Основы радиовещания и телевидения

В АСМ режиме формат помехоустойчивого кодирования и схема модуляции могут меняться от кадра к кадру. В условиях повышенного затухания сигнала услуга может поддерживаться за счет снижения скорости передачи полезной информации с одновременным повышением избыточности помехозащитного кода и/или перехода к более помехоустойчивой схеме модуляции. Качество принимаемого сигнала оценивается параметром C/N+1. Каждая приемная система измеряет величину этого параметра и по обратному каналу отправляет результат к АСМ шлюзу. Работа в этом режиме требует введения механизмов управления скоростью пользовательских потоков данных, предотвращающих перегрузку канала при ухудшении погодных условий.

Введение таких механизмов может оказаться довольно сложной задачей, особенно, если число пользователей будет достигать сотен и тысяч, и поток к каждому из них будет требовать индивидуальной адаптации.

Решение задачи осложняется еще и тем, что информация может поступать из удаленных источников, трудно поддающихся управлению.

Решение этой проблемы не может регламентироваться стандартом, а в каждом случае должно определяться индивидуально.

Консорциум DVB Project не предполагает, что новый стандарт заменит старые уже в ближайшее время. Сегодня в мире работает множество коммерчески успешных спутниковых сетей стандарта DVB-S и их трансляции принимаются миллионами декодеров, способными прослужить еще не один год.

Поэтому наиболее вероятным сценарием внедрения нового стандарта выглядит его использование для трансляции услуг, которые не могут быть приняты традиционными приемниками. Вполне возможно, что новый стандарт быстро найдет применение и в сетях спутникового сбора новостей. Хотя бы в виду преимуществ, которые предоставляет АСМ режим. Но скорость его массового внедрения, вероятно, будет зависеть от появления новых услуг, несовместимых с имеющейся приемной аппаратурой.

Лекции 25-26. СТАНДАРТЫ ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ DAB И DRM

Несмотря на бурное развитие телевидения - на сегодняшний день важнейшего электронного средства массовой информации, эфирное радиовещание во всем мире продолжает оставаться основным источником информации для населения. Для эфирного радиовещания в мире используется несколько служб, различающихся целями, техническими параметрами и зонами обслуживания. Основные характеристики существующих систем эфирного радиовещания, где для сравнения указаны планируемые параметры цифрового радиовещания. Эти системы условно можно разделить на три класса:

- системы с амплитудной модуляцией (AM), использующие диапазоны КМВ (километровые), ГМВ (гектометровые) и ДКМВ (декаметровые), т.е.частоты ниже 30 МГц, что соответствует диапазонам НЧ, СЧ и ВЧ;

- MB (УКВ) ЧМ системы, использующие метровые волны, т.е. работающие на частотах 30... 300 МГц в диапазоне ОВЧ;

- системы непосредственного спутникового радиовещания (DSR, ADR, World Space, Digital System E и ряд других), работающие в диапазонах УВЧ и СВЧ.

Единственным видом существующего аналогового радиовещания, способным передавать звуковые вещательные сигналы с высоким качеством, является ЧМ (FM) радиовещание в диапазоне метровых волн.

Для радиовещания в этом диапазоне в России выделены полосы частот (66 ... 74) МГц и (87,5... 108) МГц , в Западной Европе - (88... 104) МГц и в США - (88... 108) МГц.

Несмотря на то, что каждый аналоговый канал занимает довольно узкую полосу (130... 190 кГц), из-за сильного взаимного влияния сигналов соседних зон их приходится значительно разносить. Поэтому увеличение числа одновременно передаваемых в вещательной сети стереофонических программ без увеличения взаимных помех при их приеме становится невозможным.

Ввиду большой ширины частотных каналов и применения частотной модуляции реализуются высокие параметры качества. В частности, использование ЧМ позволяет значительно увеличить отношение сигнал/помеха - по сравнению с AM в 5,8 раза (15 дБ) при монофоническом вещании и в 2 раза (5,5 дБ) - при стереофоническом.

В середине 1980-х гг. специалистам стало ясно, что, оставаясь в рамках классического последовательного метода передачи, малоэффективного цифрового компандирования звукового вещательного сигнала и используя сантиметровый диапазон волн, невозможно решить важнейшую задачу радиовещания - обеспечить высококачественный прием на мобильный приемник нескольких стереофонических программ. Задача перспективного развития звукового вещания решается путем создания абсолютно новых систем, спроектированных таким образом, чтобы удовлетворить высоким требованиям слушателей к качеству звучания программ при различных условиях приема.

Этим требованиям отвечает цифровое радиовещание(ЦРВ) - новая информационная технология, в основе которой представление и передача звукового сигнала в цифровой форме во всех звеньях вещательного тракта - от студии до мобильного приемника.

По сравнению с аналоговым цифровое радиовещание имеет ряд существенных технических преимуществ, среди которых:

- большая эффективность использования радиочастотного спектра.

- меньшие мощности передатчиков при той же зоне обслуживания.

- меньшая чувствительность к помехам.

Цифровое радиовещание получило известность в 1995 г., когда было начато опытное вещание в диапазоне ОВЧ в Великобритании и Скандинавских странах в стандарте T-DAB. Это новый вид услуги эфирного радиовещания, гарантирующий прием в движущемся автомобиле до 6 стереофонических программ с качеством, близким к качеству CD-проигрывателя, плюс значительный объем дополнительной информации. Система утверждена EBU в качестве общеевропейской и рекомендована Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) для внедрения во всем мире как наземная система цифрового звукового радиовещания.

Тем не менее, система T-DAB обладает рядом недостатков, среди которых фиксированный состав звуковых программ в излучаемом наборе ("пакете") и относительно низкая эффективность использования частотного ресурса. Кроме того, относительно ОВЧ ЧМ радиовещания качество вещания в формате DAB улучшается незначительно.

Принципиально иное решение цифрового радиовещания предусматривается в концепции DRM. Вещание в стандарте DRM осуществляется на частотах ниже

30 МГц (реально в диапазонах СЧ и ВЧ) с использованием радиопередатчиков с амплитудной модуляцией (AM).

Главная цель, которую преследуют разработчики идеологии DRM, - резко улучшить качество вещания по сравнению с традиционным аналоговым радиовещанием в диапазонах средних и особенно коротких волн, что позволит перевести вещательный KB канал из разряда чисто информационных в разряд художественно-информационных. Консорциум DRM считает, что для достижения коммерческого успеха цифровой системы вещания в диапазонах с AM она должна удовлетворять следующим требованиям:

- более высокие качество звука и надежность приема, чем у AM вещания;

- совместимость с существующим частотным планом AM вещания, возможность дальнейшего развития;

- обеспечение постепенного перехода от аналогового к полностью цифровому радиовещанию;

- максимально возможное использование существующего передающего оборудования;

- возможность производства дешевых радиоприемников.

Стандарты DRM и DAB призваны устранить два основных недостатков аналогового радиовещания: "расточительное" использование частотного ресурса, по определению ограниченного, и неспособность противостоять многообразным помехам, а также замираниям сигнала в многолучевом канале, в частности при приеме на подвижном объекте. Кроме того, система должна работать в традиционных "радиовещательных" диапазонах волн, поскольку даже если новая услуга будет востребованной, трудно рассчитывать на выделение полос частот, существенно превышающих те, что используются при аналоговом вещании. Отсюда следует первое важное требование к системам ЦРВ - высокая частотная (спектральная) эффективность, причем чем ниже по шкале частот организуется цифровое радиовещание, тем выше должна быть эффективность использования спектра.

Эта проблема впервые была решена в ходе разработки проекта Eureka 147 - речь идет о знаменитой системе MUSICAM, ныне известной как система кодирования звука по стандарту MPEG-1 Layer II. Однако эффективности этой системы кодирования (вкупе с модуляцией ОФМ-4) оказалось недостаточно для построения системы ЦРВ, работающей на частотах ниже 30 МГц, т.е. в диапазонах длинных, средних и коротких волн.

Здесь, уже в ходе работ консорциума DRM над проектом системы для этого диапазона частот, были разработаны более совершенные системы кодирования звука (MPEG-4 AAC, MPEG-4 CELP и MPEG-4 HVXC) и использована квадратурная амплитудная модуляция (от 4-КАМ до 64-КАМ).

Обеспечение мобильного приема также требовало нетрадиционного подхода. Удачное решение - система COFDM - была найдена (применительно к радиовещанию) опять же в процессе работы над проектом Eureka 147. При таком, как ранее отмечалось, появляется возможность резко снизить скорость передачи на каждой несущей, ввести временной интервал, защищающий приемник от эхо-сигналов, а также реализовать перемежение сигналов по частоте. Использование такой системы обеспечит возможность построения одночастотной вещательной сети (SFN), когда сеть передатчиков, передающих один и тот же набор звуковых программ, работают на одной частоте с целью увеличения зоны (площади) обслуживания.

Заметим, что эффективность описанного метода передачи в значительной степени определяется также и системой канального кодирования, а также системой демодуляции/декодирования с использованием алгоритма Витерби.

Обратим внимание также на основные системные преимущества ЦРВ. Это, прежде всего, высокая эффективность использования радиочастотного спектра. Так, например, в системе ЦРВ Eureka 147 для передачи шести стереофонических программ на всей территории России требуется полоса частот около 1,5 МГц. В системе ОВЧ ЧМ вещания - при передаче трех программ более низкого качества - 8 МГц.

В последнее время интенсивно развивается коммерческий сектор радиовещания с использованием ОВЧ ЧМ вещания, однако задача охвата многопрограммным радиовещанием всего населения страны даже не приблизилась к своему решению. Полный охват населения оказывается нерентабельным для коммерческих ЧМ радиостанций! Аналогичная ситуация скорее всего возникнет и при развертывании систем стандарта T-DAB, близкого к ОВЧ ЧМ вещанию по возможностям охвата территории.

Это означает, что задача охвата населения радиовещанием на всей территории Армении и за рубежом в перспективе может быть решена с обязательным использованием частотных ресурсов в диапазонах длинных, средних и коротких (для удаленных районов) волн. Поэтому, по мнению ряда ведущих специалистов отрасли, перспективы совершенствования услуг эфирного радиовещания в нашей стране следует связывать с технологией, реализуемой стандартом DRM. Однако при внедрении цифрового радиовещания в диапазонах с AM необходимо обеспечить сохранение возможности приема для огромного количества существующих аналоговых радиоприемников.

Стандарт DVB-C.

Системы кабельного телевидения (СКТВ) являются широко распространенным средством доставки телевизионных программ до абонента. В условиях многоэтажной городской застройки они обеспечивают значительно лучшее качество ТВ сигнала, чем эфирное вещание. Для подачи сигнала к абоненту используется диапазон метровых и дециметровых волн от 47 до 862 МГц. Между I и V телевизионными диапазонами имеются частотные промежутки, выделяемые другим службам. В кабельных сетях здесь организуются так называемые спец каналы (участки между 104 и 174 МГц и между 230 и 300 МГц) и гиперканалы (участок между 300 и 470 МГц).

Основа сети -- головная станция, которая принимает ТВ программы от разных источников (эфирных передатчиков, кабельных, спутниковых и радиорелейных распределительных систем, местных студий), приводит сигналы к единому формату, принятому в данной сети, расставляет их по частотным каналам, скремблирует, если сеть работает в режиме условного доступа, усиливает до уровня 100... 120 дБмкВ (децибел к микровольту) и отдает в линейный распределительный тракт. В традиционных сетях коллективного приема основой тракта служит коаксиальный кабель, в который включаются усилители и делители мощности сигнала. Для увеличения протяженности линейного тракта используют кабели с малым затуханием и высокой экранировкой, усилители с повышенной линейностью передаточной характеристики и ответвители с хорошим согласованием и высокой направленностью. Постоянство уровней сигналов в тракте в условиях эксплуатации поддерживается с помощью автоматической регулировки усиления.

Широкое развитие оптоволоконных технологий позволило использовать в качестве магистрального оптический кабель и объединить достаточно удаленные районы в крупные единые сети, охватывающие десятки и сотни тысяч абонентов. Второе важное новшество современного поколения СКТВ -- наличие обратного - относительно низкоскоростного канала от абонента к головной станции, используемого кабельным оператором для диагностирования и мониторинга состояния сети, а также для предоставления широкого спектра дополнительных услуг -- телефонии, передачи данных, доступа в Интернет и других интерактивных приложений. Обратный канал организуется в низкочастотной части спектра, на частотах ниже 45 МГц.

Внедрение цифрового телевидения в системы СКТВ ставит вопрос об их пригодности для этой цели и об оценке необходимых усовершенствований и доработок. Предварительный анализ применимости цифровых методов кодирования и модуляции показывает, что в правильно спроектированной сети отношение сигнал-шум не ниже 43 дБ, поэтому целесообразно применение многопозиционной модуляции, например, КAM. Более высокое отношение сигнал-шум снижает вероятность ошибок и позволяет обойтись одной ступенью помехоустойчивого кодирования.

Однако пакетные ошибки не исключены, поэтому перемежение остается составной частью процесса канального кодирования.

Необходимо отметить, что КАМ сигналы более чувствительны к амплитудным и особенно фазовым искажениям в тракте, поэтому вопросы согласования, коррекции характеристик остаются достаточно острыми.

Эффективное сжатие позволяет в одном частотном канале передать до 3-5 ТВ программ.

В построении головных станций переход на цифровой формат предъявляет новые требования к аппаратуре обработки и формирования сигналов. Появляется возможность формировать многопрограммные цифровые потоки, не декодируя принятые MPEG cсигналы, а выделяя из них нужные компоненты на уровне транспортного потока и мультиплексируя эти компоненты в новый. Также на уровне транспортного потока при этом могут решаться вопросы скремблирования, смены системы условного доступа, работы одновременно в нескольких системах условного доступа. Принятый в стандартах DVB единый подход к канальному кодированию существенно облегчает обработку и преобразование сигналов DVB, так как число дополнительных операций при преобразованиях оказывается минимальным.

Структурная схема кодера стандарта DVB-C показана на рис.2. Источником входного сигнала, как и в других кодерах семейства DVB, служит транспортный поток MPEG-2 с пакетами размером 188 байтов. В скремблере пакеты организуются в группы по 8, синхробайт каждого первого пакета из группы инвертируется и служит в дальнейшем для цикловой синхронизации. Скремблирование осуществляется сложением по модулю 2 с ПСП, порождаемой многочленом

g(x) = x15 +x14 +1

На период следования каждого синхробайта скремблирование прерывается. Внешний кодер Рида-Соломона и сверточный перемежитель также не имеют отличий от устройств, описанных ранее.

Учитывая относительно высокое отношение сигнал-шум, внутреннее кодирование не используется, а в качестве метода модуляции предлагается квадратурная AM различной кратности, от КАМ-16 до КАМ-256.

Так для КАМ-64 3-х байтовая входная последовательность преобразуется в четырехсимвольную шестибитовую (64 = 26).

Дополнительное повышение помехоустойчивости достигается относительным кодированием двух старших битов.

Перед подачей на модулятор импульсы подвергаются скруглению с коэффициентом ? = 0,15. В следующем блоке символы с помощью ЦАП преобразуются в импульсы напряжения, подаваемые затем на модулятор.

В табл. приведены в качестве примера рассчитанные значения символьной и информационной скорости при разных кратностях модуляции в канале 8 МГц.

Полоса частот, МГц	Вид модуляции	Символьная скорость Мсимв/с	Информационная скорость, Мбит/с
7,92 7,96 7,86	КАМ-64 КАМ-32 КАМ-16	6,89 6,92 6,84	38,9 31,9 25,2
3,93 4,00 4,00	КАМ-64 КАМ-32 КАМ-16	3,42 3,48 3,48	18,9 16,0 12,8

В приемнике, структурная схема которого показана на рис. 4, должны выполняться соответствующие обратные операции.

Входной сигнал с кабельной линии поступает на тюнер, в котором сигнал обрабатывается и переносится на промежуточную частоту. Затем в преобразователе частоты производится второе преобразование с использованием несущей частоты, восстановленной в демодуляторе КАМ или в самом блоке преобразователя частоты. Полоса частот выходного сигнала составляет от 3 до 11 МГц.

Далее сигнал проходит управляемый усилитель, коэффициент усиления которого определяется сигналом АРУ с демодулятора. Размах сигнала при этом согласуется с диапазоном входных напряжений АЦП. Для приема сигналов КАМ-16, 32 и 64 достаточно АЦП, имеющего 8 двоичных разрядов, а 256 - 9 двоичных разрядов. Дискретизация производится с частотой канальных символов, т.е. около 7 МГц. Тактовые импульсы ТИ формируются в демодуляторе.

Поступающий на демодулятор цифровой сигнал преобразуется в сигналы квадратурных составляющих I и Q, по которым восстанавливаются канальные символы. Затем из этих символов формируются байты выходного потока данных, поступающих в блок коррекции ошибок (Корректор ошибок), в котором выполняются деперемежение и декодирование кода Рида-Соломона. В результате восстанавливаются размеры транспортных пакетов (по 188 байтов) и исходный порядок следования байтов в пакетах. Затем поток данных поступает на дескремблер.

Дескремблированный транспортный поток приходит на демультиплексор (ДМП), в котором из транспортного потока выбираются пакеты, относящиеся к выбранной программе, и формируются элементарные потоки видео, звукового сопровождения и данных.

Управление дескремблером и демультиплексором осуществляет контроллер. Демультиплексор выбирает из транспортного потока пакеты с таблицами программ (PAT) и передает их на контроллер, который обеспечивает отображение информации о программах в транспортном потоке на экране. По командам пользователя выбирается одна из программ и данные о РID пакетов, относящихся к этой программе, передаются в демультиплексор.

Вспомогательные данные к выбранной программе (субтитры и т.п.) поступают с демультиплексора на контроллер, который передает их далее на блок воспроизведения дополнительной информации.

Таким образом, в приемнике цифрового телевидения выбор программы осуществляется в два этапа.

Сначала выбирается канал ТВ-вещания, в котором передается транспортный поток, содержащий несколько программ. Затем выбирается одна из программ в этом транспортном потоке. Элементарные потоки видео и звука с демультиплексора поступают на соответствующие декодеры MPEG-2.

Стандарт DVB-C2.

В последние годы операторы кабельного телевидения все чаще предоставляют пакет мультисервисных услуг Triple Play, который, дополнительно к традиционному телевещанию, включает телефонию и доступ к Интернет. При этом объемы IP-трафика стремительно растут и эта тенденция обещает сохраниться в будущем. Кроме того, все больше видеоматериала предоставляется в формате ТВЧ (телевидение высокой четкости), требующем значительно более высокой пропускной способности по сравнению с телевидением стандартной четкости. По перечисленным причинам многие кабельные операторы вскоре столкнутся с проблемой дефицита спектра. Решить эту проблему можно либо расширением спектра, либо разделением сети на сегменты с меньшим числом абонентов. Оба подхода требуют добавления множества активных и пассивных сетевых компонентов, то есть достаточно затратны для оператора. Третий, наиболее перспективный подход -- реорганизация физического канала по технологии с более эффективным использованием спектра. Такая технология как раз и разработана в рамках недавно принятого стандарта DVB-C2.

Второе поколение стандартов DVB (DVB-X2), как и первое, включает три основных транспортных стандарта, обслуживающих три главные транспортные среды -- DVB-S2 (спутниковый), DVB-T2 (эфирный) и DVB-C2 (кабельный).

Разработчики семейства стандартов DVB-X2 старались максимально унифицировать компоненты стандартов, предназначенных для разных сред.

В частности, во всех стандартах применяется единая схема помехоустойчивого кодирования (FEC -- Forward Error Correction). Она предусматривает последовательное наложение кодозащиты с применением кода BCH и внутренней кодозащиты с применением кода с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes -- LDPC).

В новом кабельном стандарте внутри одного физического канала предусмотрено выделение транспортных труб.

Они получили название Physical Layer Pipe (PLP). Это логический канал, который может переносить обычный поток MPEG-2 TS или использоваться для передачи IP. Каждый PLP пропускается через блок входной обработки, за которой следует модуль помехоустойчивого кодирования и далее - раскладчик QAM-символов.

Один или несколько PLP могут укладываться в так называемые слои данных Data Slices (аналогичные каналам). Для повышения устойчивости к пакетным ошибкам или воздействия узкополосных помех эти слои затем подвергаются перемежению по времени и частоте. После этого они поступают в формирователь кадра, собирающий воедино все слои и добавляющий пилот-сигналы, а также преамбулу с сигнализацией первого уровня. На последнем этапе сформированный кадр поступает в генератор OFDM-потока.

Идентификатор PLP ID, позволяющий идентифицировать конкретный PLP на приемной стороне, является частью заголовка, передаваемого перед каждым пакетом. После декодирования этого заголовка и извлечения PLP ID приемник может определить, должен ли он декодировать пакет, следующий за заголовком. Пакеты, не принадлежащие к запрашиваемому PLP, пропускаются, то есть не поступают в QAM-демодулятор и декодер помехоустойчивого кодирования. В результате существенно снижается скорость потока, обрабатываемого приемником, а также процессорная мощность, требуемая для этой обработки.

Другое преимущество применения PLP заключается в том, что разные потоки можно передавать с разным уровнем помехоустойчивости: схема модуляции и режим помехоустойчивого кодирования для каждого PLP могут выбираться индивидуально. То есть каждой услуге может назначаться свое качество обслуживания (QoS). Преимущества индивидуального выбора параметров в первую очередь проявляются при двусторонней передаче данных в режиме точка--точка. Они могут выбираться в зависимости от характеристик каналов, соединяющих ГС и конкретное абонентское устройство, а именно от протяженности линии, количества сетевых усилителей и качества внутридомовой разводки.

Cтандарт DVB-С2 предусматривает помехоустойчивое кодирование LDPC. Коды этого класса известны еще с 60-х годов прошлого века, но их практическое использование стало возможным только в последнее время благодаря достижениям в области полупроводниковых технологий.

Эффективность LDPC-кодирования особенно высока при кодировании длинных последовательностей. Потому длина стандартного слова, к которому в DVB-C2 прилагается LDPC, составляет 64800 бит (вместо 204 Байт в DVB-C). То есть кодируемое слово больше не коррелированно с транспортным пакетом MPEG-2 TS. Кроме LDPC в DVB-C2 предусмотрено применение кода ВСН, налагаемого с очень высокой относительной скоростью (около 0,99). Этот код с малой корректирующей способностью введен для снижения порога коррекции LDPC. Порог коррекции присутствует у всех итеративных схем кодирования, таких как LDPC или турбокоды. Он проявляется в том, что при декодировании всегда остается некоторое количество ошибок, не поддающихся коррекции при последующих итерациях, выполняемых FEC-декодером.

Существенное повышение эффективности помехоустойчивого кодирования позволяет использовать более высокие размерности модуляции. Если в DVB-C максимально можно использовать 256 QAM, то в DVB-С2 добавляются размер-ности 1024 и 1096 QAM. Допустимые комбинации модуляций и схем помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 2. В ней также указаны уровни отношения сигнал/шум, требуемые для приема, квазисвободного от ошибок. Эти уровни лежат в пределах примерно от 10 до 35 дБ, причем спектр допустимых модуляций и схем кодирования позволяет подбирать их под требуемый сигнал /шум с шагом около 2 дБ.

Основным отличием DVB-C2 от DVB-C является применение OFDM, обеспечивающей устойчивость к различным видам канальных искажений (многолучевым отражениям или узкополосным помехам).

DVB-C2 поддерживает позаимствованный в DVB-T2 режим 4К с продолжительностью полезного OFDM-символа 448 мкс и двумя вариантами защитных интервалов -- 1/64 и 1/128. Более того, в DVB-C2 используются те же схемы распределения пилот-сигналов, что позволяет применять в обеих системам единый блок оценки качества канала.

В то же время, в отличие от эфирного стандарта, DVB-C2 не должен подчиняться жесткой частотной сетке. Так как кабельная сеть представляет собой закрытую экранированную среду, то нет необходимости координировать использование ее спектра с эфирными присвоениями. Напротив, можно гибко адаптировать полосу канала под свои конкретные потребности. Применение СOFDM вместо одной модулированной несущей как раз и является ключевым фактором, обеспечивающим эту возможность. Ширина канала задается выделением ему определенного количества СOFDM-поднесущих. А характеристики входного фильтра и системные часы остаются практически неизменными. Такой подход позволяет расширить полосу передаваемого сигнала для размещения в нем большего количества услуг. Чтобы не усложнять и не удорожать абонентское оборудование, предполагается сегментированный прием таких каналов. Приемник со стандартной полосой пропускания может извлечь из широкого пакета только ту часть, которая содержит принимаемую в данный момент услугу, а полоса, занимаемая этой частью, никогда не превышает 8 МГц.

Такая схема позволяет точно подстроить отводимую слою полосу под скорость передаваемого в нем потока. Например, спутниковые потоки с очень разными битовыми скоростями могут быть перенесены в поток DVB-С2 без необходимости забивать лишнее место стафинговыми битами или ремультиплексировать транспортный поток MPEG-2 TS.

Слой может формироваться до тех пор, пока не будут заполнены все поднесущие OFDM-сигнала. Размещение и ширина каждого слоя могут изменяться от фрейма к фрейму, но это не влечет за собой необходимости перестраивать приемник.

Одна из основных целей разработки спецификации DVB-C2 заключается, разумеется, в повышении эффективности использования спектра. Это достигается применением LDCP- кодирования в сочетании с более высокими схемами QAM-модуляции, а также за счет применения OFDM.

В стандарте DVB-C с его одночастотной модуляцией применяется маскирующий фильтр, задающий форму передаваемого сигнала. В результате действия скругляющего фильтра по краям канала появляются скосы, снижающие эффективность использования спектра. Этот фактор не зависит от абсолютной ширины канала, то есть для канала, скажем, в 16 МГц спектральные потери на скругление будут теми же. В случае с OFDM потери связаны с добавлением защитного интервала, введением пилот-сигналов и защитных полос по краям спектра. В стандартном режиме с защитным интервалом 1 /128 и плотностью размещения пилот-сигналов 1/96 по-тери, обусловленные этими двумя факторами, составляют примерно 2% . Что касается пограничных защитных полос, то они требуются только между соседними каналами, но не внутри одного OFDM-потока. Ширина пограничной защитной полосы практически не зависит от полосы, занимаемой самим OFDM-сигналом.

Таким образом, с расширением полосы спектральные потери существенно снижаются. Так, например, спектральные потери для сигнала DVB-C2 шириной 32 МГц (передающего, скажем, 5 слоев по 6,4 МГц) составляют всего 3,25%, в то время как в DVB-C они составляют 15%.

Снижение потерь спектра за счет применения COFDM в сочетании с LDPC-ko-дированием позволило создать систему, по эффективности передачи близкую к теоретическому пределу.

Если каналы DVB-C находятся ниже предела примерно на 10 дБ, то каналы DVB-C2 отличаются от него всего на 2-3 дБ. Одним из важнейших вопросов является снижение помех от кабельных сетей.

Экранированная среда передачи кабельных сетей теоретически позволяет использовать в них весь спектр от 0 до почти 1 ГГц.

Но не идеальное кабелирование внутри абонентских домов и квартир во многих случаях приводит к излучению сигналов КТВ в эфир. Иногда это излучение достигает уровней, которые могут создать помехи, например, полицейским или диспетчерским авиа службам. В этих случаях кабельных операторов принуждают снизить уровень сигнала, передаваемого на критических частотах, или же им приходится полностью выключить каналы, создающие помехи. В DVB-C2 такой необходимости не будет. Так как стандарт позволяет вырезать отдельные OFDM-поднесущие, можно будет избирательно отключать только те из них, которые создают помехи, а не весь канал целиком.

Таким образом, недавно разработанный стандарт DVB-C2 позволяет существенно повысить эффективность использования спектра.

Это достигается за счет применения более высоких размерностей QAM-модуляции (до 4096 QAM) в сочетании с мощной системой помехоустойчивого кодирования на базе LDPC-кодов.

Кроме того, применение OFDM дает дополнительный выигрыш в плане гибкости и эффективности, а также позволяет удешевить создание единых приемных чипсетов DVB-T2/C2. Рабочие возможности стандарта близки к теоретическому пределу. Это позволяет создать на его базе экономически эффективную систему, включающую вещание ТВ высокой и стандартной четкости, а также интерактивные услуги типа видео по требованию или доступа к Интернету.

Лекции 27-28. Стандарт наземного ТВ-вещания DVB-T

Переход к цифровому наземному ТВ-вещанию оказался трудной задачей. При обычной передаче телевизионных сигналов по эфиру на качество приема помимо атмосферных и индустриальных помех сильно влияют отраженные радиоволны (многолучевой прием) и помехи от других радиопередатчиков, работающих в этом же частотном диапазоне в соседних местностях.

Стандарт DVB-T предусматривает для передачи сигналов цифрового телевидения по стандартным каналам ТВ-вещания использование COFDM. Возможны два режима, называемые 8К (число несущих 6817) и 2К (число несущих 1705). Режим 8К позволяет использовать меньшие мощности передатчиков, но требует более производительных устройств обработки сигналов, чем режим 2К. Параметры для обоих режимов приведены в табл.

Из приведенных данных видно, что сигнал цифрового телевидения, передаваемый с помощью COFDM, можно разместить в стандартном радиоканале аналогового ТВ-вещания с шириной полосы частот 8 МГц, обеспечивая между соседними радиоканалами защитные частотные интервалы приблизительно по 0,39 МГц.

В табл. приведены значения скорости передачи двоичных символов для полезной информации и допустимого минимального отношения сигнал/шум в радиоканале для различных способов модуляции отдельных несущих COFDM. Эти результаты справедливы для обоих режимов: 8К и 2К. Значения приведены для случаев приема на стационарную и на мобильную антенны. В последнем случае телевизионный приемник может быть установлен на автомобиле или другом транспортном средстве. Значения достижимой полезной скорости передачи даны для разных отношений ?/Тр (1/4, 1/8, 1/16 и 1/32). Относительная скорость кода характеризует избыточность, вносимую сверточным кодированием. Сопоставляя числа, приведенные в табл.2, со значениями скорости передачи двоичных символов, соответствующими различным уровням качества воспроизводимого изображения при сжатии по стандарту MPEG-2, можно выбирать способы модуляции несущих и значения защитных интервалов, обеспечивающие передачу требуемого количества ТВ-программ с заданным качеством изображения. По значениям отношения сигнал/шум можно рассчитывать требуемые мощности передатчиков и размеры зон уверенного приема.

Из таблицы видно, что прием сигналов цифрового телевидения возможен при более низких соотношениях сигнал/шум чем при приеме аналогового(около50 дБ).

Рассмотрим другие особенности стандарта DVB-T. Будем называть символом COFDM совокупность информационных символов, передаваемых в данный момент времени на всех несущих частотах. Символы COFDM организуются в кадры, каждый из которых содержит 68 символов COFDM. 4 кадра образуют суперкадр, который содержит целое число транспортных пакетов MPEG-2. В каждом символе COFDM для режимов модуляции 8К и 2К выделяется, соответственно, 769 и 193 опорных несущих (пилот-сигналов), которые по сравнению с остальными несущими передаются с повышенной на 2,5 дБ мощностью.

Часть опорных несущих имеют постоянные положения на оси частот, а положения остальных опорных несущих изменяются от одного символа COFDM к другому. Пилот-сигналы используются для синхронизации тактовых частот демодулятора и модулятора, кадровой синхронизации, контроля состояния канала и других целей. Особый пилот-сигнал служит для передачи информации о режиме работы, параметрах защитных интервалов и сверточного кодирования, способе модуляции несущих.

Кадр содержит все необходимые сигналы для синхронизации демодулятора, поэтому длительность задержки начала приема после, например, переключения каналов, не превышает длительности одного кадра.

Стандарт DVB-T предусматривает возможность использования иерархической модуляции. Сущность этого метода состоит в том, что передаваемый цифровой поток разбивается на два потока. Первый поток (с высшим приоритетом) передается с более высокой помехоустойчивостью и в нем переносится наиболее значимая часть информации. Второй поток, имеющий более низкий приоритет, передается с меньшей помехоустойчивостью. При использовании профилей MPEG-2, имеющих масштабируемость, первый поток может соответствовать базовому слою данных, а второй поток - дополнительному. Иерархическая модуляция дает возможность принимать телевизионные программы, хотя и с пониженным качеством изображения, при неблагоприятных условиях, например, на значительном удалении от передатчика или при наличии существенных помех, а также на переносные ТВ-приемники.

Еще одна особенность стандарта DVB-T - возможность построения одночастотной сети телевизионного вещания (Single Frequency Network - SFN), в которой соседние передатчики могут одновременно вести вещание на одной несущей частоте, синхронно передавая одну и ту же ТВ-программу, причем области приема их сигналов перекрываются.

В этих зонах, благодаря применению COFDM, наличие сигналов от двух передатчиков не только не ухудшает качество приема, но наоборот, позволяет улучшить прием за счет сложения двух сигналов. Использование одно-частотной сети позволяет охватить наземным ТВ-вещанием большую территорию с использованием относительно маломощных передатчиков.

Рассмотрим последовательность преобразований сигнала, выполняемых при передаче цифрового телевидения по стандарту DVB-T. Первые шесть операций такие же, как для кабельного и спутникового ТВ. Далее выполняются следующие действия:

7. Сверточное кодирование с заданной относительной скоростью.

8. Второе (внутреннее) перемежение, предназначенное для защиты от селективных замираний несущих OFDM. В результате этой операции добиваются, чтобы соседние биты не передавались на соседних несущих.

9. Раскладка потока битов на символы по каждой несущей.

10. Ввод пилот-сигналов и формирование кадров COFDM.

11. Модуляция COFDM. Выполняется обратное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ) последовательности символов. Действительная и мнимая части результата ОДПФ преобразуются в аналоговую форму и ими модулируются, соответственно, косинус и синус несущей, т.е. выполняется аналоговая квадратурная модуляция.

12. Перенос модулированного сигнала в нужный частотный канал и передача.

Одним из основных требований к стандарту эфирного вещания была максимальная унификация с предшествующими стандартами спутникового и кабельного вещания.

Начальные этапы обработки цифрового сигнала, связанные с кодированием, включая внешнее кодирование кодом Рида-Соломона, сверточное перемежение и сверточное кодирование, тождественны DVB-S. Остальные элементы специфичны для OFDM. Включенный после сверточного кодера внутренний перемежитель предназначен для компенсации последствий селективных замираний в канале с многолучевостью, от которых не спасает введение защитных интервалов.

При отражении от близлежащих объектов эхо-сигнал в некоторой узкой полосе частот может быть сравнимым с полезным сигналом и приходить к приемнику в противофазе с последним, нейтрализуя несколько соседних несущих.

Чтобы избежать выпадения сразу нескольких битов, данные по несущим распределяют с частотным перемежением, так что соседние биты оказываются разнесенными по частоте и не попадают в полосу селективного замирания. Перемежение осуществляется в два этапа, как показано на рис.



На первом этапе цифровой поток с выхода сверточного кодера разделяется на n парциальных потоков, где n = 2 для ФМ-2, n= 4 для КАМ-16 и n = 6 для КАМ-64. Каждый из потоков делится на блоки из 126 битов и поступает на отдельный блоковый перемежитель битов с поразрядным перемежением. Выходные потоки перемежителей группируются по одному биту с каждого выхода, образуя m-битовые кодовые слова, поступающие на вход символьного перемежителя. В последнем перемежение символов происходит по определенному закону внутри блока из 12 х 126 = 1512 символов для <2к> модуляции и 48 х 126 = 6048 символов для <8к> модуляции. Следующий по порядку модуль в схеме осуществляет раскладку битов на символ COFDM, т. е. направляет к каждой несущей соответствующий кодовый символ с выхода перемежителя. На этом же этапе вводятся маркеры синхронизации и данные TPS.

Модуляция OFDM несущих кодированными сигналами в модуляторе происходит в соответствии с выбранным видом модуляции и манипуляционным кодом. Роль многочастотного модулятора выполняет интегральная микросхема обратного преобразования Фурье (рис.).

Полученные комплексные значения коэффициентов разделяются на вещественную и мнимую части и поступают на цифро-аналоговые преобразователи. Вещественная часть умножается на косинусоидальную компоненту несущей частоты, мнимая часть -- на синусоидальную и оба спектра складываются.

Структурная схема приемного тракта цифрового телевидения по стандарту DVB-T показана на рис.

В тюнере производится выделение нужного частотного канала и перенос его сигнала на ПЧ. Затем сигнал проходит усилитель, управляемый сигналом АРУ, и преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП. Далее выполняется квадратурная демодуляция, в результате которой выделяются квадратурные составляющие, соответствующие действительной и мнимой частям сигнала COFDM.

Затем производится прямое дискретное преобразование Фурье полученных квадратурных составляющих, в результате чего осуществляется демодуляция COFDM и восстанавливаются передаваемые символы. Данные с блока ДПФ используются для АРУ, а также поступают в блок синхронизации, в котором восстанавливаются несущая частота и тактовые импульсы для АЦП.

В блоке коррекции канала анализируются принятые пилот-сигналы в результате чего оценивается передаточная функция канала связи.

Затем выполняется коррекция канала - сигнал каждой несущей умножается на величину, обратную значению найденной передаточной функции канала для этой несущей.

В следующем блоке выполняются деперемежение второго (внутреннего) перемежения и сборка - операция, обратная раскладке битов по символам. В результате получается последовательность битов, которая далее поступает на блок коррекции ошибок, аналогичный соответствующему блоку приемника спутникового цифрового ТВ. Все последующие операции такие же, как для кабельного ТВ.

DVB -T не единственная система наземного цифрового ТВ - вещания. В США принят свой стандарт наземного цифрового ТВ, называющийся ATSC (Advanced Television Systems Committee - Комитет по усовершенствованным системам телевидения). В основе этого стандарта также лежит метод сжатия движущихся изображений MPEG-2, позволяющий передавать как ТВ-программы обычной четкости, так и ТВЧ. Для сжатия звукового сопровождения применен метод Dolby АС-3. Для передачи по обычным радиоканалам в ATSC применяется 8-позиционная амплитудная манипуляция с частично подавленной боковой полосой, обозначаемая 8VSB. Имеется несколько ступеней помехоустойчивого кодирования. Для подавления отраженных сигналов при многолучевом приеме в приемнике используется адаптивный эквалайзер, представляющий собой цифровой фильтр с настраиваемыми коэффициентами. В передаваемый сигнал вводятся специальные опорные импульсы, форма и положение которых точно известны. В процессе приема адаптивный эквалайзер автоматически настраивается так, чтобы параметры опорных импульсов на его выходе максимально соответствовали заданным значениям.

Тем самым обеспечивается коррекция искажений, создаваемых отраженными сигналами.

Так как все сигналы в радиоканале передаются в одинаковых условиях, то в результате настройки эквалайзера по опорным импульсам обеспечивается подавление отраженных составляющих и в остальном цифровом телевизионном сигнале.

Сравним DVB-T и ATSC.

Параметры передаваемых изображений в обоих стандартах одинаковы, так как определяются стандартом MPEG-2. По качеству звукового сопровождения стандарты также эквивалентны, так как в DVB звук тоже может кодироваться с применением стандарта АС-3. Основное различие заключается в применяемых методах модуляции и проявляется в различной устойчивости к действию помех.

Опубликованные результаты испытаний показывают, что DVB-T имеет ряд преимуществ перед ATSC:

- DVB-T обеспечивает реальное уменьшение мощности ТВ-передатчиков в условиях городской застройки;

- при использовании DVB-T прием на комнатные антенны и антенны переносных телевизоров не создает проблем, а при использовании ATSC - в большинстве случаев невозможен;

- DVB-T обладает высокой устойчивостью к помехам, создаваемым аналоговым ТВ-вещанием, и может сосуществовать с ним;

- DVB-T дает возможность создания одночастотных сетей с перекрытием зон приема сигналов соседних передатчиков.

Еще один стандарт наземного цифрового ТВ-вещания, был разработан в Япо-нии. В нем, как и DVB-T, используется COFDM.

Основное отличие японского цифрового стандарта ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting - цифровое вещание с интеграцией служб) заключается в интеграции различных телекоммуникационных служб. Поэтому телевизор ISDB будет использоваться для цифрового телевидения стандартной и высокой четкости, для цифрового радиовещания, а также для передачи сигналов цифрового телевидения и радиовещания в разнообразных комбинациях и в сочетании с текстом, статическими изображениями, графикой и другими данными, такими, например, как компьютерные программы.

В стандарте ISDB планируется передача дополнительных данных для создания электронного путеводителя по телевизионным программам. В техническом отношении в стандарте ISDB концепция передачи данных является общей для различных вещательных сред, таких, как спутниковое, наземное и кабельное телевидение. В качестве способа передачи данных в системе выбрано частотное уплотнение с ортогональными несущими - ОFDM. Стандарт ISDB интегрирует сигналы изображения, сигналы звука и информацию дополнительных служб, передавая их в одном канале связи одновременно, но способ модуляции и параметры кодирования могут устанавливаться независимым образом для сигнала каждой службы.

Это помехоустойчивая и гибкая схема, пригодная для работы с данными разных прикладных служб в различных условиях прохождения радиосигналов.

Стандарты мобильного вещания.

Сегодня существует 8 форматов вещания, ориентированных на прием мобильными терминалами.

Во-первых, это форматы DVB-T и DVB-H.

Во-вторых, MediaFLO, закрытая система разработки компании Qualcomm.

В третьих, группа форматов, базирующихся на системе радиовещания DAB. К ней относятся Movio System, разработанная British Telecom, корейские форматы

T- DMB и S-DMB, а также европейский профиль формата T-DMB. И, наконец, существует японский стандарт эфирного вещания ISDB-T, по своей гибкости пригодный для любых видов эфирного вещания на любые терминалы.

Поскольку обычно мобильные приемники имеют небольшие экраны, позволяющие воспроизвести картинку формата не более чем 1/4 CIF или 1/8 CIF, питаются от слабых аккумуляторных батарей, которые желательно эксплуатировать в максимально экономичном режиме и используют ненаправленные приемные антенны с небольшим коэффициентом, часто принимающие сигнал в неблагоприятных условиях, для них была разработана специальная система DVB-H (Digital Video Bro-adcasting-Handheld), по возможности совместимая с DVB-T, но одновременно учитывающая перечисленные особенности приема. Рассмотрим компоненты DVB-H, относящиеся к физическому и канальному уровням.

Во первых, к режимам модуляции 2К и 8К был добавлен еще один -- 4К. Это дало дополнительную степень свободы в плане обмена максимальной скорости передвижения приемника на радиус охвата одной соты. Чем меньшее количество ортогональных несущих используется при COFDM-модуляции, тем больший частотный интервал образуется между соседними несущими, и, соответственно, тем выше скорость движения терминала, при котором прием срывается из-за Допплеровского смещения частот.

С другой стороны, чем меньше несущих, тем короче период, выделенный для передачи каждого COFDM-символа и, соответственно, короче защитный интервал. А сокращение защитного интервала снижает возможности отстройки от многолучевого приема, то есть уменьшает допустимый радиус соты. Для сетей DVB-T, рассчитанных в основном на стационарный прием, значительно более важным фактором является зона охвата. Что же касается сетей DVB-H, то там большую значимость приобретает возможность приема на скорости, а зона охвата в сильной мере ограничивается уровнем сигнала на входе тюнера. Поэтому для возможности выбора компромиссного варианта был добавлен режим модуляции 4К, заполняющий нишу между 2К и 8К. Трансляции в режиме 4К могут приниматься только приемниками DVB-H.

Вторым дополнением на физическом уровне стала возможность более глубокого перемежения данных в режимах 4К и 2К.

Канальное кодирование DVB-T предусматривает перемежение данных внутри одного COFDM символа. Оно, в основном, предназначено для компенсации селективных замираний несущих при многолучевом приеме.

В то же время мобильные терминалы с большей вероятностью могут оказаться в зоне действия широкополосных импульсных помех. И, как уже отмечалось, при приеме на скорости появляется Допплеровское смещение частоты, также приводящее к искажениям сигнала. Поэтому в стандартах мобильного вещания на базе COFDM (DAB, ISDB -Т) для борьбы с последствиями длительных помех в цикл канального кодирования введено перемежение длинных серий данных, охватывающее десятки, а то и сотни OFDM-символов. Чем длиннее последовательность данных, участвующих в перемежении, тем эффективнее оказывается борьба с последствиями затуханий. Но для DVB-H такой путь невозможен.

Во-первых, восстановление длинных последовательностей потребовало бы непрерывного приема, в то время как для целей энергосбережения в DVB-H реализован описанный ниже импульсный режим передачи.

Во-вторых, для его осуществления необходимы большие объемы памяти, удорожающие приемник.

В третьих, это противоречит требованию совместимости с DVB-T.

Поэтому было выбрано компромиссное решение.

Для режима модуляции 8К, наиболее актуального для DVB-T, в DVB-H сохранено перемежение битов в рамках одного символа. А в режимах 4К и 2К, где каждый COFDM символ переносит меньшее количество информации, в качестве опции введена возможность временного перемежения, допускаемого объемами выделенной для этих целей памяти.

Для 4К перемежение выполняется с глубиной в 2 COFDM-символа, а для режима 2К - с глубиной в 4 COFDM - символа. При активизации этой опции совместная передача трансляций DVB-H и DVB-T невозможна.

Одновременно предусматривается опция дополнительной помехозащиты, реализованная на базе IP дейта-грамм и позволяющая в сильной мере компенсировать отсутствие глубокого перемежения.

Остальные механизмы внешнего и внутреннего канального кодирования, используемые в DVB-T, без изменения перенесены в DVB-H.

Третье дополнение касается транспортной сигнализации (TPS -- Transmission Pa-rameter Signalling), в которую добавлены два бита, индицирующие наличие в потоке услуг, передаваемых в формате DVB-H, а также наличие дополнительной кодо-защиты, реализуемой на базе IР-дейтаграмм.

Четвертым дополнением стала возможность использования полосы 5 МГц при условии, что она выделяется не в вещательном диапазоне.

Стандарт DVB-T2.

Характеристики стандарта DVB-TS и продемонстрирован Как подтвердила практика, вторая версия спутникового стандарта DVB-S2 по сравнению с первой обеспечивает увеличение пропускной способности канала до 30%. В связи с этим, для передачи ТВЧ повсеместно используется DVB-S2. При попытке внедрить ТВЧ в эфирные сети их ограниченные ресурсы окажутся перегруженными еще быстрее. И так как ТВЧ в любом случае потребует смены абонентских приставок, был поднят вопрос о разработке нового эфирного стандарта, который позволил бы повысить пропускную способность эфирных каналов. В феврале 2006 года в рамках консорциума DVB был создан исследовательский комитет (Study Mission), который определил набор коммерческих требований, определяющих рамки разработки стандарта:

- трансляции должны приниматься на существующие домашние антенны, и переход на новый стандарт не должен требовать изменения инфраструктуры передающей сети.

- обеспечение, как минимум, 30%-ного прироста пропускной способности каналов относительно DVB-T при идентичных условиях передачи.

- улучшение работы одночастотных сетей (SFN).

- возможность сосуществования в одном РЧ-канале услуг, передаваемых с разной степенью помехоустойчивости. Например, часть услуг, транслируемых по одному каналу шириной 8 МГц, может быть предназначена для приема на направленные антенны, установленные на крышах, а часть -- для приема на комнатные портативные антенны.

- гибкость использования полосы и частот.

Базовые принципы.

Основной принцип разработки стандартов семейства DVB заключается в том, что они должны, максимально, быть совместимы друг с другом. То есть преобразование сигнала при его переводе из одного формата в другой (например, из DVB-S2