с осью ординат и называется квадратурным вектором. При этом фаза вектора I принимается за нулевую фазу и относительно нее производится оценка фазовых положений векторов модулированного сигнала. Поскольку при математическом анализе квадратурно модулированных сигналов используются комплексные функции, в которых сигнал coswt является действительной частью функции, а сигнал sinwt -- мнимой частью функции и, кроме того, общепринятым считается, что по оси абсцисс откладываются действительные числа, а по оси ординат -- мнимые, то в системе координат I и Q вектору I соответствует сигнал coswt, а вектору Q -- сигнал sinwt.

Пространство сигналов модулированной несущей представляет собой дискретные положения вершин суммарного вектора (I+Q) в системе координат I и Q.

Рисунок 2.3 - Пространство сигналов 4-ФМ и 4-КАМ

В системе OFDM при использовании модуляции 4-ФМ вектора I и Q имеют одинаковые и постоянные амплитуды, дискретно меняются только фазы, которые могут принимать значения 0° или 180° -- для вектора I и 90° или 270° -- для вектора Q. При этом вершины суммарного вектора (I+ Q) при переходе от одного фазового положения в другое описывают окружность (рисунок 2.3 а).

По сравнению с 4-ФМ применение КАМ позволяет увеличить скорость передачи данных в 2 раза -- для 16-КАМ и в 3 раза -- для 64-КАМ.

При применении КАМ вектора I и Q принимают указанные выше фиксированные значения фазы, что и при 4-ФМ, и, кроме того, дискретно модулируются по амплитуде. При этом в стандарте предусмотрены два вида дискретизации амплитуд векторов I и Q -- с равномерным и неравномерным шагом дискретизации амплитуды.

Рисунок 2.4 - Дискретные значения фазы и амплитуд векторов I и Q при неиерхическом виде модуляции 16-КАМ и 64-КАМ

Первый случай называется неиерархическим режимом модуляции, и он обеспечивает одинаковую помехоустойчивость для всех передаваемых кодовых комбинаций. В этом режиме модуляции амплитуды векторов I и Q принимают по 4 фиксированных значения, равных (-3; -1; +1; +3) шагов дискретизации амплитуды -- для 16-КАМ (рисунок 2.4а) и по 8 -- фиксированных значений, равных (-7; -5; -3; -1; +1; +3; +5; +7) шагов дискретизации амплитуды -- для 64-КАМ (рисунок 2.4 б).

Отметим сходство модуляции 4-ФМ с КАМ. При 4-КАМ вершины суммарного вектора (I + Q) лежат в вершинах квадрата (рисунок 2.3 б), который вписывается в окружность 4-ФМ (рисунок 2.3 а), т.е. пространства сигналов 4-ФМ и 4-КАМ совпадают. Таким образом, если выбрать одинаковые манипуляционные коды, то сигналы 4-ФМ и 4-КАМ можно будет формировать и демодулировать одними и теми же устройствами, что полезно использовать при создании унифицированного модема OFDM для нескольких видов модуляции.

Применение иерархического метода модуляции позволяет повысить живучесть системы цифрового вещания при неблагоприятных условиях эфирного приема (например, прием при низкой напряженности радиополя, наличие помех от других радиослужб, прием на комнатную антенну и т.п.).

В этом случае передаваемый цифровой поток разбивается на два потока. Скорость первого потока выбирается равной: 1/2 при 16-КАМ и 1/3 при 64-КАМ от скорости основного потока. (При этом скорость 2-го потока составит, соответственно, 1/2 или 2/3 от скорости основного потока.) Первый поток кодируется с более высокой помехоустойчивостью, и в нем передается наиболее значимая часть информации, например, старшие разряды видео- и звукоданных. Второй поток кодируется с меньшей помехоустойчивостью и используется для передачи менее значимой части информации. При этом разница в отношении сигнал/шум для пороговых точек демодуляции первого и второго потока выбирается в пределах 10 ... 15 дБ.

При иерархической модуляции целесообразно использовать более высокие профили стандарта MPEG-2, т.е. вместо основного профиля стандарта MPEG-2 применить профиль с масштабируемым отношением сигнал/шум или специально масштабируемый профиль, при которых живучесть системы при неблагоприятных условиях приема повышается за счет снижения отношения сигнал/шум и четкости ТВ-изображения.

В итоге при неблагоприятных условиях, когда не удается демодулировать второй цифровой поток, ТВ-изображение на экране телевизора сохраняется, хотя и воспроизводится с ухудшенным качеством (повышенным уровнем шумов и пониженной четкостью). С улучшением условий приема качества изображения полностью восстанавливается.

2.5 Пространство сигналов 16- и 64-КАМ при иерархической модуляции

Переход к иерархической модуляции осуществляется за счет применения двух значений шага дискретизации при дискретизации амплитуд векторов I и Q. Меньшее значение шага дискретизации d1 остается таким же, как и при неиерархической модуляции, а большее значение шага дискретизации d2 выбирается в 2 или 4 раза больше d1, т.е. d2= a x d1, где a = 2 или 4.

Пространство сигналов 16- или 64-КАМ строится следующим образом. Первые от начала координат точки по положительным и отрицательным направлениям осей I и Q имеют фиксированные амплитуды, равные d2/2. Остальные точки на указанных осях имеют фиксированные значения амплитуд, следующих с шагом дискретизации d1.

Рисунок 2.5 - Дискретные значения векторов I и Q при иерархической 64-КАМ

На рисунке 2.5 показаны дискретные значения амплитуд векторов I и Q при иерархической 64-уровневой КАМ. Каждый вектор может иметь 8 фиксированных амплитуд равных или (-8, -6, -4, -2, +2, +4 , +6, +8) шагов дискретизации d1 при a = 2, или (-10, -8, -6, -4, +4, +6, +8, +10) шагов дискретизации d1 при a = 4.

В случае 16-уровневой КАМ число фиксированных значений амплитуд векторов I и Q уменьшается до 4, и эти дискретные значения будут совпадать с вышеуказанными на интервалах от (-4, -2, +2, +4) при a = 2 и от (-6, -4, +4, +6) при a = 4.

При модуляции амплитуды векторов I и Q могут в произвольном порядке принимать одно из 4 (при 16-КАМ) и одно из 8 (при 64-КАМ) указанных фиксированных значений. В итоге в пространстве сигналов 16/64-КАМ будут присутствовать 16 или 64 суммарных вектора (I + Q), расстояние между вершинами которых будет максимальным при значениях амплитуд векторов (I, Q) равных: (2,2); (2,-2); (-2,2); (-2,-2) -- для случаев 16/64-КАМ a = 2, и (4,4); (4,-4); (-4,4); (-4,-4) -- для случаев 16/64-КАМ a = 4.

Эти кодовые комбинации будут обладать максимальной помехоустойчивостью, и их необходимо использовать при передаче наиболее значимой части информации.

2.6 Манипуляционные коды

При указанных видах квадратурной модуляции в пространстве сигналов I и Q имеется соответственно 4; 16 и 64 фиксированных положений вектора (I + Q). Каждому такому положению вектора соответствует определенная кодовая комбинация, состоящая из 2 бит при 4-ФМ и соответственно из 4 и 6 бит при 16/64-КАМ, и эти комбинации бит называются манипуляционным кодом. При выборе манипуляционного кода необходимо исходить из двух основных требований: обеспечения максимальной помехоустойчивости модема OFDM и простоты технической реализации операций кодирования-декодирования.

При используемых в сети эфирного цифрового вещания отношениях сигнал/шум наиболее вероятным от действия помех будет сбой истинного положения вектора несущей (рисунок 2.3 а, б) в одно из ближайших соседних положений по горизонтали или вертикали. Например, несущая из положения (0,0) перейдет в положение (0,1) или (1,0), так как сбой по диагональным направлениям, например, переход из положения (0,0) в положение (1,1), требует более высокого уровня помехи. В этих условиях число цифровых ошибок будет минимальным, если соседние по горизонтальным и вертикальным направлениям пространства сигналов 4-ФМ и 16/64-КАМ комбинации манипуляционного кода будут отличаться друг от друга только в одном символе. Например, если переданное значение кодовой комбинации было (0,0) (рисунок 2.3 а, б), а после сбоя положения несущей из-за действия помех, она была принята и декодирована как (0,1) или (1,0), то произойдет только одна цифровая ошибка, так как другой бит будет декодирован без ошибки. Ясно, что ошибки декодирования при сбое положения несущей будут возникать только в тех битах, за счет которых одна комбинация отличается от другой.

Отметим, что существует ряд оптимальных манипуляционных кодов, в которых при движении по горизонтальным и вертикальным направлениям пространства сигналов ФМ или КАМ соседние кодовые комбинации отличаются друг от друга только в одном бите. Поэтому для обеспечения совместимости модемов OFDM, выпускаемых разными фирмами-изготовителями, необходимо стандартизировать один из оптимальных манипуляционных кодов, выбрав такой код, при котором получается более простой техническая реализация модема. С этой целью целесообразно унифицировать отдельные функциональные узлы аппаратуры эфирного, спутникового и кабельного ТВ-вещания и использовать в этих системах одинаковые манипуляционные коды, что и было отражено в стандарте.

Отметим, что манипуляционный код модема OFDM для варианта модуляции 4-ФМ приведен на рисунке 2.3 а, и он совпадает с манипуляционным кодом для спутниковых каналов связи [4]. Кроме того, принцип построения манипуляционных кодов при 16- и 64-КАМ и соответствующие им пространства сигналов были рассмотрены в журнале, манипуляционные коды соответствуют случаю неиерархической модуляции 16- и 64-КАМ модема OFDM.

Пространство сигналов модема OFDM при иерархической модуляции 64-КАМ для случая a=2 показано на рисунке 2.6. Отметим также, что в случае иерархической модуляции 64-КАМ для a=4 порядок расположения кодовых групп по вертикальным и горизонтальным направлениям остается таким же, как на рисунке 2.6, необходимо только изменить шаг дискретизации амплитуд векторов I и Q согласно данным рисунок 2.5 б.

2.7 Структура кадра OFDM

При выборе структуры кадра необходимо обеспечить, во-первых, быстрое вхождение в синхронизм демодулятора цифрового телевизора, с тем чтобы не вызвать чувства раздражения у телезрителей в моменты переключения телевизора с одной программы на другую. Во-вторых, формат кадра OFDM должен быть согласован с форматом транспортного пакета MPEG-2 (длительность пакета 204 байта), с тем чтобы взаимные преобразования этих форматов в модеме могли быть выполнены простыми техническими средствами.

В результате учета этих требований в стандарте OFDM была принята двухступенчатая структура передачи данных в виде супер-кадра, состоящего из 4 кадров OFDM. При этом в одном супер-кадре содержится целое число транспортных пакетов MPEG-2, что позволяет производить взаимные преобразования форматов транспортных пакетов и супер-кадра OFDM без введения в модем OFDM стаффинг-синхронизации. В то же время наличие в супер-кадре 4 кадров повышает в 4 раза скорость передачи сигналов синхронизации, за счет чего обеспечивается приемлемое время вхождения в синхронизм демодулятора телевизора.



Рисунок 2.6 - Пространство сигналов и манипуляционные коды модема OFDM при иерархической модуляции 64-КАМ при б=2

Структура кадра OFDM показана на рисунке 2.7. Кадр состоит из 68 символов OFDM, которым присвоены номера от 0 до 67. Длительность кадра равна TF=68TS , а значения TS (длительности информационных символов) для различных режимов работы приведены в табл.1. Кадр содержит для режимов модуляций 8К и 2К, соответственно, 6817 и 1705 несущих.

Для работы приемного устройства необходимо совместно с информационными символами передавать опорные сигналы, во-первых, сигналы для фазовой автоподстройки опорных частот демодулятора, во-вторых, -- сигналы тактовой синхронизации функциональных блоков демодулятора, в-третьих, -- сигналы для оценки состояния эфирного радиоканала, в-четвертых, -- сигналы управления демодулятором, содержащие информацию о используемых режимах модуляции. Для этих целей в каждом символе OFDM для режимов модуляции 8К и 2К выделено, соответственно, 769 и 193 опорных несущих, которые по сравнению с информационными несущими передаются с повышенной на 2,5 дБ мощностью.

Для фазовой автоподстройки опорной сетки когерентных частот демодулятора используются так называемые фиксированные опорные несущие, частотные позиции которых в каждом символе OFDM постоянны.



Рисунок 2.7 - Фрагмент структуры кадра OFDM

Всего для этой цели в режимах 8К и 2К используется соответственно 177 и 45 фиксированных несущих. Номера выделенных для этих целей несущих заданы в виде таблицы , в которой первый и последний номер совпадает со значениями Кmin и Кmax (рисунок 2.7). Фиксированные несущие модулируются опорной псевдослучайной последовательностью.

Для повышения живучести системы OFDM и снижения числа цифровых ошибок в демодуляторе ведется оценка текущего состояния амплитудно-частотной характеристики сквозного радиоканала модема, на основании чего производится расчет текущей переходной характеристики радиотракта и выбирается оптимальный временной интервал ("временное окно") для декодирования информационных сигналов. Для этой цели используются так называемые рассредоточенные опорные несущие, частотные позиции которых смещаются при переходе от одного символа OFDM кадра к другому символу OFDM (рисунок 2.7). Причем эти изменения номеров рассредоточенных несущих производятся с периодом 4 символа OFDM, т.е., например, частотные позиции рассредоточенных несущих в символе OFDM c номером 0 и номером 3 совпадают. В результате такого периодического сдвига частот рассредоточенных опорных несущих происходит более точное частотное сканирование сквозной АЧХ радиотракта модема. Для этой цели используются в режимах 8К/2К соответственно 524 и 131 рассредоточенных опорных несущих, которые модулируются опорной псевдослучайной последовательностью.

Кроме того, для передачи сигналов управления демодулятором в режимах 8К и 2К используются соответственно 68 и 17 рассредоточенных несущих, положения которых в кадре OFDM заданы в виде таблицы.

3. Канальное кодирование

Канальное кодирование используется для повышения помехоустойчивости системы цифрового эфирного вещания и согласования форматов передачи данных кадра OFDM и транспортных пакетов MPEG-2. Канальный кодек включает в себя систему внешнего и внутреннего кодирования модема. Такая структура кодека позволяет унифицировать ряд его функциональных узлов для эфирных, спутниковых и кабельных систем цифрового вещания за счет того, что общие для этих систем вещания операции по обработке данных выполняются во внешней системе кодирования, а дополнительная обработка данных, зависящая от вида модуляции и среды передачи, выполняется в составе внутренней системы кодирования модема. Такая унификация дает экономический эффект и сокращает сроки внедрения, так как в этом случае для создания аппаратуры цифрового эфирного вещания можно использовать новые технологии и специализированные интегральные схемы, разработанные для систем спутникового и кабельного цифрового вещания. По этой причине в стандарте эфирного цифрового вещания было принято, что используемые во внешней системе канального кодирования модема OFDM структура цикла обработки данных, методы скремблирования, помехоустойчивого кодирования кодом Рида-Соломона и сверточного перемежения данных остаются такими же, как и в системах цифрового спутникового и кабельного вещания. Кроме того, во внутренней системе канального кодирования модема OFDM используется тот же метод сверточного кодирования, который принят в системе цифрового спутникового вещания. Кратко поясним выполняемые ими функции в модеме OFDM.

3.1 Внешнее канальное кодирование

Цикл обработки данных в системе внешнего канального кодирования модема OFDM синхронен с частотой передачи транспортных пакетов MPEG-2 и включает в себя группу из 8 транспортных пакетов по 188 байтов каждый. Для введения сигнала цикловой синхронизации в первом транспортном пакете цикла производится инверсия символов стартовой синхрогруппы пакета. В остальных семи транспортных пакетах цикла стартовые синхрогруппы не инвертируются.

Скремблирование вводится для устранения длинных серий "0" или "1" в транспортных пакетах MPEG-2, за счет чего обеспечивается устойчивая работа системы тактовой синхронизации приемного устройства. При этом, чтобы не нарушить в демодуляторе цикловую синхронизацию, стартовые синхрогруппы транспортных пакетов скремблированию не подвергаются.

Помехоустойчивое кодирование транспортных пакетов MPEG-2 выполняется совместно со стартовыми синхрогруппами пакетов и производится кодом Рида-Соломона (204, 188, 8), что позволяет скорректировать 8 пакетов цифровых ошибок размером по 1 байту. После такого кодирования длительность транспортного пакета возрастает с 188 до 204 байтов.

Перемежение данных вводится для защиты от пакетов цифровых ошибок размером больше 1 байта. С этой целью производится перестановка двух соседних байтов транспортного пакета на глубину перемежения 12 байтов. При этом, чтобы не нарушить в демодуляторе цикловую синхронизацию, стартовые синхрогруппы в транспортных пакетах перемежению не подвергаются и остаются на своих временных позициях.

3.2 Внутреннее канальное кодирование

Внутреннее канальное кодирование модема OFDM вводится с целью защиты передаваемой информации, во-первых, от селективных замираний несущих в групповом сигнале OFDM при работе в синхронной одночастотной сети ТВ-вещания. Во-вторых, для защиты от помех при многолучевом приеме в переносных ТВ-приемниках, работающих с простыми домашними дипольными антеннами.

Кроме того, эта система помехоустойчивого кодирования должна снизить коэффициент цифровых ошибок на выходе демодулятора с 10-1 ...10-2 до уровня 2 x 10-4, что необходимо для нормальной работы указанной выше унифицированной внешней системы кодозащиты модема OFDM. Для повышения помехоустойчивости цифровой поток с выхода внешней системы кодозащиты модулятора проходит сверточное кодирование.

Необходимо отметить, что заимствованный из системы цифрового спутникового вещания сверточный код не является полностью оптимальным для условий приема демодулятора OFDM. По этой причине при разработке стандарта предлагались и другие коды. Однако сравнительные оценки корректирующих способностей различных кодов и такие же оценки стоимости создания новых технологий и специализированных интегральных схем для реализации новых методов кодирования показали целесообразность унификации и стандартизации сверточного кодирования для эфирного и спутникового вещания, что и было сделано в стандарте.

Дальнейшая обработка данных при внутреннем кодировании вводится для защиты от селективных замираний несущих группового спектра OFDM, для чего производится побитное и побайтовое перемежение данных с тем, чтобы соседние биты и байты не передавались на соседних несущих. Эти процедуры описаны в стандарте соответствующими алгоритмами, на основании которых аппаратно-программным способом они могут быть реализованы.

Заключение

DVB (англ. Digital Video Broadcasting) -- семейство стандартов цифрового телевидения, разработанных консорциумом DVB и стандартизированных Европейским институтом телекоммуникационных стандартов.

Стандарты охватывают все уровни модели взаимодействия открытых систем OSI с разной степенью детализации для различных способов передачи цифрового сигнала: наземного (фиксированного и мобильного), спутникового, кабельного (как классического, так и IPTV). На более высоких уровнях OSI стандартизируются системы условного доступа, способы организации информации для передачи в среде IP, различные метаданные и др.

Некоторые стандарты DVB в высокой степени связаны со стандартами MPEG-1, MPEG-2 и ITU H.264, которые определяют тип используемого транспорта и способ компрессии изображений в цифровом телевидении. В то же время стандарты DVB предлагают расширения этих стандартов, особенно MPEG-2.

На сегодня семейство стандартов DVB достигло десятков членов. Однако, основными, как и прежде и наиболее актуальными остаются DVB-T (Terrestrial) - стандарт наземного, эфирного телевещания, DVB-S (Satellite) - стандарт спутникового вещания, DVB-C (Cable) - кабельного и DVB-H(Handheld) - цифрового вещания для мобильных устройств. К слову, на очереди - уже второе поколение почти всех названных стандартов - DVB-S2, DVB-T2 и т. п.

Список используемой литературы

1. ATSC: "ATSC Digital Television Standard", ATSC Doc. A/53, September 16, 1995 ( http://www.atsc.org);

2. Л.Севальнев "Эфирное вещание цифровых ТВ-программ со сжатием данных" //ТЕЛЕ-Спутник, 1998, с.56-64 ;

3. Л.Севальнев "Стандарт цифрового эфирного телевидения DVB-T. Проекты Philips." // ТЕЛЕ-Спутник, №5,1999, с.43;

4. Варгаузин.В Артамонов А. "Сравнительная характеристика европейского и американского стандартов цифрового наземного телевидения."//ТЕЛЕ-Спутник №11(49) Ноябрь 1999;

5. К.Гласман "Цифровое наземное телевизионное вещание: ATSC-DVB-ISDB"// 625, №4, 1999, c. 66-70;

6. Дин Мермелл "Секреты HDTV" ZDNet-Обзоры 6 марта 2000г;

7. Ф. Самойлов "HDTV- телевидение высокой четкости- великий антлантичесткий раздел?" Архив журнала "625":1998:№1;

8. "Технология высокоскоростной передачи потокового HDTV-видео в корпоративных сетях и Internet"// Источник infoart.ru;

9. Л. Спектор "Телевидение высокой четкости на вашем ПК"// Еженедельник «Computerworld Россия», #07/2000;

10. Словарь терминов "Телевидение и радиовещание", Авторы: В.А. Хлебородов, П.П. Олефиренко. Под редакцией проф. М.И. Кривошеева;

11. Б. А. Локшин, «Цифровое вещание: от студии к телезрителю», М. 2000 г. ISBN 5-88230-049-5;

12. В. А. Серов, «Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H», БХВ-Петербург, 2010 г. ISBN 978-5-9775-0538-3.

Размещено на Allbest.ru

...