Принцип формирования многоканального сигнала dvb t2. Стандарт DVB-T2-Lite: современный инструмент эфирного вещания для переносных устройств

Структурные схемы передающего и приемного устройств стандарта DVB-Т представлены на рис. 8.22, 8.23 .

Стандарт DVB-Т разрабатывался для цифрового вещания, но он должен встраиваться в существующее аналоговое окружение, поэтому в стандарте следует обеспечить защиту от интерференционных помех соседнего и совмещенного каналов, обусловленных действующими передатчиками PAL/SECAM. Поскольку речь, идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность использования частотного диапазона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных передатчиков, много частотных и одночастотных сетей. Следует учитывать высокий уровень промышленных шумов в канале наземного телевидения. Стандарт DVB-Т должен успешно бороться с типичными для наземного телевидения эхо-сигналами, вызванными как статическими объектами, например зданиями, так и динамическими объектами, например самолетами, и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распространения радиоволн, обусловленного рельефом местности.

Рис. 8.22. Структурная схема устройства преобразования сигналов и данных в передатчике DVB-T

Рис. 8.23. Структурная схема устройства преобразования сигналов и данных в приемнике DVB-T

Является желательным создание условий для приема в движении и на комнатные антенны. Все эти требования были выполнены в DVB-Т благодаря применению новой системы модуляции OFDM. Причем способ модуляции OFDM с кодированием включает в себя внешнее и внутреннее кодирование и перемежение с целью коррекции возникающих в канале ошибок.

OFDM отличается передачей сигнала с использованием большого количества несущих колебаний, частоты которых кратны некоторой основной частоте. Причем каждая несущая переносит поток данных, уменьшенный в число раз, равное количеству несущих. Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию модулированных колебаний даже в условиях частичного перекрытия боковых полос отдельных модулированных несущих.

Применение какой-либо одной системы кодирования не дает желаемого эффекта в условиях наземного телевидения, для которого типично проявление разнообразных шумов, помех и искажений, приводящих к возникновению ошибок с разными статистическими свойствами. В таких условиях необходим более сложный алгоритм исправления ошибок. В стандарте DVB-Т используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически безошибочную работу (такой подход типичен и для других сфер, например, для цифровой видеозаписи). Если благодаря работе внутреннего кодирования частота ошибок на выходе внутреннего декодера (см. рис. 8.23) не превышает величины 2x10 -4 , то система внешнего кодирования доводит частоту ошибок на входе демультиплексора MPEG-2 до значения 10 -11 , что соответствует практически безошибочной работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).

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

Защитный интервал . В системе OFDM данные передаются с использованием некоторого количества несущих колебаний. Если таких несущих много, то поток данных, переносимых одной несущей, характеризуется сравнительно небольшой скоростью, т.е. частота модуляции каждой несущей невелика. Однако межсимвольные искажения проявляются и при малой скорости следования модуляционных символов. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым символом вводится защитный интервал. Но надо отметить, что защитный интервал - это не просто пауза между полезными символами, достаточная для угасания сигнала символа до начала следующего. В защитном интервале передается фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности несущих принятого сигнала (но только в том случае, если эхо-сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность защитного интервала).

Концепция защитного интервала не является принципиально новой, но использование защитного интервала требуемой величины в цифровом телевидении возможно лишь при использовании частотного уплотнения с большим числом несущих.

Оценка параметров . Выбор параметров системы OFDM связан с обеспечением работы в одночастотных сетях телевизионного вещания, а также с возможностью использования заполнителей пробелов и мертвых зон в области охвата вещанием. Однако на начальном этапе развития цифрового телевидения одночастотные сети найдут небольшое применение из-за необходимости сосуществования с аналоговыми передатчиками и ограничений в распределении частотных диапазонов. Кроме того, в некоторых странах вообще не планируется использование одночастотной сети. Следовательно, система вещания должна допускать наиболее эффективное использование частотного диапазона в рамках уже существующих сетки частот и сети передатчиков.

Величина защитного интервала зависит от расстояния между передатчиками в одночастотных сетях вещания или от задержки естественного эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением частотных каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длительность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен быть как можно короче. Одна четвертая часть от величины полезного интервала является, видимо, разумной оценкой максимального значения длительности защитного интервала. Предварительные исследования показали, что если одночастотные сети будут строиться в основном с использованием существующих передатчиков, то абсолютная величина защитного интервала должна быть около 250 мкс. Это позволяет создавать большие одночастотные сети регионального уровня.

Принцип иерархической передачи . Особенность стандарта DVB-Т - возможность иерархической передачи и приема. Данные на выходе мультиплексора транспортного потока расщепляются на два независимых транспортных потока MPEG-2 (см. рис. 8.22), которым присваиваются разные степени приоритета. Поток с высшим приоритетом кодируется с целью обеспечения высокой помехозащищенности, поток с низшим приоритетом (обозначен на рис. 8.22 пунктиром) - с целью обеспечения высокой скорости передаваемых данных. Затем оба кодированных потока объединяются и передаются вместе. Таким образом, появляется возможность передачи по одному каналу двух различных программ или одной телевизионной программы в двух версиях. Первая версия характеризуется высокой помехозащищенностью, но ограниченной четкостью, вторая - высокой четкостью, но ограниченной помехозащищенностью. Это дает новые возможности. На стационарную антенну с помощью высококлассного приемника может быть принята версия с высокой четкостью. Но эта же программа будет принята простым и дешевым приемником в варианте с ограниченной четкостью. Помехозащищенная версия будет также приниматься в тяжелых условиях приема, например, в движении, на комнатную антенну. При меняющихся условиях приема возможно переключение приемника с одной версии на другую.

Стандарт DVB-Т был создан не просто для цифрового наземного телевидения, а для удовлетворения самых разнообразных требований, которые выдвигаются в странах, переходящих к цифровому наземному вещанию. Это вынуждает предусмотреть работу системы в различных режимах, но для сохранения сложности приемников на приемлемом уровне - обеспечить максимальную общность различных режимов.

Для работы одиночных передатчиков и сетей могут использоваться режимы работы с различным количеством несущих. Это обусловлено тем, что одни страны изначально планируют введение больших одночастотных сетей, а другие не предполагают этого делать. Стандарт DVB-Т допускает два режима работы: 2k и 8k. Режим 2k подходит для одиночных передатчиков и малых сетей, 8k соответствует большим сетям, хотя он может использоваться и для отдельных передатчиков.

Стандарт DVB-Т для достижения гибкости должен допускать обмен между скоростью передачи данных и помехозащищенностью. Введение защитного интервала позволяет эффективно бороться с неблагоприятными последствиями многолучевого приема. Однако платой за большой защитный интервал является уменьшение скорости передачи полезных данных. Для того чтобы сохранить большую скорость передачи данных в ситуациях, где не требуются большие одночастотные сети или не проявляется многолучевое распространение, предусмотрен целый набор возможных значений защитного интервала (1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от длины полезного интервала). Скорость внутреннего кода, обнаруживающего и исправляющего ошибки, может быть установлена равной одному из значений следующего ряда: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. В стандарте DVB-Т предусмотрена также возможность изменения числа позиций модулирующего сигнала от 4 до 64.

Поскольку распределение частотных каналов осуществляется в разных странах с различным шагом сетки частот, то переход от одного шага к другому в стандарте OVB-T выполняется путем замены системной тактовой частоты при сохранении всей структуры обработки сигналов. Разный шаг сетки частот обусловлен тем, что в отдельных странах стандартизованы различные номинальные полосы частот радиоканалов, предназначенных для передачи модулированных телевизионных сигналов, например, 8, 7 или 6 МГц.

Выбором комбинации параметров, относящихся к способу модуляции и числу несущих колебаний, скорости внутреннего кода и величине защитного интервала, можно создать систему наземного вещания, работающую в самых разных условиях передачи и приема и обеспечивающую заданную область охвата.

Важным фактором является высокая степень общности стандарта наземного телевизионного вещания DVB-Т с другими стандартами цифрового телевидения: кабельного (DVB-С) и спутникового (DVB-S).

Обработка данных и сигналов в стандарте DVB-Т. Рандомизация. Рандомизация данных является первой операцией, выполняемой в стандарте DVB-Т (см. рис. 8.22). Ее цель - превратить цифровой сигнал в квазислучайный и тем самым решить две важные задачи. Во-первых, это позволяет создать в цифровом сигнале достаточно большое число перепадов уровня и обеспечить возможность выделения из него тактовых импульсов (такое свойство сигнала называется самосинхронизацией). Во-вторых, рандомизация приводит к более равномерному энергетическому спектру излучаемого радиосигнала (как известно, спектральная плотность мощности случайного шума постоянна на всех частотах, поэтому превращение сигнала в квазислучайный способствует выравниванию его спектра). Благодаря равномерному спектру повышается эффективность работы передатчика и минимизируется мешающее действие радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому телевизионному сигналу, излучаемому другим передатчиком в том же канале.

Рандомизации предшествует операция адаптации цифрового потока, представляющего собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2 (рис. 8.24). Пакеты, имеющие общую длину 188 байтов (синхробайт, записываемый как число 47 в шестнадцатеричной форме или 01000111 - в двоичной, и 187 байтов передаваемых данных), объединяются в группы по восемь пакетов. Синхробайт первого пакета группы инвертируется, образуя число 10111000 2 = В8 16 . Собственно рандомизация осуществляется путем сложения по модулю 2, т.е. посредством логической операции «исключающее ИЛИ» (XOR) цифрового потока данных и двоичной псевдослучайной последовательности PRBS (Pseudo Random Binary Sequence).

Генератор последовательности PRBS построен на базе 15-разрядного регистра сдвига, охваченного цепью обратной связи (рис. 8.25). Для того чтобы формируемая последовательность лишь походила на случайную и в приемнике можно было бы восстановить передаваемые данные, в начале каждого восьмого пакета производится инициализация генератора PRBS путем загрузки в него числа

Рис. 8.24. Адаптация транспортных пакетов MPEG-2

Рис. 8.25. Структурная схема устройства рандомизации данных

100101010000000. Первый после инициализации бит псевдослучайной последовательности PRBS складывается с первым битом первого байта транспортного потока, следующего за инвертированным байтом синхронизации. Байты синхронизации транспортных пакетов не должны рандомизироваться. Для упрощения работа генератора PRBS не прекращается во время всех восьми пакетов, но в интервале синхробайтов сложение с псевдослучайной последовательностью не производится (для этого используется сигнал разрешения) и синхробайты остаются нерандомизированными. Таким образом, длительность псевдослучайной последовательности оказывается равной 1503 байтам (187 + 188 х 7 = 1503).

Восстановление исходных данных на приемной стороне осуществляется с помощью такого же генератора PRBS, который инициализируется в начале каждой группы из восьми пакетов адаптированного транспортного потока (на начало группы указывает инвертированный синхробайт пакета).

Внешнее кодирование и перемежение . В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов (рис. 8.26). При декодировании на приемной стороне это позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта.

Внешнее перемежение осуществляется путем изменения порядка следования байтов в пакетах, защищенных от ошибок. В соответствии со схемой, показанной на рис. 8.27, перемежение выполняется путем последовательного циклического подключения источника и получателя данных к двенадцати ветвям, причем за одно подключение в ветвь направляется и из ветви снимается 1 байт данных. В одиннадцати ветвях включены регистры сдвига, содержащие разное количество ячеек (каждая ячейка хранит байт данных) и создающие увеличивающуюся от ветви к ветви задержку. Входной и выходной ключи синхронизированы.

Рис. 8.26. Формирование пакетов данных с защитой от ошибок

Рис. 8.27. Структурная схема устройства внешнего перемежения данных с памятью внешнего кода Рида-Соломона RS (204,188)

Интересно, что предложенная схема не нарушает периодичность и порядок следования байтов синхронизации. Первый же синхробайт направляется в ветвь с номером 0, которая не вносит задержки. После семнадцати циклов коммутации ключей через устройство пройдет 204 байта (12x17 = 204, что совпадает с длиной кодового слова, в которое превращается пакет данных после кодирования Рида-Соломона). Следовательно, следующий байт синхронизации опять пройдет через ветвь с нулевой задержкой.

Перемежение является временным перемешиванием байтов данных, в приемнике исходный порядок следования байтов данных восстанавливается. Полезным в перемещении является то, что длинные пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами в канале связи и искажающие последовательно идущие байты данных, в результате обратного перемежения в приемнике разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным кодовым словам кода Рида-Соломона. В каждое кодовое слово попадает лишь малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме проверочных данных.

Прямое и обратное перемежения могут выполняться с помощью, практически одинаковых схем, но только порядок изменения задержки в ветвях схемы обратного перемежения в приемном устройстве должен быть изменен на противоположный (см. рис. 3.23). Синхронизация устройств прямого и обратного перемежения осуществляется путем направления первого же обнаруженного байта синхронизации через ветвь с номером 0.

Внутреннее кодирование . Внутреннее кодирование в стандарте вещания DVB-Т основано на сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым в процессе кодирования добавляется некоторое количество Проверочных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других. При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но гораздо меньшей длины, их называют «кадрами информационных символов». Обычно кадр включает в себя лишь несколько битов. К каждому информационному кадру также добавляются проверочные символы, в результате чего образуются кадры кодового слова, но кодирование каждого кадра производится с учетом предыдущих информационных кадров. Для этого в кодере всегда хранится некоторое количество кадров информационных символов, доступных для кодирования очередного кадра кодового слова (количество информационных символов, используемых в процессе сверточного кодирования, часто называют «длиной кодового ограничения»). Формирование кадра кодового слова сопровождается вводом следующего кадра информационных символов. Таким образом, процесс кодирования связывает между собой последовательные кадры.

Как было уже сказано, скорость внутреннего кода, или отношение числа символов в информационном кадре к общему числу символов, передаваемых в одном кодовом кадре, может изменяться в соответствии с условиями передачи данных в канале связи и требованиями к скорости передачи данных. Чем выше скорость кода, тем меньше его избыточность и тем меньше его способность исправлять ошибки в канале связи.

В стандарте DVB-Т внутреннее кодирование с изменяемой скоростью строится с использованием базового кодирования со скоростью 1/2. Основу базового кодера представляют собой два цифровых фильтра с конечной импульсной характеристикой, выходные сигналы которых X и Y формируются путем сложения по модулю двух сигналов, снятых с разных точек линии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров (рис. 8.28). Входные данные последовательно вводятся в регистр сдвига, а из выходных сигналов фильтров после преобразования в последовательную форму созидается цифровой поток, в котором биты следуют друг за другом в два раза чаще, чем на входе (скорость такого кода равна 1/2, так как на каждый входной бит приходятся два выходных).

В режимах с большей скоростью кодирования передается лишь часть генерируемых сигналов X и Y (передаваемые сигналы и их порядок приведены в таблице рис. 8.28). Например, при скорости 2/3 двум входным битам ставятся в соответствие и передаются в последовательной форме три выходных сигнала (X 1 , Y 1 , Y 2), а Х 2 вычеркивается. При максимальной скорости внутреннего кода, равной 7/8, семи входным битам соответствуют восемь выходных (X 1 , Y 1 , Y 2 , Y 3 , Y 4 , X 5 , Y 6 , X 7).

Рис. 8.28. Схема внутреннего кодирования:

а - структурная схема устройства сверточного кодирования со скоростью r=1/2; б - кодирование с вычеркиванием; в - таблица кодирования

Внутреннее перемежение и формирование модуляционных, символов . Внутреннее перемежение в стандарте DVB-Т тесно связано с модуляцией несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные несущие колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он является основой принципов модуляции OFDM в стандарте DVB-Т. Внутреннее перемежение складывается из перемежения битов и цифровых символов данных. Его первым этапом является демультиплексирование входного потока данных. Непосредственно за перемежением следует формирование модуляционных символов.

Демультиплексирование. Отдельные несущие могут модулироваться с использованием квадратурной фазовой манипуляции QPSK или квадратурной амплитудной модуляции QAM. Сигналы, модулирующие несущую (точнее, синфазное и квадратурное колебания), при таких способах модуляции являются многоуровневыми, они описываются последовательностями многопозиционных символов, которые называются «модуляционными». В способе QPSK модулирующий сигнал представляет собой последовательность четырехпозиционных символов, выбираемых из алфавита с четырьмя двухразрядными двоичными словами (00, 01, 10, 11), которые определяют фазу модулированного колебания. Для формирования таких символов входной последовательный поток битов надо распределить, или демультиплексировать на два субпотока, в каждом из которых тактовая частота будет в два раза меньше, чем на входе (рис. 8.29). Для 16-позиционной квадратурной амплитудной модуляции QAM-16 надо формировать модуляционные символы в виде 4-разрядных двоичных слов, определяющих фазу и амплитуду модулированного колебания. В этом случае входной поток надо демультиплексировать соответственно на четыре субпотока. При использовании модуляции QAM-64 модуляционные символы представляют собой 6-разрядные слова, поэтому входной поток демультиплексируется на шесть субпотоков.

Входной поток данных демультиплексируется на υ субпотоков (υ = 2 для QPSK, v = 4 для QAM-16, υ = 6 для QAM-64). Поток битов x 0 , х 1 , х 2 , х 3 ,... преобразуется в последовательность слов из υ разрядов (см. рис. 8.29). При использовании QPSK два последовательно следующих бита х 0 и x 1 отображаются в слово, представленное в параллельной форме и состоящее из битов b 0,0 и b 1,0 , биты х 2 и х 3 - в слово из битов b 0,1 и b 1,1 и т.д. При модуляции QAM-16 выполняется следующая структура отображения последовательного потока входных битов в 4-разрядные слова в параллельной форме: х 0 - b 0,0 , x 1 – b 2,0 , x 2 – b 1,0 , x 3 – 3,0 и т.д. При использовании QAM-64 каждые шесть последовательно следующих битов отображаются в 6-разрядное слово аналогичным образом.

Рис. 8.29. Схема внутреннего перемежения и формирования модуляционных символов:

а - QPSK; б - QAM-16

Перемежение битов . Перемежение битов представляет собой блочный процесс, т.е. оно осуществляется в пределах фиксированной области данных. Перемежение битов выполняется в пределах последовательности из 126 битов субпотока (рис. 8.29). Оно осуществляется только над полезными данными, причем в каждом субпотоке (их максимальное количество равно шести) перемежение соответствует своему правилу. В процессе перемежения в каждом субпотоке формируется входной битовый вектор B(e) = (b e,0 , b e,1 , К, b e,125), преобразуемый в выходной А(е)= (a e,0 , a e,1 , К, a e,125), элементы которого определяются как a e , w = b e , He (w) (здесь H e (w) - функция перестановки битов, е = 0, 1, …, υ - 1, w = 0, 1,2.....125). Функция перестановки определяется различным образом для устройства перемежения каждого субпотока. Например, для субпотока l 0 H 0 (w) = w, перестановка фактически отсутствует, а для субпотока l 1 перестановка выполняется в соответствии с функцией H 1 (w) = (w+ 63) mod 126.

Цифровой символ данных и символ OFDM. Для образования цифрового символа данных выходы устройств перемежения субпотоков объединяются таким образом, что каждый символ из υ битов (слово , где w = 0, 1,2,..., 125) включает в себя один бит с выхода каждого устройства, причем выход 10 дает старший бит: = (a o,w , a 1,w , K , a υ-1,w). В режиме 2k процесс битового перемежения повторяется 12 раз, в результате чего образуется пакет из 1512 цифровых символов данных (126x12 = 1512), называемый символом OFDM. Именно эти 1512 цифровых символов данных используются для модуляции 1512 несущих колебаний в интервале одного символа OFDM (длительность символа OFDM обозначается как Т s). 12 групп по 126 слов, считываемых последовательно с выхода устройства битового перемежения, образуют вектор . В режиме 8k процесс битового перемежения повторяется 48 раз, что дает 6048 цифровых символов данных (126x48 = 6048), используемых для модуляции 6048 несущих. Это дает вектор .

Перемежение цифровых символов данных . Перед формированием модуляционных символов выполняется перемежение цифровых символов данных. Вектор на выходе устройства перемежения символов Y = (y 0 , y 1 , K, у Nmax -1) формируется в соответствии с правилом: у Н(q) = для четных символов и y q = для нечетных символов (здесь q = 0, …, N max - 1, а N max > l =1512 или 6048). Функция H(q) называется функцией перестановки символов. Перестановка символов производится в пределах блока из 1512 (режим 2k) или 6048 (режим 8k) символов.

Формирование модуляционных символов . Цифровой символ данных у состоит из υ битов (как и у"): y q ’ = (y 0, q ’ , y 1, q ’ , К, у υ-1, q ’), q" - номер символа на выходе устройства символьного перемежения. Величины у используются для формирования модуляционных символов в соответствии с используемым способом модуляции несущих. Модуляционные символы z являются комплексными, их вещественная и мнимая части отображаются битами у u , q ’ . Отображение производится с использованием кода Грея, поэтому соседние по горизонтали и вертикали символы отличаются только в одном бите. Следовательно, если при демодуляции происходит ошибка из-за помех и за демодулированный символ принимается соседний (а такие ошибки наиболее вероятны), то это приводит к ошибке только в одном бите. При обычном двоичном коде такие же ошибки могли бы вызвать при демодуляции ошибки сразу в нескольких битах.

Модуляционные символы в стандарте DVB-Т являются комплексными. Например, при использовании способа QPSK значениям y 0, q . = 0 и у 1, q = 0 соответствует комплексное число z = 1 + j. Значения вещественной и мнимой частей этого комплексного модуляционного символа имеют вполне конкретный реальный смысл. Они означают, что амплитуды синфазной I и квадратурной Q компонент модулированного колебания равны 1. Иными словами в процессе модуляции косинусоидальная (или синфазная) и синусоидальная (или квадратурная) составляющие складываются с одинаковыми единичными символами. Известно, что сумма косинусоидальной и синусоидальной функций с единичными амплитудами дает гармоническое косинусоидальное колебание с амплитудой, равной √2 и начальной фазой 45°.

При квадратурной амплитудной модуляции меняется и модуль и аргумент комплексного модуляционного символа и, соответственно, амплитуда и начальная фаза полученного при модуляции колебания. Например, при использовании однородной квадратурной модуляции QAM-16 комбинации битов у 0, q = 0, у 1, q = 0, у 2, q = 1, у 3, q = 0 соответствует точка диаграммы 0010 и комплексный модуляционный символ z = 1 + 3j (синфазная косинусоидальная составляющая имеет амплитуду 1, а квадратурная синусоидальная - 3), что означает получение в процессе модуляции колебания с амплитудой √10 и начальной фазой 60°. Точка диаграммы 0111, в которую отображается комбинация битов у 0, q = 0, у 1, q = 1, у 2, q = 1, у 3, q = 1, обозначает комплексный модуляционный символ z = 1 - j, что означает получение в процессе модуляции колебания с амплитудой √2 и начальной фазой -45°.

Однако в процессе модуляции используются не сами модуляционные символы г, а их нормированные версии с . Нормировка вводится для того, чтобы средние мощности колебаний с разными способами модуляции были бы одинаковы. Например, при использовании способа QPSK нормированный комплексный модуляционный символ определяется как с = z/√2, при однородной модуляции QAM-16 - c = z/√10, а при неоднородной модуляции QAM-16 (с параметром χ = 4) - с = z/√108.

Перемежение и формирование модуляционных символов при иерархической передаче. Описанные принципы перемежения и формирования модуляционных символов соответствуют неиерархической передаче данных, при которой используется однородная квадратурная модуляция.

При иерархической передаче на вход устройства внутреннего перемежения поступают два потока данных - высшего приоритета () и низшего (). Поток высшего приоритета демультиплексируется всегда на два субпотока ( - b 0,0 , х 0 – b 1,0), а поток низшего приоритета - на (υ - 2) субпотоков ( -b 2,0 , - b 3,0 в случае QAM-16, - b 2,0 , - b 4,0 , - b 3,0 , - b 5,0 в случае QAM-64).

При иерархической передаче применяется неоднородная квадратурная модуляция. В случае иерархического декодирования демодуляция производится так, как будто модуляция была выполнена по способу квадратурной фазовой манипуляции. При этом достаточно определить лишь параметры группы из четырех битов и извлечь биты высшего приоритета y 0, q , и у 1, q . Такая процедура может быть выполнена без ошибок при сравнительно большом уровне помех, так как группы отстоят друг от друга на большее расстояние, чем отдельные точки внутри группы. Если уровень помех сравнительно невелик, то можно различить положения отдельных точек внутри каждой группы и в процессе демодуляции по способу QAM-16 извлечь и биты низшего приоритета y 2, q , и у 3, q .

Расположение точек векторной диаграммы зависит от параметра модуляции, обозначаемого в системе DVB-Т буквой χ (коэффициент неравномерности сигнального созвездия). Стандарт DVB-Т предусматривает три значения параметра %. При использовании однородной модуляции параметр устанавливается равным 1, в случае неоднородной: χ = 2 или χ = 4.

Модуляция OFDM и преобразование Фурье . Рассмотрим, модуляцию несущих. Независимо от способа (QPSK или QAM) модулированное колебание представляет собой сумму синфазной компоненты (косинусоиды) с амплитудой, равной вещественной части нормированного комплексного модуляционного символа Re{c} = с 1 и квадратурной компоненты с амплитудой, равной мнимой части модуляционного символа lm{c} = с Q . Значения модуляционных символов в процессе передачи меняются в соответствии с передаваемыми данными. Таким образом, надо умножать опорное синфазное колебание на вещественные части комплексных символов с 1 , квадратурное колебание - на мнимые части с Q , а результаты перемножения - складывать. Эту операцию можно выполнять различными способами. Например, можно все эти действия выполнять в цифровой форме, а обработанные данные подвергать затем цифроаналоговому преобразованию. Но можно сначала осуществить цифроаналоговое преобразование вещественной и мнимой частей комплексных модуляционных символов, а умножение их на синфазное и квадратурное колебания (а это есть не что иное, как амплитудная модуляция) и сложение выполнять в аналоговой форме. Учитывая, что для формирования излучаемого сигнала на частоте выбранного канала модуляцию приходится выполнять сначала на промежуточной частоте, а затем прибегать к преобразованию частоты, т.е. к переносу спектра сигнала в полосу частот выбранного канала вещания, оптимальное решение может представлять собой комбинацию алгоритмов цифровых и аналоговых преобразований сигналов.

Если попытаться максимальное количество действий выполнить в комплексной форме (а для этого есть основания, поскольку для операций с комплексными колебаниями разработано много быстрых алгоритмов), то сигнал несущей с номером k и частотой f k , модулированной символом с k , может быть записан в виде вещественной части произведения комплексного модуляционного символа с k и комплексной экспоненты, или комплексного колебания с частотой f k:

s k (t) = Re{c k x exp{j2πf k t)} = Re {с k x exp(j2πkt/T U)}.

Частота f k представляет собой k-ю гармонику основной частоты 1/T U , т.е. величины, обратной длительности полезной части символа и равной расстоянию между частотами соседних несущих. Сигнал OFDM, записанный на интервале одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами:

s(t) = ∑s k (t) = ∑Re {с k x exp(j2πkt/T U)},

где суммирование выполняется по всем значениям k от k min до k max .

Но можно сначала выполнить суммирование, а затем взять его вещественную часть. Поскольку цифровая система передачи данных-система с дискретным временем, то при вычислениях в цифровой форме вместо непрерывной переменной t надо подставить ее дискретный аналог nТ (здесь Т - интервал дискретизации, а n - номер отсчета):

s(nТ) = s n = Re{∑c k x exp(j2πknt/T U)}. (8.3)

Имеет смысл сравнить выражение (8.3) с формулой обратного дискретного преобразования Фурье:

х n = ∑ X k х ехр(j2πkn/N). (8.4)

Последняя формула также предполагает действия с комплексными числами, она позволяет вычислить значения сигнала х n в моменты nТ путем суммирования его гармонических составляющих с известными комплексными амплитудами Х k (здесь N - количество отсчетов сигнала и соответственно количество его составляющих (включая постоянную), которое может быть рассчитано в дискретной форме, причем суммирование выполняется по всем k от 0 до N-1). При описании сигнала формула (8.4) позволяет перейти из частотной области во временную, используя для этого суммирование всех гармонических составляющих сигнала, которые являются ортогональными.

Надо отметить, что формулы (8.3) и (8.4) аналогичны, ведь радиосигнал OFDM на интервале символа также представляет собой результат суммирования ортогональных гармонических колебаний с заданными в процессе обработки и кодирования данных амплитудами. Более того, формулы для обратного преобразования Фурье и радиосигнала OFDM становятся тождественными, если положить N = T U /T и ввести в формулу для сигнала OFDM суммирование от 0 до (N- 1), причем считать нулевыми значения модуляционных символов для вновь введенных дополнительных номеров. Тогда становится ясным, что частотное уплотнение с ортогональными несущими представляет собой обратное дискретное преобразование Фурье (точнее, его вещественную часть).

Переход на новый вещательный цифровой стандарт DVB-T2, который стартовал в марте этого года, вызвал волну критики со стороны кабельных операторов и производителей телевизионных приставок. О том, как получилось, что ряд абонентов оказались лишены возможности принимать сигнал в новом формате, и как решить эту проблему, в интервью «Ъ» рассказал гендиректор ФГУП «Российская телевизионная и радиовещательная сеть» (РТРС) АНДРЕЙ РОМАНЧЕНКО.

Почему в процессе реализации ФЦП «Развитие цифрового телерадиовещания на 2009-2015 годы» было принято решение о смене стандарта с DVB-T на DVB-T2?

Все просто: нам повезло. Россия оказалась в уникальной ситуации. Во многих других странах, где переход на цифровое вещание начался в конце 1090-х - начале 2000-х годов, наши западные коллеги прошли несколько ступеней: сначала внедряли цифровое телевидение в стандарте DVB-T с форматом сжатия MPEG-2, потом переводили сети на формат MPEG-4, сейчас - в массовом порядке на DVB-T2. Восемь стран уже запустили вещание в DVB-T2, 10 переходят, 28 приняли стандарт и сейчас разрабатывают план перехода на него. Мы смогли в момент написания программы поменять MPEG-2 на MPEG-4, а в начальный период исполнения одобрить переход на DVB-T2. Сейчас по большому счету сложности прогнозируются только в регионах первой очереди (Дальний Восток) и в опытных зонах (Калининградская и Курская области, Москва и Санкт-Петербург). В 27 регионах, где по ФЦП строительство должно было начаться в 2011 году, сразу внедряется новый стандарт.

Может возникнуть вопрос: не получится ли так, что через какое-то время нам придется переходить на DVB-T3, DVB-T4 и так далее? По законам физики - нет. Более высокой скорости передачи информации в единице спектра, чем в DVB-T2, быть не может даже теоретически. При утвержденных настройках у стандарта DVB-T скорость потока 22 Мбит/с, а у DVB-T2 - 33 Мбит/с. То есть DVB-T2 позволяет передавать большее количество каналов на одной частоте, чем было. Например, нам понадобилось место в первом мультиплексе для общественного телевидения. В DVB-T найти его было невозможно. Кроме того, если слишком ужать информационную скорость на телеканал (например, использовать вместо 2,4 Мбит/с 1,8), могут возникнуть дефекты картинки. За счет увеличения скорости в рамках мультиплекса есть возможность предоставлять дополнительные услуги: оповещение о чрезвычайных ситуациях, доступ к электронному правительству, электронные программные гиды, телеголосование и многое другое.

Решение о переходе на DVB-T2 было принято в сентябре прошлого года. Как вышло, что в марте, когда включили новый стандарт в Казани, Москве и Санкт-Петербурге, в продаже практически не было устройств, поддерживающих его? В феврале представители Ассоциации разработчиков и производителей аппаратуры телерадиовещания (АРПАТ) жаловались, что, например, Samsung в Калуге продолжает производить телевизоры с поддержкой старого стандарта. Они продаются в магазинах, никто не предупреждает покупателей, что через год-два они не смогут принимать эфирное ТВ.

На кого жаловалась АРПАТ? На себя? Им надо было заниматься своей работой - с сентября прошлого года оповестить всех производителей, которые работают в России, о смене стандарта. Вместо этого они ждали до февраля, а потом стали жаловаться. Также необходимо отметить, что Samsung уже заключил с нами соглашение, наладил собственное производство телевизоров DVB-T2 и в ближайшее время выпустит их в продажу.

По разным оценкам, в стране 70-90 млн телевизоров. Темпы замены - примерно 7 млн телевизоров в год. Фактически за десять лет парк телевизоров полностью меняется. Если вы купили телевизор в стандарте DVB-T, никто не мешает купить приставку DVB-T2.

Могу поспорить. Мой знакомый купил телевизор DVB-T примерно за 50 тыс. руб. и был неприятно удивлен, когда выяснилось, что это устаревшая модель.

Но и в таком случае есть технические решения. Перепрограммировать ТВ-приемник на новый стандарт вещания нельзя. Но всегда есть возможность установки цифровой приставки. Использование кабеля HDMI позволяет вынести приставку на расстояние до 15 м от места установки телевизора. А использование универсальных пультов дистанционного управления (при необходимости с радиоудлинителями) решает вопрос простоты в управлении.

Если появится новая востребованная услуга, а мы считаем, что 20 ТВ-каналов в хорошем качестве без абонентской платы - это востребованная услуга, люди потратятся. Если говорить вообще о развитии технологического процесса, вспомните, что происходило с интернетом. Сначала все покупали модемы с поддержкой dial-up, потом для выделенного подключения по меди, потом для оптоволокна, потом Wi-Fi, Wimax-модемы. То же с мобильными телефонами. За 20 лет сменилось несколько технологий. Люди за свои деньги меняли оборудование, чтобы получать новую услугу. При этом речь шла о платной услуге в отличие от бесплатного ТВ. Это нормальный рыночный процесс. В 1991 году в Советском Союзе я открывал первую FM-станцию. FM-приемников на тот момент на рынке практически не было. На меня смотрели как на сумасшедшего. Но рынок насытился примерно за три-пять лет.

- Но у ФЦП все-таки в первую очередь социальная миссия.

Совершенно верно. Одна из главных задач ФЦП - это решение проблемы цифрового неравенства. 20 ТВ-каналов, или так называемый московский стандарт, должны быть доступны для всех жителей России.

При этом мы понимаем, что приобретение абонентских приставок для определенного количества семей недоступная роскошь.

В других странах на завершающем этапе перехода с аналога на цифру осуществлялась государственная поддержка социально незащищенных слоев населения. У нас тоже озабочены этой темой. Региональные власти интересуются производством оборудования, закладывают в планы возможность либо раздачи приставок, либо выделения какой-то компенсации на их покупку для ветеранов, малообеспеченных слоев населения.

Но, например, в Москве вы оставили параллельное вещание и в DVB-T, и в DVB-T2. Планируете ли сделать то же в других регионах?

В Москве есть такая возможность, есть свободная частота, на которой можно вещать в DVB-T. В Санкт-Петербурге и Казани такой возможности нет.

Некоторые участники рынка предполагали, что более быстрое внедрение DVB-T2, чем это предполагалось вначале, связано с неудачными запусками ТВ-спутников - новый стандарт требует меньше спутниковой емкости.

Эти вещи никак не связаны. Хотя стандарт DVB-T2 позволяет использовать различные режимы и нарезать вещательный поток таким образом, чтобы определенные каналы поднимать повторно на спутник, а какие-то - нет. В стандарте DVB-T федеральная версия должна была раздаваться на все столицы субъектов РФ, там она модифицировалась с учетом регионального контента и рекламы и опять поднималась на спутник всем потоком. То есть емкостей на спутнике нужно было действительно больше.

Во сколько обойдется перевод тех регионов, где уже запущен DVB-T, на новый стандарт? Запуск этого стандарта как-то повлияет на бюджет ФЦП?

На бюджетные средства не повлияет никак. Мы прорабатывали этот вопрос еще до того, как представить предложение на правительственную комиссию. В основном при развитии сетей ЦТВ использовались передатчики, которые можно перевести на новый стандарт вещания программным образом, или, другими словами, без необходимости модификации аппаратной составляющей.

Почему приставка «Дженерал Сателайт», единственная доступная сейчас в продаже и поддерживающая DVB-T2, рекламировалась на сайте РТРС?

Мы и дальше будем делать эти ссылки. Мы находимся в тесном контакте с большинством производителей ТВ-приемников и абонентских устройств. Например, недавно нас проинформировали, что Philips выпускает партию первых ТВ-приемников DVB-T2. Действительно, у наших юристов возник вопрос: является это рекламой или нет? Сейчас этот вопрос прорабатывается. По ФЦП мы отвечаем еще за информационно-разъяснительную кампанию. К концу апреля запустим информационный портал РТРС.рф и централизованную горячую линию 8-800-220-20-02. С моей точки зрения, все оборудование с поддержкой DVB-T2, которое будет производиться в России, должно указываться на сайте. Коль скоро у нас «Дженерал Сателайт» оказалась первой, кто был в состоянии произвести эту приставку, она первой и появилась. В ближайшее время производство абонентских приставок будет запущено на ряде российских предприятий, информация об их продукции также появится на нашем сайте, по крайней мере виды оборудования и адреса розничных сетей.

- Много споров ведется и вокруг системы адресного управления (САУ). Почему РТРС хочет ее внедрить?

В сентябре правительственная комиссия поручила нам вместе с Минкомсвязи создать опытные зоны для того, чтобы протестировать САУ в целях гражданской обороны, оповещения о чрезвычайных ситуациях и возможности интегрировать услуги электронного правительства в телевизионный сигнал. Мы создали две опытные зоны с МЧС в Санкт-Петербурге и Курской области и еще восемь вместе с «Ростелекомом» (основной исполнитель по программе «Электронное правительство».- «Ъ»).

В советское время была система оповещения, основанная на проводной радиосети, но за последние 20 лет она фактически развалилась. Существуют системы оповещения по радио, телевидению, но они накрывают очень большие территории. Вспомните ситуацию с катастрофой на станции «Фукусима» в Японии. Была некоторая опасность для регионов Дальнего Востока, Приморья и Хабаровска, но оповещение велось на очень широкие территории, и весь Урал начал скупать йод, несмотря на то что там опасности не было. САУ дает возможность оповещать граждан с точностью до улицы, дома, подъезда. Например, можно сказать гражданам, чтобы они не выходили из подъезда, потому что прорвало трубу горячей воды и это небезопасно.

Электронное правительство обычно ассоциируется с интернетом, но оно может существовать и в составе телевизионного сигнала. В рамках сигнала первого мультиплекса возможно передать на ТВ-приемник различную, в том числе персонализированную информацию. Человек с помощью телевизионного пульта сможет посмотреть адреса ближайших аптек или отделений ГИБДД, график работы поликлиник. Если организовать обратный канал, например, через сети GSM, Wi-Fi или Wimax, информация станет интерактивной. Можно не только смотреть, но и пользоваться ею. Например, запрашивать размер задолженности за услуги ЖКХ или неоплаченные штрафы в ГИБДД.

Зачем делать систему оповещения и доступ к электронному правительству через телевизор, если существует много альтернативных вариантов?

В США существуют четыре параллельные системы оповещения на разные случаи жизни. Говорить о том, что одной системы будет достаточно, неправильно. Введение САУ не требует дополнительного бюджетного финансирования. Сейчас говорят, что эта система в разы увеличит стоимость клиентского оборудования, но это неправда. По нашим подсчетам, введение системы увеличит стоимость приставки примерно на 180 руб., а телевизора - на 750 руб.

- Но зато владельцы телевизоров и приставок, не поддерживающих САУ, не смогут смотреть эфирное ТВ.

Важно принять решение о внедрении САУ оперативно. Сейчас идет процесс замены приемного оборудования на стандарт DVB-T2. Разумно совместить замену приемного оборудования на устройства, которые поддерживают и САУ, и стандарт DVB-T2. Мы ведем переговоры со всеми основными вещателями, рекламными агентствами, Национальной ассоциацией телерадиовещателей (НАТ).

Без САУ зрители получат 20 каналов в свободном доступе, но это будет обыкновенное потоковое телевидение, к которому мы привыкли. САУ является основой оказания не только социально значимых услуг, при ее использовании появляются дополнительные возможности и для вещателей. Список новых услуг включает и расширенный электронный гид (EPG), возможность персонализированного оповещения. Также можно внедрить услугу push video, когда телезрителю будет предоставлена возможность просмотра в любое удобное время, например, пяти фильмов в неделю. Через неделю аппаратным способом эти фильмы стираются и заменяются на новые. В дополнение эта система дает доступ к новому виду услуг, который называется HBB (hybrid broadcast broadband, гибрид телевидения и интернета). Сейчас на Западе данный тип услуги очень активно развивается. На последней технической ассамблее Европейского вещательного союза HBB приняли 25 крупнейших вещательных компаний Европы. Возможно предоставление и video on demand (видео по запросу), но для этого потребуется очень хороший обратный канал.

Еще одной важной задачей САУ является стандартизация абонентских приставок, используемых в сети РТРС. Это позволит не только развивать новые услуги, но и фактически не допустить распространения некачественных приставок производства некоторых азиатских стран. Экономический эффект от внедрения цифрового ТВ получит прежде всего российская радиоэлектронная промышленность.

- Кто-то из вещателей высказывал заинтересованность в наличии таких дополнительных функций?

Мы сейчас как раз занимаемся ознакомлением вещателей с новыми возможностями. Окончательно сформулировать оферту мы смогли только в конце марта - после проведения всех технических испытаний.

Против САУ публично выступила Ассоциация кабельного телевидения России. По ее мнению, введение САУ превратит РТРС в конкурента операторов платного телевидения.

В ФЦП РТРС отвечает за строительство первого и второго мультиплексов. В них должно оказаться не менее 20 каналов в свободном доступе. Кабельщики в свое время развивались в основном на контенте крупных эфирных каналов, которые либо вошли в первый мультиплекс, либо будут во втором. То, что операторы называют базовой, или социальной услугой, которая включает 12-20 ТВ-каналов, обходится абонентам в сумму от 50 до 120 руб. в месяц. РТРС же будет предоставлять доступ к 20 каналам в цифровом стандарте полностью бесплатно. Соответственно, у абонентов может возникнуть закономерный вопрос к операторам кабельного ТВ: зачем им платить за услугу, которая существует бесплатно в эфире, и куда делась их коллективная антенна, чтобы принимать эту услугу? В этом смысле мы будем конкурировать с кабельщиками.

Сейчас половина домохозяйств в России - это абоненты кабельных, спутниковых и других операторов платного ТВ. РТРС ставит перед собой задачу увеличения доли эфирного ТВ?

Мы говорим о задачах, поставленных перед предприятием в рамках ФЦП: запустить два мультиплекса с охватом не менее 95% населения России. На момент написания программы одним каналом было охвачено 98,8%, двумя - 96,7%, пятью - 33% населения. То есть у трети жителей России было не более чем пять телевизионных каналов. Сейчас цифровое ТВ работает в 40 субъектах РФ, где проживают примерно те же 30% населения страны. То есть с 2010 года мы уже добились того, что у трети населения не пять, а как минимум восемь каналов. С включением регионального и общественного каналов их количество вырастет до 10, а после запуска второго мультиплекса - до 20. Обеспечить это - основная задача предприятия.

- Когда может быть принято окончательное решение о САУ?

Его будет принимать правительственная комиссия. Наше тестирование в Санкт-Петербурге и Курске закончилось, были получены положительные результаты. Тестирование с «Ростелекомом» еще продолжается.

Если ее все-таки примут, какое время, по вашим оценкам, потребуется на интеграцию САУ в приставки и телевизоры? Не получится ли так, что в момент включения зашифрованного сигнала ни у кого не будет оборудования, способного его принимать, как это было с DVB-T2?

С сентября прошлого года мы ведем переговоры с производителями. У нас есть список из 20 компаний, готовых интегрировать систему. Это около 90% всего объема рынка ТВ-приставок и около 70% - телевизоров. Это ключевые производители телевизионного оборудования, имеющие заводы на территории России,- Samsung, Philips, Sharp, Panasonic.

Еще раз напомню, что аналоговое ТВ в ближайшее время никто отключать не собирается. Оно будет осуществляться параллельно цифровому. В любом случае, пока у нас не будет насыщения рынка приставками и телевизорами, аналоговое вещание отключаться не будет, за исключением 300 км в приграничной зоне, где у нас есть обязательства выключить его по соглашению с Международным союзом электросвязи.

Когда может состояться конкурс на место во втором мультиплексе? По ФЦП его строительство должно начаться в конце этого года и на деньги участников.

Это вопрос к Роскомнадзору и Минкомсвязи. Мы надеемся, что он произойдет летом. Оттягивать нельзя, иначе мы сами для себя сокращаем сроки строительства мультиплекса.

Мы неоднократно собирали потенциальных участников второго мультиплекса. Это примерно 20 вещателей. Обсуждали с ними идеологию строительства, она будет отличаться от первого мультиплекса, который строился от пограничных регионов к центру страны. Второй мультиплекс будет строиться на внебюджетные средства, речь идет о кредитных, лизинговых схемах, конкретный вариант будет обсуждаться с победителями после проведения конкурса. Но уже ясно, что он будет строиться от крупных городов, которые в первую очередь привлекательны рекламодателям, к малым. У нас есть списки рекламно привлекательных городов от разных каналов. Когда мы их свели, получилось 174 города. Мы уже готовим по ним технологическое предложение.

Вторая версия стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T2, разработанная в рамках консорциумаDVBв 2008 году для передачи программ ТВЧ, обеспечивает, как минимум, 30%-ный прирост пропускной способности эфирных каналов, возможно и 50%-ное увеличение по сравнению с системой DVB-T .

Какой именно выигрыш можно получить, зависит от применяемых режимов модуляции несущих и построения сети. Максимальным такой выигрыш будет в одночастотных сетях.

При разработке нового стандарта было обеспечено выполнение следующих предварительно сформулированных коммерческих требований:

Сигналы системы DVB-T2 должны приниматься на существующие домашние фиксированные и портативные антенны.

Переход на новый стандарт не должен сопровождаться изменением инфраструктуры передающей телевизионной сети.

Новый стандарт должен улучшить работу одночастотных сетей телевизионного вещания.

Введено распределение несущих COFDM между логическими потоками информации , так называемымиPhysicalLayerPipes(PLP). В системе DVB-T вся полоса используется для передачи одного транспортного потока. В DVB-T2 возможна одновременная передача нескольких транспортных потоков, каждый из которых помещается в свою PLP. Возможны два режима работы «Режим А» – с передачей одной PLP и «Режим В» – с передачей нескольких. Таким образом,DVB-T2 допускает возможность сосуществования в одном радиочастотном канале сигналов, передаваемых с разной степенью помехоустойчивости. Например, часть сигналов, передаваемых по одному радиоканалу шириной 8 МГц, может быть предназначена для телеприема на направленные антенны, установленные на крышах зданий, а часть – для приема на комнатные портативные антенны.

Для снижения эксплуатационных расходов в системе DVB-T2 возможно снижение отношения пиковой и средней мощности передаваемого сигнала.

Основной принцип разработки стандарта DVB-T2 заключался в том, чтобы он был максимально совместимым со стандартомDVB-T.

Бóльшая часть технических решений, использованная при создании стандарта DVB-T2, была направлена на максимальное увеличение пропускной способности радиоканала. Ряд опций – новые размерности массива быстрого преобразования Фурье (FFT) и защитных интервалов, а также совокупность режима введения пилот-сигналов были введены для возможности оптимизации параметров в зависимости от характеристик конкретного радиоканала.

Канальное кодирование, часто называемое FEC -кодированием , используемое в системеDVB-T2 с целью обеспечения высокой помехоустойчивости передаваемой информации за счет исправления ошибок, также является каскадным. В качестве внешнего кода применяется короткий циклический код БЧХ. Для устранения ошибок, оставшихся после БЧХ-декодирования, данные дополнительно защищаютсякодом с низкой плотностью проверки на четность (LDPCcode).

Практическое использование данного кода стало возможным только в последнее время благодаря достижениям в области полупроводниковых технологий.

В случае использования кода LDPC доступны следующие значения относительной скорости кодирования: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10, которые определяются типом модуляции и качеством используемого канала передачи. В системе телевизионного вещания DVB-T2 после кода LDPC предусмотрено применение кода БЧХ с очень высокой относительной скоростью (около 0,99). Этот код с малой корректирующей способностью введен для снижения порога коррекции устройства кодирования LDPC. Порог коррекции присутствует у всех интерактивных схем кодирования, к которым относятся турбокоды. Он проявляется в том, что при декодировании всегда остается некоторое количество ошибок, неподдающихся коррекции при последующих итерациях.

Используемые в системе DVB-T2 коды LDPC настолько эффективны, что их применение позволяет обеспечить помехоустойчивость на уровне системы DVB-T, но добиться при этом передачи цифровых данных практически с двукратной скоростью.

Выигрыш в уровне отношения сигнал/шум за счет нового FEC-кодирования может составлять до 3 дБ для типичного уровня ошибок и при одинаковой доле контрольных символов.

Передаваемые в системе DVB-T2 данные пакетируются в базовые кадры, заголовок которых содержит информацию о характере данных (рис. 4.35). Эффективность LDPC-кодирования особенно высока при кодировании длинных последовательностей. Поэтому полная длина базового кадра с наложенным помехозащитным кодированием составляет 64 800 бит. В рамках стандарта DVB-T2 доля контрольных бит помехозащитных кодов может колебаться от 15 до 50%. В качестве опции допускается и более короткий вариант базового кадра – длиной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема сигналов низкоскоростных услуг.

Данные, передаваемые внутри базового кадра, как правило, представляют собой последовательность пакетов транспортного потока MPEG-2.

Для системы DVB-T2 также выбран способ модуляцииOFDMс защитным интервалом. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, в которых сигналы с соседних радиопередатчиков могут приходить к приемнику со значительным запаздыванием относительно основного сигнала.

Рис. 4.35. Структура базового кадра системыDVB-T2 с помехозащитным кодированием

Для возможности удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме передаваемых данных в стандарте DVB-T2 были введены два новых режима – 16k и 32k с соответствующим увеличением числа ортогональных несущих. При этом абсолютная величина защитного интервалаT G сохраняется, но его доля в общем объеме передаваемых данных снижается.

Максимальная длительность защитного интервала в системе DVB-T2 достигается в режиме 32k при отношенииT G к длине всего символа данныхT s 19/128. ДлительностьT G в этом случае превышает 500 мкс, чего вполне достаточно для строительства крупной общегосударственной одночастотной сети.

Таким образом, система DVB-T2 предлагает более широкий ряд размерностей массиваFFTи защитных интервалов. А именно:

размерности массива FFT: 1k , 2k , 4k , 8k , 16k , 32k ;

относительная длительность защитных интервалов по отношению к длительности символа данных (T G /T s ): 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.

Высший способ модуляции по фазе и амплитуде отдельных несущих в стандарте DVB-T–QAM-64, что обеспечивает передачу 6 бит одним символом (одной модулированной несущей). В системеDVB-T2 в качестве высшей модуляции используетсяQAM-256, которая позволяет передавать одним символом 8 бит. Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом, эксперименты показали, чтоFEC-кодирование с помощью кодаLDPCобеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования радиоканала по сравнению с системойDVB-Tпри типовых условиях передачи. Таким образом, введение режима QAM-256 стало возможным благодаря кодам LDPC.

В цифровых телевизионных системах с OFDM-модуляцией используютсяраспределенные пилот-сигналы . Приемнику известны параметры модуляции пилот-сигналов, и он может использовать их для оценки состояния радиоканала. В системеDVB-Tкаждый двенадцатый модулированный элемент является пилот-сигналом, то есть они занимают 8% в общем объеме данных. Однако для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8% оказывается избыточной. Поэтому стандартDVB-T2 предусматривает восемь разных вариантов размещения пилот-сигналов. Каждому варианту относительной длительности защитного интервала соответствует несколько возможных опций размещения пилот-сигналов. Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для снижения требуемого уровня отношения сигнал/шум на входе приемника или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной последовательностью.

В системе DVB-T2 используются три варианта перемежения:

а) битовый перемежитель рандомизирует биты в пределах базового кадра с помехозащитным кодированием;

Рис. 4.36. Схема поворота сигнального созвездия модуляцииQAM-16 на векторной диаграмме

б) временнóй перемежитель перераспределяет данные базового кадра с помехозащитным кодированием по символамOFDMв рамках кадраDVB-T2. Таким образом, информация, потерянная в один период времени, может быть восстановлена с использованием информации, передаваемой в другой период времени, что обеспечивает противодействие импульсным помехам;

в) частотный перемежитель рандомизирует данные в рамках OFDM-символа с целью ослабить эффект селективных частотных замираний.

В системе DVB-T2 применяется новый способ поворота на определенный угол сигнального созвездияQAM-модуляции на векторной диаграмме (рис. 4.36).

За счет поворота сигнального созвездия на точно подобранный угол каждая его точка приобретает уникальные координаты Q иJ , неповторяемые остальными точками. Причем каждая координата сигнальной точки обрабатывается в модуляторе отдельно, замешиваясь с координатами других сигнальных точек. КоординатыQ иJ отдельных сигнальных точек могут передаваться на разныхOFDM-несущих и в разныхOFDM-символах. В приемнике координатыQ иJ вновь объединяются, формируя исходное сигнальное созвездие, сдвинутое на некоторый угол.

Таким образом, если одна несущая или OFDM-символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, это позволит восстановить символ данных, хотя и с более низким уровнем отношения сигнал/шум. При использовании неповернутого сигнального созвездия разнесение координат Q и J не имеет смысла потому, что символ данных может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание.

Опытная эксплуатация системы DVB-T2 показала, что выигрыш в отношении сигнал/шум за счет применения способа поворота сигнального созвездияQAM-модуляции на определенный угол может доходить до 5 дБ.

Рис. 4.37. Огибающая спектра мощности радиосигнала в случае расширенного режима модуляции COFDM

Использование в системе DVB-T2 режимов 16k и 32k позволяет реализовать расширенный режим модуляции COFDM. Дело в том, что сигнал COFDM имеет «плечи», которые залезают на соседние частотные участки и являются помехой для располагающихся там сигналов (рис. 4.37). Эти «плечи» – следствие особенностей формирования сигнала COFDM и избавиться от них полностью невозможно. Однако в режимах 16k и 32k спектр излучаемого радиосигнала спадает более быстро на границах полосы, что позволило увеличить число несущих, используемых для передачи данных, и пропускную способность еще на 2% за счет расширения полосы занимаемых частот.

Для оценки потенциальных возможностей двух систем (DVB-TиDVB-T2) в табл. 4.4 приведены основные параметры их функционирования, позволяющие, в первую очередь, оценить пропускную способность эфирных радиоканалов.

Из анализа приведенных в табл. 4.4 параметров следует, что система DVB-T2 по сравнению с системойDVB-Tв большей степени адаптивна к задачам, решаемым операторами эфирного вещания, а именно: покрытие определенной территории максимальным количеством телепрограмм, цифровое вещание на территории со сложным рельефом местности, вещание на движущиеся объекты, где скорость передачи информации не является основным требованиям.

Сочетание новой технологии канального кодирования, используемой в системе DVB-T2, и стандарта видеокомпрессии Н.264 существенно повышает привлекательность цифрового телевидения для операторов многопрограммного эфирного телевизионного вещания, так как это позволяет значительно увеличить количество передаваемых программ в одном частотном канале шириной 8 МГц. Причем характеристики системы DVB-T2 отвечают требованиям наземного цифрового вещания в формате телевидения высокой четкости.