Основы радиовещания и телевидения

Рида-Соломона позволяет эффективно исправлять до 8 принятых с ошибками байтов в каждом транспортном пакете.

Отметим также, что используемый в цифровом телевизионном вещании код Рида-Соломона часто называют укороченным. Смысл этого термина состоит в следующем. Из теории кодов Рида-Соломона следует, что если символом кода является байт, то полная длина кодового слова должна составлять 255 байтов (239 информационных и 16 проверочных). Однако, пакет транспортного потока МРЕG-2 содержит 188 байтов. Чтобы согласовать размер пакета с параметрами кода, перед кодированием в начало каждого транспортного пакета добавляют 51 нулевой информационный байт, а после кодирования эти дополнительные нулевые байты отбрасывают.

В приемнике для каждого принятого транспортного пакета, содержащего 204 байта, вычисляются синдромы и находятся два полинома: “локатор”, корни которого показывают положение ошибок, и “корректор”, дающий значение ошибок. Ошибки корректируются, если это возможно. Если же коррекция невозможна(например, ошибочных байтов более 8) данные в пакете не изменяются, а сам пакет помечается путем установки флага (первый бит после синхробайта), как содержащий неустранимые ошибки. В обоих случаях 16 избыточных байтов удаляются, и после декодирования длина транспортного пакета становится равной 188 байтов.

Лекции 21- 22 Сверточные коды

Другой класс корректирующих кодов, используемых в современном цифровом телевидении, - это сверх точные коды, основанные на преобразовании входной бесконечной последовательности двоичных символов в выходную бесконечную последовательность двоичных символов, в которой на каждый символ входной последовательности приходится более одного символа. Увеличение количества передаваемых двоичных символов при использовании сверх точных кодов характеризуется относительной скоростью кода, иногда называемой просто скоростью кода,

R = Qвх/Qвых = k/n

где Qвх и Qвых - скорости передачи двоичных символов на входе и выходе кодера соответственно, k - число битов входной последовательности, преобразуемых в n битов выходной последовательности.

Кодер содержит трехразрядный сдвиговый регистр, на вход которого поступает входная последовательность двоичных символов. На каждый такт биты в ячейках регистра сдвигаются на шаг вправо, причем очередной бит входной последовательности записывается в первую слева ячейку, а бит из крайней справа ячейки выбрасывается. Выходы разрядов регистра подключены ко входам двух сумматоров по модулю 2. Выходная последовательность двоичных символов формируется с помощью коммутатора, который на каждый такт входной последовательности сначала передает на выход бит с верхнего сумматора (точка 1), а потом - с нижнего(точка 2). Таким образом, на каждый бит входной последовательности формируются два бита выходной последовательности, т.е. относительная скорость этого кода R = 1/2.

Важный параметр сверх точных кодов -- кодовое ограничение, обозначаемое К. Этот параметр показывает, сколько групп по k битов содержится в сдвиговом регистре и, следовательно, одновременно участвует в формировании битов выходной последовательности.

Каждый двоичный символ входной последовательности преобразуется в пару двоичных символов выходной последовательности, определяемую двоичным символом входной последовательности и текущим состоянием кодирующего устройства.

Таких состояний может быть четыре: 00, 01, 10 и 11.

Каждому состоянию соответствует горизонтальный ряд узлов на диаграмме. Из каждого узла, соответствующего текущему состоянию, выходят две ветви. Верхняя (на рисунке) ветвь соответствует двоичному символу “0” входной последовательности, а нижняя ветвь -- двоичному символу “1”. Пара цифр у каждой ветви показывает пару двоичных символов выходной последовательности, формируемых при данном переходе кодирующего устройства из одного состояния в другое. Полученная структура переходов кодирующего устройства образует решетку, поэтому такие коды часто называются решетчатыми.

Если входная последовательность состоит из одних нулей, то и выходная последовательность также содержит только нули. Пусть входная последовательность содержит один единичный бит, а остальные - равные нулю:

....0 0 1 0 0 0 ....

С помощью структурной схемы кодера и решетчатой диаграммы построим выходную последовательность:

.... 00 00 11 01 11 00 00 ...

Эта последовательность содержит 5 единиц, поэтому расстояние Хемминга между ней и последовательностью из одних нулей равно 5. Изучение свойств рассматриваемого сверточного кода показывает, что расстояние Хемминга между выходными последовательностями, получающимися из различных входных и не содержащими ошибок, оказывается не менее 5. Вообще, расстояние между выходными последовательностями возрастает с уменьшением R и увеличением К.

Для декодирования сверх точных кодов чаще всего применяется алгоритм Витерби, который позволяет из множества возможных путей, приводящих к последнему декодируемому символу принятой последовательности, выбрать относительно небольшое число путей, являющихся наиболее правдоподобными, и определить правильное значение символа исходной последовательности.

В системе цифрового телевидения DVB при передаче по спутниковым и наземным каналам связи используется сверточное кодирование со следующими параметрами:

- кодовое ограничение К= 7;

- относительные скорости кода R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.

В стандартах цифрового телевидения, как правило, используется каскадное кодирование(рис.3), так как в используемых каналах связи частота ошибок может быть настолько велика, что код Рида-Соломона не обеспечивает необходимой помехоустойчивости. Сначала пакеты транспортного потока кодируются кодом Рида-Соломона(внешнее кодирование), а затем полученная последовательность двоичных символов кодируется с применением сверточных кодов (внутреннее кодирование).

Коды называются внутренним и внешним в зависимости от того, какое положение по отношению к каналу передачи они занимают.

Каскадное кодирование обеспечивает эффективную защиту от ошибок при передаче сигналов цифрового телевидения. При отношении сигнал / помеха (по мощности) равном З дБ относительная частота ошибок на входе декодера решетчатого кода составляет 10-1 ... 10-2, на выходе же этого декодера она уменьшается примерно до 2х10-4, а на выходе декодера Рида-Соломона - от 10-10 до 10-11. Интересно оценить, как близко это значение к теоретическому пределу и существуют ли практические коды с лучшими энергетическими характеристиками. Согласно известной теории Шеннона, информация по каналу с ошибками при выборе соответствующего кода может быть передана со сколько угодно высокой достоверностью, если скорость передачи не превышает пропускной способности канала. Еще один важный вывод из теории информации - исправляющие свойства кода тем выше, чем ближе кодовые слова к случайной последовательности. Исследования показывают, что для канала с аддитивным белым шумом предельная оценка на З дБ ниже достигнутой для данного каскадного кода.

При передаче по каналам с ограниченной полосой (типовой режим для вещательных каналов) метод кодирования для достижения максимальной эффективности должен учитывать также и выбранную схему модуляции.

В середине 90 - х годов был предложен новый класс кодов - так называемые турбокоды, которые еще на 1,5--2,5 дБ приблизились к теоретическому порогу. Основная идея этого кода, как и каскадного, кодирование исходной символьной последовательности не одним, а несколькими кодерами, однако соединенными не последовательно(каскадно), а параллельно. При таком соединении устраняется одна из причин более низкой эффективности каскадного кода - кодирование внутренним кодером как информационных, так и проверочных битов внешнего.

Типовая структурная схема турбокодера содержит несколько параллельных ветвей, состоящих из каскадно соединенных перемежителя и кодера. В качестве последнего могут использоваться блоковые кодеры Хэмминга, Рида-Соломона, сверточные кодеры, построенные по схеме рекурсивного систематического кодера. Мы упоминали, что рекурсивным называется устройство, у которого имеется обратная связь с выхода на вход. Рекурсивный сверточный кодер приобретает важное свойство, необходимое для турбокодирования, - он становится систематическим, так как входная последовательность напрямую проходит на один из выходов. Если теперь в распределительном устройстве на входе добавлять к каждой последовательности из k битов хвостовую часть из n-k битов, переводящую кодер в исходное нулевое состояние, его можно рассматривать как блоковый с длиной блока n. В практических схемах турбокодеров обычно используются два кодера и один перемежитель.

Здесь за основу взят простейший сверточный код с R=1/2 и K = 3, показанный ранее на рис.3, у которого один из выходов соединен со входом. Результирующая скорость кода составляет 1/3 (на каждый информационный бит приходится по одному проверочному от каждого из кодеров) и может быть увеличена (например, до 1/2) путем перфорирования некоторых проверочных битов с выходов обоих кодеров. Разумеется, ценой увеличения скорости передачи будет при этом некоторое снижение корректирующей способности.

Декодирование турбокода базируется на оценке вероятности различных кодовых слов или различных путей на решетчатой диаграмме. Используется как априорная, так и апостериорная информация о событии. Исходная информационная последовательность и первая проверочная последовательность с выхода демультиплексора поступают на вход первого декодера, на его выходе формируется мягкое решение о принятой последовательности, и оно вместе с проверочными битами второго кодера поступает на вход второго декодера.

Ключевой особенностью турбокодирования, благодаря которой оно и получило свое название, является итеративное повторение циклов декодирования, при котором результат каждой итерации совместно с проверочными битами служит исходным сигналом для следующей. Компьютерное моделирование показывает, что при числе итераций до 18 и длине блока 65 536 битов обеспечивается вероятность ошибки 10-5 при отношении сигнал/шум равном 0,7 дБ.

Турбокоды показали высокие результаты в помехоустойчивом кодировании уже после того, как были выбраны методы модуляции и кодирования для основных систем цифрового вещания, поэтому они получили применение лишь в новых стандартах цифрового вещания.

Методы модуляции, применяемые при передаче сигналов цифрового телевидения по радиоканалу.

Главная особенность модуляции несущей цифровыми сигналами заключается в том, что модулируемый параметр несущей может принимать в результате модуляции ряд дискретных значений. Такую модуляцию называют манипуляцией. Параметры несущего колебания меняются дискретно и во времени. Интервал времени, в течении которого эти параметры остаются постоянными, называется символьным интервалом или интервалом канального символа. В течении каждого символьного интервала передается один бит или одновременно несколько битов, образующих канальный символ.

Рассмотрим вопрос о возможности одновременного выполнения требований эффективного использования полосы частот канала связи и обеспечения помехоустойчивости. Эти требования взаимно противоположны. Для повышения эффективности использования полосы частот канальный символ должен содержать по возможности больше битов передаваемой информации. Для этого в каждый момент времени сигнал в канале связи должен иметь не 2, а больше возможных значений. В случае применения амплитудной манипуляции это достигается наличием соответствующего количества уровней амплитуды несущей, при частотной манипуляции должно быть соответствующее количество возможных значений частоты, при использовании фазовой - возможных значений фазы сигнала и т.д.

Очевидно, что при этом ухудшится помехоустойчивость системы, так как приемник должен будет одновременно различать не 2, а больше значений сигнала. Чтобы обеспечить уверенное различение требуемого количества уровней сигнала необходимо увеличивать отношение сигнал/шум в канале связи, т.е. наращивать мощность передатчика. Это соответствует основным положениям теории связи - для увеличения пропускной способности канала связи при фиксированной ширине полосы частот необходимо повышать отношение сигнал/шум.

Перейдем к изучению конкретных способов модуляции несущей цифровым сигналом.

Амплитудная манипуляция (АМ) заключается в дискретном изменении уровня амплитуды несущей. В простейшем случае одному уровню сигнала может соответствовать наличие несущей, а другому - отсутствие. Недостатком АМ являются значительные перепады излучаемой мощности.

Частотная манипуляция (ЧМ) осуществляется путем дискретного изменения частоты несущей при постоянной ее амплитуде.

Фазовая манипуляция (ФМ) заключается в дискретном изменении фазы несущей. В простейшем случае несущая может иметь два значения фазы: О и 180°. В приемнике может осуществляться как когерентное детектирование, требующее фазовой синхронизации приемника с передатчиком, так и более простое некогерентное детектирование. В последнем случае часто применяют относительную фазовую манипуляцию, при которой фаза несущей для каждого принятого символа сравнивается не с некоторой абсолютной начальной фазой, а с фазой несущей предыдущего принятого символа. Для повышения эффективности использования полосы частот канала связи применяется многопозиционная ФМ.

Сдвиг между дискретными значениями фазы несущей равен 45°. Эффективность использования полосы частот в этом случае повышается в три раза по сравнению с простой двухпозиционной ФМ.

При распределении передаваемых кодовых комбинаций по позициям используют манипуляционный код Грея - соседние позиции различаются одним битом. Благодаря этому, если при демодуляции под действием помехи вместо правильного значения фазы будет определено соседнее, в последовательности двоичных символов на выходе демодулятора получится только один ошибочный бит, который будет исправлен в декодере корректирующего кода.

Фазовая манипуляция используется в стандарте DVB-S, определяющем методы передачи цифрового телевидения по спутниковым каналам.

Следующий вид модуляции, часто применяемый для передачи цифровых сигналов, - многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ).

Как известно, квадратурная амплитудная модуляция заключается в одновременной амплитудной модуляции двумя сигналами ui(inphase) и uQ (quadrature) двух квадратурных составляющих несущей с частотой ?0 и получении суммарного сигнала:

где ui(t) = S(t)cos?(t),

а uQ(t) = S(t)sin?(t).

Квадратурные составляющие получаются расщеплением исходной информационной последовательности на четные и нечетные символы.

Для демодуляции используется синхронное детектирование, состоящее в умножении сигнала u(t) на cos?0t и sin?0t с последующим подавлением высокочастотных составляющих фильтром НЧ. В результате выделяются, соответственно, ui (t) и uQ(t).

Сама по себе квадратурная амплитудная модуляция уже обеспечивает увеличение эффективности использования полосы частот в два раза, так как на одной несущей частоте одновременно передаются 2 сигнала. В случае КАМ уровни каждой квадратурной составляющей несущей изменяются дискретно.

При дискретном модулировании не амплитуды, а фазы каждой из двух квадратурных составляющих, получим квадратурную фазовую манипуляцию (КФМ). Сигнал, получаемый в этом случае, может быть представлен соотношением

где ?i , ?Q - фазы квадратурных составляющих, Aо, ?0 - амплитуда и фаза результирующего сигнала. В табл. 1 приведены значения фазы результирующего сигнала в случае, когда квадратурные составляющие модулируются по фазе двухуровневыми сигналами.

В моменты времени, когда меняются фазы обеих квадратурных составляющих, фаза ?0 может меняться скачком на 180°. Это приводит к возникновению паразитной амплитудной модуляции при прохождении сигнала с КФМ через частотно-зависимые цепи. Для устранения этого нежелательного эффекта используют квадратурно-фазовую манипуляцию со сдвигом (КФМС). Сущность ее заключается в том, что фазы двух квадратурных составляющих изменяются в разные моменты времени, и возможность скачка фазы суммарного сигнала на 180° исключается.

От формы модулирующих сигналов в каналах зависит наличие или отсутствие межсимвольных помех и общая ширина полосы частот, занимаемая ФМ сигналом. Обычные прямоугольные сигналы в этом смысле далеко не оптимальны. Существенного сужения спектра удается добиться скруглением элементарных модулирующих сигналов. Наиболее часто применяют спектры Найквиста с так называемым косинусным скруглением.

Коэффициент ? характеризует степень скругления спектра.

Условием отсутствия межсимвольных помех является передача символов со скоростью 1/Т. Сравнение свойств различных сигналов удобно производить, используя их геометрическое представление. Многомерные сигналы можно изобразить в виде точек (концов векторов) на плоскости.

Пространство сигналов модулированной несущей представляет собой дискретные положения вершин суммарного вектора (I+Q) в системе координат I, Q. В случае ФМ-4 векторы I и Q имеют одинаковые и постоянные амплитуды, дискретно меняются только фазы, которые могут принимать значения 0° или 180° -- для вектора I и 90° и 270° -- для вектора Q. При этом энергия ФМ сигналов в процессе модуляции не меняется, и вершины суммарного вектора I+Q при переходе от одного фазового положения до другого описывают окружность (рис. 9). В случае КАМ концы сигнальных векторов располагаются в узлах прямоугольной решетки. Нетрудно видеть, что при М = 4 векторы ФМ-4 и КАМ-4 совпадают.

Зависимости вероятности ошибки Pош от отношения сигнал/шум для некоторых видов модуляции приведены на рис. 10. Видно, что сигналы КАМ при одинаковой кратности обладают лучшей помехоустойчивостью. Это объясняется более равномерным расположением сигнальных точек по всему сигнальному пространству, что обеспечивает большие значения минимального расстояния. С другой стороны, полная энергия КАМ сигнала меняется во времени, поэтому он менее пригоден для работы в режиме насыщения спутникового ретранслятора.

Прием сигналов, модулированных описанными выше методами, существенно отличается от приема сигналов с привычными видами аналоговой модуляции. Структурная схема приемника сигналов с многопозиционной ФМ, КАМ или КФМ. На вход этой схемы поступает сигнал на промежуточной частоте (ПЧ). Этот сигнал проходит автоматическую регулировку усиления (АРУ), которая для ФМ и КФМ необязательна.

Далее из сигнала восстанавливается несущая частота, приведенная к диапазону ПЧ. Восстановление несущей выполняется с использованием фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Однако по сравнению, например, с восстановлением цветовой поднесущей в декодерах PAL, в данном случае задача более сложная, так как пилот-сигнал отсутствует. Помимо несущей частоты в приемнике восстанавливается тактовая синхронизация, т.е. выделение интервалов времени передачи отдельных канальных символов (символьных интервалов) с учетом задержки распространения сигнала от передатчика до приемника. Если в составе сигнала не передается никаких дополнительных составляющих, обеспечивающих тактовую синхронизацию, а в большинстве случаев это именно так, то последняя восстанавливается непосредственно из принимаемого сигнала. Так же как и при восстановлении несущей, для этого используются схемы с обратными связями типа ФАПЧ.

На выходе блока восстановления несущей формируется сигнал первой квадратурной составляющей.

Фазовращатель на 90 градусов (ФВ 90°) формирует из этого сигнала вторую квадратурную составляющую. Формирователь сигнальных импульсов (ФСИ), управляемый сигналами тактовой синхронизации, вырабатывает импульсы для «взвешивания» сигнала, принимаемого в течении символьного интервала. В простейшем случае сигнальные импульсы могут иметь прямоугольную форму. Лучше, однако, применять импульсы, спектр которых имеет форму отрезка косинусоиды или гауссоиды.

Сигнальные импульсы перемножаются в умножителях М1 и М2 с квадратурными составляющими несущей. Полученные пачки колебаний, в свою очередь, перемножаются с принимаемым сигналом в умножителях МЗ и М4, выходные сигналы которых проходят фильтры нижних частот ФНЧ. В результате выделяются квадратурные составляющие принятого сигнала. Стробирующие устройства, управляемые сигналами тактовой синхронизации, выделяют в каждом символьном интервале отрезки сигнала для принятия решения о принимаемом канальном символе.

Решающее устройство анализирует данные, поступающие на него со стробирующих устройств, сравнивает параметры квадратурных составляющих принятого сигнала в данном символьном интервале с параметрами квадратурных составляющих сигналов, получающихся при передаче всех возможных канальных символов для данного способа модуляции, и выбирает канальный символ, дающий модулированный сигнал с наиболее близкими к принятому сигналу параметрами. Выбранный символ выдается на выход приемника.

Один из современных методов передачи цифровых сигналов по радиоканалам - ортогональное частотное мультиплексирование. В англоязычной технической литературе такая модуляция называется OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).

В стандартном канале телевизионного вещания, имеющем ширину полосы частот ?FK, формируют N несущих частот, отстоящих друг от друга на равные частотные интервалы ?f.

Числа у оси частот показывают номера несущих от 0 до N-1. Общий поток передаваемых цифровых данных, имеющий скорость передачи двоичных символов Qo, разделяют на N параллельных подпотоков, каждый из которых имеет скорость передачи двоичных символов d = Qo/N.

Каждый подпоток передается на своей несущей, например, с использованием КАМ. Таким образом, в одном канале телевизионного вещания получается N узкополосных подканалов. Количество несущих в соответствии со стандартом DVB-T может быть равно 6817 (? f = 1116 Гц) или 1705 (? f = 4464 Гц). Выбор частотных интервалов между несущими осуществляется так, чтобы соседние несущие колебания были ортогональны на отрезке времени, в течении которого передается один символ. Это позволяет избежать взаимного влияния соседних подканалов.

Модуляция и демодуляция выполняются с помощью ДПФ. При модуляции берутся одновременно передаваемые символы всех N подканалов и производится обратное ДПФ полученного набора из N чисел. В результате получаются другие N чисел, которые последовательно преобразуются в аналоговую форму. Не вдаваясь в математические подробности примем факт, что эти другие N чисел эквивалентны отсчетам сигнала, содержащего N несущих колебаний, промоделированных в соответствии с передаваемыми в этот момент времени в соответствующих подканалах символами. Полученный таким образом аналоговый сигнал может быть обычным способом перенесен в нужный частотный диапазон.

При демодуляции принятый сигнал переносится на промежуточную частоту и преобразуется в цифровую форму. Затем в группах по N отсчетов принятого сигнала выполняется прямое ДПФ, в результате которого получаются значения символов, одновременно передаваемых в N подканалах.

Данный метод передачи имеет следующие достоинства:

- равномерное распределение энергии по полосе частот канала связи;

- возможность передавать наиболее важную часть информации (синхронизацию, НЧ-составляющие сигнала яркости) на тех участках полосы частот, где меньше всего уровень помех от соседних каналов, а области полосы частот канала, соответствующие несущим изображения и звука обычного телевизионного вещания, вообще не использовать;

- благодаря тому, что каждый из подканалов является узкополосным, уменьшается влияние отраженных сигналов при многолучевом приеме. Последнее свойство особенно важно, так как многолучевой прием создает значительные сложности для цифрового телевизионного вещания в городах. При использовании OFDM длительности интервалов времени, в течении которых передаются отдельные символы, увеличиваются и становятся больше, чем времена задержек отраженных сигналов, в результате чего обеспечивается! безошибочный прием.

Кроме того, для исключения влияния отраженных сигналов вводятся защитные интервалы. Перед началом передачи символа S2 формируется защитный интервал ?1 (рис.), в течении которого на входе демодулятора в приемнике еще могут присутствовать отраженные сигналы, содержащие предыдущий символ S1 (рис.). Затем в течении интервала времени Тр2 передается символ S2. Аналогично формируется защитный интервал ?2 перед символом S3 и т.д.

В современных системах передачи цифровых сигналов, в том числе в системах цифрового телевидения, модуляцию несущей совмещают с помехоустойчивым кодированием.

При этом число возможных состояний несущей после модуляции превышает число символов, которые должны быть переданы, т.е. вводится дополнительная избыточность, обеспечивающая повышение помехоустойчивости. Такую модуляцию, совмещенную с кодированием, называют кодированной модуляцией (Coded Modulation). В частности, сочетание помехоустойчивого кодирования с OFDM называют COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).

Таким образом, при передаче сигналов цифровой системы телевидения по радиочастотным каналам связи используются две ступени помехоустойчивого кодирования. На первой ступени, называемой внешней, осуществляется кодирование цифровой информации с помощью кодов Рида-Соломона, как это было описано в предыдущем разделе. На второй ступени, называемой внутренней, используется канальное кодирование, совмещенное с модуляцией. В результате достигается требуемая помехоустойчивость.

Лекции 23-24. Передача телевизионных сигналов по спутниковым линиям связи. Принципы спутникового вещания

Спутниковое телевизионное вещание(СТВ) является сегодня одним из самых экономичных и надежных способов передачи телевизионных сигналов высокого качества в любую точку мира. К преимуществам СТВ относятся: возможность приема сигнала практически неограниченным числом приемных установок, независимость затрат на приемную установку от расстояния между источником телевизионного сигнала и абонентом (в пределах зоны обслуживания), незначительное влияние атмосферы и географических особенностей местности на устойчивость приема.

Эти преимущества обусловили развитие во многих странах мира работ по созданию СТВ.

Некоторые системы рассчитаны на прием телевизионных сигналов непосредственно на простые индивидуальные или коллективные приемные установки с малой антенной и относятся к радиовещательной спутниковой службе (РСС или BSS). Это так называемые спутники непосредственного телевизионного вещания(НТВ).

В то же время многими странами широко используются системы подачи и распределения телевизионных программ через спутники малой и средней мощности, относящиеся к фиксированной спутниковой службе (ФСС или FSS). Первоначально эти системы обеспечивали прием телевизионных сигналов на головные станции кабельных сетей или эфирные ретрансляторы для последующего распределения абонентам.

Все вещательные спутники размещаются на так называемой геостационарной орбите - круговой орбите высотой 35 786 км в плоскости экватора. Находясь на ней, спутник неподвижен относительно поверхности Земли, так как вращается с той же угловой скоростью, что и Земля. Зона видимости геостационарного спутника - около одной трети земной поверхности. В то же время современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий управляемый луч электромагнитной энергии, охватывающий сравнительно небольшую часть земной поверхности. Линии пересечения земной поверхности и конического луча передающей антенны спутника определяют границы зоны покрытия при различных диаметрах приемной антенны земной станции. Очевидно, что чем дальше находится антенна от центра зоны, тем больше должен быть ее диаметр. Важной характеристикой спутниковых телекоммуникационных систем является количество стволов спутникового ретранслятора. Весь диапазон частот, в котором работают спутники, принято делить на некоторые полосы частот шириной 27...36, 72... 120 МГц, в которых усиление радиосигналов осуществляется отдельным стволом. Вместо этого термина часто применяется английское название - «транспондер». Радиосигналы этих стволов разделяются по частоте, пространству, поляризации.

В спутниковом телевидении уровень излучаемого со спутника сигнала принято характеризовать произведением мощности подводимого к передающей антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в дБ) относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику называют эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в дБ на ватт. Исследования показали, что значение ЭИИМ, равное 52 дБВт, является оптимальным с точки зрения стоимости абонентского спутникового приемника и удобства его установки, зоны обслуживания, количества стволов (транспондеров) на одном спутнике и себестоимости одного ствола. Например, для обеспечения такого значения ЭИИМ мощность бортового спутникового передатчика должна составлять 190-260 Вт в зависимости от позиции на геостационарной орбите.

Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1 Вт, проходящего через 1 м2 (дБВт/м2).

Для спутникового вещания выделены специальные участки радиочастотного спектра в сантиметровом диапазоне волн. Земной шар разделен на три района. Европа, Африка, Россия, страны СНГ и Монголия входят в Район 1. В целом для систем спутникового телевизионного вещания выделены полосы частот, представленные в табл.

Два последних диапазона почти не используются и пока считаются экспериментальными. Однако вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволяет значительно уменьшить диаметр приемных антенн. Кроме того, информационная емкость, под которой понимается количество телевизионных каналов, размещаемых в данном диапазоне частот, значительно выше. Основная проблема в освоении этих диапазонов - экономическая, а именно, проблема создания недорогих абонентских спутниковых приемников.

Сформулированные в Регламенте радиосвязи основные положения, касающиеся систем спутникового непосредственного телевещания, сводятся к следующему:

- в системах НТВ используются cпутники-ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите;

- для спутниковых радиолиний Земля-спутник и спутник-Земля выделены соответственно фиксированные полосы частот 12,75 - 14,5 ГГц и 10,7... 12,5 ГГц. Это связано с тем, что в этом участке спектра влияние метеорологических условий в атмосфере мало сказывается на распространение радиоволн. При этом, приемо-передающая аппаратура системы НТВ оказывается сравнительно дешевой;

- отношение сигнал-шум в системе НТВ не должна быть меньше 14 дБ;

- для увеличения объема передаваемой информации рекомендуется двукратное использование рабочих частот, что возможно благодаря развязке по поляризации.

В качестве интегрального параметра, характеризующего в целом приемное устройство спутниковых телевизионных сигналов, принят коэффициент добротности G/T, равный отношению коэффициента усиления приемной антенны G к суммарной шумовой температуре всего приемного устройства. Для установки индивидуального приема значение добротности G/T выбирается равным 6 дБ/°К, а для устройств коллективного приема спутниковых радиосигналов 14 дБ/°К.

Одной из особенностей применения спутникового вещания является ограниченность энергетического потенциала спутникового ретранслятора, поэтому здесь традиционно используют методы обработки, требующие минимального отношения сигнал/шум на входе демодулятора в обмен, например, на полосу частот сигнала. В аналоговом вещании этим обуславливался выбор частотной модуляции, а не амплитудной, а в цифровом вещании приходится применять мощное каскадное помехоустойчивое кодирование и модуляцию с невысокими кратностями ФМ-4 или QPSK).

Еще одна специфическая особенность спутникового вещательного ретранслятора - работа в нелинейном режиме вблизи точки насыщения выходного усилительного прибора (лампы бегущей волны или транзисторного усилителя), так как именно в этом режиме удается получить максимальную выходную мощность и до предела снизить диаметр приемных антенн. Из-за существенной нелинейности работа в точке насыщения возможна только на одной несущей в стволе - это так называемый режим МСРС (Multiple Channels per Carrier - несколько каналов на одной несущей), когда цифровые потоки нескольких телевизионных программ объединяются (мультиплексируются) в общий поток и модулируют единственную несущую частоту, передаваемую с одной передающей станции. При этом нелинейный режим работы усилителя диктует использование типа модуляции с постоянной огибающей - смещенную ФМ и другие разновидности фазовой модуляции.

Альтернативный вариант - SCPC (Single Channel per Carrier - один канал на одной несущей) требует перехода в линейный (точнее, квазилинейный) режим со снижением выходной мощности на 2,5...4 дБ и неэффективен в спутниковом вещании.

Он применяется в спутниковых распределительных сетях, когда в одном стволе нужно передать на сеть профессиональных приемных станций несколько телевизионных программ, источники которых территориально разнесены и не могут собрать сигналы в одной точке, а потому вынуждены строить свои собственные передающие станции.

Некоторые спутники последних разработок позволяют мультиплексировать каналы прямо на борту, обеспечивая их излучение уже в режиме MCPC.

Второй случай использования режима SCPC в спутниковом телевидении - передача телевизионного репортажа с небольшой перевозимой передающей станции. Ее энергетических возможностей обычно недостаточно для вывода ретранслятора в точку насыщения и передача часто происходит далеко от насыщения, в линейном режиме. Этот вид передачи называется DSNG (Digital Satellite News Gathering - цифровая спутниковая видеожурналистика).

Передача цифровых сигналов MPEG-2/DVB-S по спутниковым каналам.

Стандарт спутникового вещания DVB-S, принятый еще 1994 году, определяет структуру транспортных пакетов, канальное кодирование и схемы модуляции при передаче по спутниковым каналам сетей НТВ.

Транспортный поток поступает на скремблер, где происходит его суммирование с псевдослучайной последовательностью (ПСП). После скремблирования данные транспортного пакета подвергаются помехоустойчивому кодированию каскадным кодом, в котором в качестве внешнего используется укороченный код Рида-Соло-мона (204,188,8), в качестве внутреннего - сверточный код. Для защиты от пакетных ошибок большой длительности в стандарте осуществляется сверточное перемежение данных с глубиной 12 байтов. В стандарте DVB-S используется сверточный кодер с длиной кодового ограничения К= 7 и относительными скоростями кодирования R = = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.

Переключение с базовой скорости 1/2 на другие значения осуществляется выборочным вычеркиванием(перфорированием) добавочных символов. Это несколько снижает корректирующую способность кода, но одновременно уменьшает и его избыточность, позволяя высвободить больше емкости для полезных данных.

Модуляция в DVB-S.

Основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята ФМ-4 (QPSK), хотя при ограниченном частотном ресурсе, могут использоваться ФМ-8 и даже КАМ-16 (перевозимые репортажные станции).

Пропускная способность радиоканала, работающего по стандарту DVB-S, зависит от полосы пропускания ствола, вида модуляции и относительной скорости кодирования.

Отображение битовой последовательности в пространство сигналов ФМ-4 осуществляется с помощью манипуляционного кода Грея. Перед подачей на модулятор для получения формы «скругленного косинуса» применяется фильтр с характеристикой Найквиста.

Стандарт DVB-S2.

Стандарт DVB-S определяет структуру транспортных пакетов, канальное кодирование и схемы модуляции при передаче по спутниковым каналам сетей НТВ(DTH). Стандарт DVB-DSNG, появившийся на три года позже, выполняет те же задачи для сетей передачи сигнала на пункты ретрансляции и спутниковых сетей сбора новостей.

Второй стандарт отличается от первого, в основном тем, что рассчитан на более слабые передатчики, не вводящие спутниковый ретранслятор в режим насыщения и поэтому допускающие использование более высоких уровней модуляции - 8PSK и 16QAM.

Стандарт DVB-S2 призван объединить обе эти области, а также решить ряд дополнительных задач.

Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами.

Важнейшим фактором стали планы массового запуска ТВЧ. Сегодня, когда подавляющее большинство европейских программ передается в стандартном разрешении, дефицита частотного ресурса, выделенного в Европе для ТВ вещания через спутник, в целом не наблюдается.

Но, как показывают расчеты, если все спутниковые программы будут переведены в ТВЧ, то этого ресурса окажется недостаточно, даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ сигнала. Таким образом, перспектива появления ТВЧ потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих спектр.

Вторая причина необходимости нового стандарта - неудовлетворительная работа имеющихся приемных систем с сигналами Ка- диапазона. Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и Кu- диапазонах.

Третья причина - появление интерактивных спутниковых сетей с адресными услугами, чему, в частности, способствовало развитие технологии точечных лучей. Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата.

Таким образом, к новому стандарту предъявлялись следующие требования:

- повышение эффективности использования транспортного канала. То есть обеспечение возможности передачи в полосе стандартного канала больше бит полезной информации.

- предоставление расширенных возможностей обмена скорости передачи полезной информации на помехоустойчивость.

- обеспечивать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале.

- обеспечение совместимости с прежними стандартами и пути плавного перехода от старого оборудования к новому.

Первые два требования удалось выполнить за счет введения в стандарт более разнообразных схем модуляции, использования более эффективных систем защитного кодирования и введения дополнительных коэффициентов скругления.

Гибкость формирования канала была достигнута теми же методами, а также за счет введения режимов VCM (Variable Coding and Modulation) и ACM (Adaptive Coding and Modulation). Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг, передаваемых в одном канале, а второй дополнительную возможность адаптации транспортных параметров к текущим условиям приема услуги. Режим АСМ предназначен для сетей с обратным каналом, где приемные системы имеют возможность переправлять на головную станцию информацию об условиях приема.

В результате был создан универсальный стандарт, на базе которого могут строиться сети для распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Новый стандарт также удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей. Как и большинство многофункциональных стандартов, он представляет собой набор инструментов, которые можно использовать в разных сочетаниях.

Такой принцип построения делает стандарт максимально гибким и не сильно перегружает процессоры приемников. При нынешнем развитии силиконовых технологий все функции приемника можно реализовать на одном чипе.

Большинство эффективных механизмов, заложенных в DVB-S2, оказались несовместимыми со старыми стандартами. Поэтому, для выполнения требования совместимости вниз, разработчики ввели в стандарт два режима. Один - совместимый, но менее эффективный, а другой, использующий все новые возможности, но не позволяющий использовать приемники стандарта DVB-S.

Первый рекомендуется для предоставления традиционных услуг, на период миграции к новому стандарту, а второй -- для применения в профессиональных сетях и для передачи новых услуг, которые невозможно принять старыми приемниками. Рассмотрим составляющие стандарта более подробно.

Передатчики транспондеров работают там в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 КАМ и 32 КАМ, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры (LNB), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Эти схемы модуляции можно использовать и в системах вещания, но этом случае каналообразующее оборудование должно поддерживать сложные варианты предыскажений, а на приемной стороне должен быть обеспечен более высокий уровень отношения сигнал/шум. Символы внутри констелляционного поля КАМ модулированного сигнала размещены по окружностям.

Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в плане передачи амплитуды символа и позволяет использовать ретрансляторы в режимах, близких к точке насыщения.

Обратим внимание на то, что, по сравнению с QPSK, схема модуляции 32 КАМ, позволяет повысить общую скорость потока в 2.5 раза.

Одновременно с введением более высоких уровней модуляции стандарт предусматривает возможность применения двух дополнительных коэффициентов скругления ?. К используемому в DVB-S ?=0.35 в новом стандарте добавлены коэффициенты ? = 0.20 и ? = 0.25. Новые, более низкие значения коэффициентов обеспечивают большую крутизну импульсов, что позволяет использовать спектр более эффективно. С другой стороны, снижение ? способствует повышению нелинейных искажений, что особенно сказывается при передаче одной несущей на транспондер. Поэтому конкретное значение коэффициента выбирается с учетом всех параметров передачи.

Для защиты от помех в новом стандарте, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции ошибок (FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты отличаются от применяемых в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты вместо кода Рида-Соломона используется код BCH, а в качестве внутренней, вместо сверхточного кода, - код с низкой плотностью проверок на четность LDPC.

LDPC -- один из вариантов "турбо" кодов, изобретенный еще в 1960 году и получивший свое второе рождение в середине 1990-х. Он был выбран путем компьютерного моделирования из семи опробованных вариантов турбокодов. Критерием выбора было обеспечение максимальной эффективности передачи в канале, и коду LDPC удалось максимально приблизить ее к пределу Шеннона при соблюдении установленных ограничений на сложность чипа декодера. Код LDPC накладывается на блоки длиной 64800 бит, которые для приложений, чувствительных к задержкам, могут быть сокращены в 4 раза.

Для дополнительного снижения частоты ошибки используется внешний уровень кодозащиты ВСН, работающий при малой плотности ошибок. В большинстве режимов код позволяет исправлять до 12 ошибок.

ВСН, так же, как и код Рида-Соломона, представляет собой алгебраический код, описываемый определенными полиномами. Но, в отличие от кода Рида-Соломона, ВСН исправляет одиночные, а не пакетные ошибки и может накладываться на более длинные последовательности.

Новая пара кодов обеспечивают более эффективное использование канального ресурса, чем коды DVB-S. Как отмечают разработчики стандарта, она позволяет работать при уровнях Eb/No (цифровой эквивалент C/N) всего на 0.7 дБ выше требуемого соотношением Шеннона для заданной скорости, в то время как применение свертки в паре с кодом Рида-Соломона требовало превышения этого предела примерно на 5 дБ.

Правда, при этом не выполняются условия бесконечно высокой достоверности передаваемой информации, оговоренные в теореме Шеннона. Более того, новый стандарт допускает более высокую частоту ошибок (BER) на выходе декодера, чем старый. Если кодеры стандарта DVB-S обеспечивают снижение BER до 10 -10 - 10 -11, то LDCP в сочетании с ВСН снижают его до уровня 10 -7. Такой уровень соответствует появлению одной ошибки в час при передаче потока скоростью 5 Мбит/с (стандартная скорость передачи ТВ компрессированного в MPEG-2). С другой стороны, такой уровень ошибки является допустимым для подавляющего большинства приложений, а большая достовер-ность при необходимости может быть обеспечена самим приложением. По существу, в стандарт DVB-S заложен избыточный уровень достоверности. Это связано с особенностями работы кода Рида-Соломона, который либо восстанавливает принимаемую последовательность с высокой точностью, либо не восстанавливает ее вовсе.

В случае передачи пакетной информации, перед ее подачей в FEC-кодеры, на нее накладывается CRC-8 (Cyclic Redundancy Check) кодирование. А после FEC кодирования данные подвергаются перемежению, защищающему ее от длительных помех.

Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой.

DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/шум.

Вначале пакетируется низкочастотный (Base Band -ВВ) сигнал. Длина ВВ пакета привязана к циклу работы LDCP кодера и составляет либо 64800, либо 16200 бит. Заголовок ВВ пакета длиной 80 бит кодируется вместе с данными приложения.

Он содержит информацию о режимах использование канала (однопотоковый, многопотоковый), типе инкапсулируемого потока (MPEG-2-TS, произвольный), режиме кодирования и модуляции (VСМ, АСМ) и ряд других параметров.

Затем сформированный ВВ пакет подвергается пакетированию на физическом уровне. За счет введения второго уровня решается задача надежной синхронизации приемника, который должен иметь возможность детектировать несущую и фазу передаваемого сигнала и синхронизироваться с началом кадра даже в тех случаях, когда мощность сигнала окажется ниже мощности шума.

Полезную нагрузку физического кадра составляет ВВ кадр, к которому добавляется заголовок из 90 символов бинарного кода. В нем передаются синхроим-пульсы, информация о схеме модуляции и режиме помехоустойчивого кодирования. Заголовок физического кадра кодируется отдельно от содержания кадра. Это делается по двум причинам.

- для того чтобы принять транспортный поток, приемник предварительно должен "прочитать" информацию о его параметрах, заложенную в заголовок физического пакета.

- заголовок должен устойчиво декодироваться при любых, самых неблагоприятных условиях, и для его защиты требуется особо надежный код. В качестве такого кода выбран блочный код с очень высокой избыточностью - 7/64, предусматривающий турбодекодирование, то есть итеративное декодирование с "мягкими" решениям. Для того чтобы защитное кодирование заголовка не сильно снижало скорость передачи полезной информации, разработчики стандарта постарались минимизировать количество передаваемых в нем параметров, и все, что было возможно, вынесли в заголовок ВВ пакета.

Физический кадр разбивается на слоты по 90 символов, что облегчает надежную синхронизацию при помехоустойчивом декодировании. В качестве опции через каждые 16 слотов могут вставляться пилот сигналы, представляющие собой отрезок немодулированной несущей. Пилот сигналы предназначены для восстановления потерянной синхронизации при плохих условиях приема. Перед отправкой в линию физические кадры подвергаются энергетическому диспергированию.

При отсутствии полезной информации модулятор формирует буферные физические кадры, позволяющие приемнику сохранить информацию о режиме передачи в канале.

В режимах VCM (Variable Coding and Modulation) и ACM (Adaptive Coding and Mo-dulation) транспортные параметры могут меняться с частотой в 1 кадр, но в пределах кадра они остаются неизменными.

Системы DVB-S2 могут быть сконфигурированы для передачи одной или нескольких несущих в одном транспондере.

Режимы с совместимостью вниз в основном предназначены для сетей вещания и более всего -- для операторов, предоставляющих субсидии на покупку абонентских приемников. Они могут использовать эти режимы на время смены парка приемников, а затем переключиться на более эффективные, несовместимые режимы.

Стандарт допускает два таких режима. В первом производится одновременная передача сигналов стандартов DVB-S и DVB-S2, асинхронно комбинируемых в одном частотном канале. Во втором сигнал DVB-S2 накладывается на сигнал DVB-S с помощью иерархической модуляции. То есть поток DVB-S выступает в качестве сигнала верхнего приоритета, а поток DVB-S2 - в качестве сигнала нижнего приоритета (рис).



Сигнал DVB-S2 передается с помощью модуляции 8PSK с неоднородной структурой констеляционного созвездия. Две точки созвездия, размещенные в каждом квадранте, отображают один символ сигнала с верхним приоритетом. Наложение сигнала DVB-S2 осуществляется сдвигом символов в констеляционном поле по окружности на угол ±9. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работающим в режиме, близкому к насыщению. Совместимые вниз режимы не позволяют полностью использовать потенциал нового стандарта и довольно сложны в реализации. Поэтому, скорее всего, они не получат широкого распространения.

В зависимости от выбранного режима помехоустойчивого кодирования и схе-мы модуляции, уровень сигнал/шум, позволяющий принять сигнал на приемной стороне, колеблется от - +2.4 дБ (при модуляции QPSK и FEC = 1/4) до +16 дБ (32 APSK и FEC = 9/10). Эти значения справедливы для гауссовского канала и идеального демодулятора.

Они были получены методом компьютерного моделирования.

При условии допустимости BER на уровне 10-7 энергетика сигнала превышает предел Шеннона всего на 0.7 - 1.2 дБ. По сравнению с DVB-S, новый стандарт обеспечивает повышение скорости передачи полезной информации на 20-35 % или при той же эффективности использования спектра дает запас по уровню сигнала в 2-2.5 дБ.

Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима АСМ, предназначенного для интерактивных адресных приложений, таких как передача IP unicast. Этот режим позволяет исключить зппас по энергетике в 4-8 дБ, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим АСМ наиболее эффективен применительно к трансляциям Кадиапазона, а также для тропических зон приема.