(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.2. Структурная схема системы 8-VSB ATSC

Основной технической задачей цифрового телевидения ATSC была передача HDTV-программы с заданной помехоустойчивостью в наземном радиоканале с ограниченной полосой частот 6 МГц. В стандарте применен запатентованный фирмой Zenith [8.11] метод многоуровневой модуляции с частично подавленной боковой полосой частот (VSB, Vestigal Side-Band). Для цифрового наземного ТВ используется 8-уровневая модуляция с треллисным (Trellis) или решетчатым кодированием, и по этой причине режим называется 8-VSB [8.11–8.14].

Стандарт ATSC предусматривает и более высокоскоростную версию для кабельного телевидения — режим 16-VSB без треллисного кодирования.

На рис. 21.2 приведена структурная схема системы 8-VSB ATSC. При преобразовании аналоговой информации применяется набор частот, формируемый из сигналов эталонной частоты 27 МГц. С использованием этих сигналов формируются два типа меток эталонов времени — базовые эталоны программы (33 бита) и расширенные эталоны (9 битов). Расширенные эталоны соответствуют отсчетам частоты 90 кГц, формируемой путем деления частоты 27 МГц, и применяются при формировании меток времени отображения и декодирования информации видео и аудиокодеров. Кодер транспортного потока выполняет роль мультиплексора, объединяющего информационные потоки и сервисную информацию в стандартный поток MPEG-2 TS.

В систему адаптации потока MPEG-2 к наземному каналу вещания входят канальный кодер и модулятор. Обобщенная структурная схема преобразования потока MPEG-2 изображена на рис. 21.3.

На вход поступает последовательность пакетов стандартного транспортного потока MPEG-2, в которых передаются видеосигнал, сигнал звукового сопровождения и различные дополнительные данные.

Первой операцией обработки данных является рандомизация, задача которой — преобразование сигнала в квазислучайную последовательность. Рандомизация выполняется путем сложения потока данных с псевдослучайной последовательностью, формируемой генератором, выполненным на базе 16-разрядного

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

оставшимся 187 байтам данных добавляются двадцать проверочных байтов кода Рида–Соломона, реализующего функции внешнего кода. Структура образованного кодового слова (207, 187) позволяет исправлять до t = 10 ошибочных байтов в каждом слове. Проверочные байты RS передаются в конце каждого сегмента. Кодер RS реализуется на основе регистра сдвига с 2t-байтовыми элементами памяти и обратными связями. Процесс кодирования сводится к операциям сложения и умножения по модулю 256.

Максимально допустимая длительность импульсной помехи для RS оценивается соотношением:

21.1. Стандарт цифрового телевидения ATSC

Рис. 21.6. Межсегментное перемежение данных в системе 8-VSB ATSC

где n — число информационных битов, приходящихся на символ (для режима 8-VSB n = 2). При большей длительности число ошибочных байтов внутри сегмента превышает корректирующую способность кода RS, и сегмент будет принят с ошибками.

Далее следует межсегментное перемежение данных, выполняемое на коммутируемых регистрах, в которых каждая ячейка содержит один байт данных (рис. 21.6). Благодаря перемежению в сегмент попадают байты из разных транспортных пакетов и разных кодовых слов кода Рида–Соломона. Межсегментное перемежение перемешивает байты данных в пределах 52 сегментов данных одного поля, что соответствует 1/6 части поля или приблизительно 4 мс во времени. Перемежению подвергаются только байты данных. Начало процесса перемежения привязано к первому байту данных поля.

Межсегментное перемежение обеспечивает повышение эффективности исправления больших пакетов ошибок. После перемежения внутри каждого сегмента соседними оказываются байты, находящиеся на расстоянии 52 байтов в исходном сегменте. Таким образом, в ATSC комбинация алгоритмов RS и перемежения допускает длительность пакета ошибок B · TRS = 52 · 3,71 мкс = 193 мкс.

В системе 8-VSB используется еще система внутреннего кодирования для исправления ошибок, реализующая решетчатую сигнально-кодовую конструкцию на основе сверточного кода со скоростью R = 2/3.

На рис. 21.7а приведена структурная схема системы внутреннего кодирования, в которой сверточный кодер совмещен со схемами решетчатого кодирования и 8-уровневым устройством отображения (маппером) кодов символов данных на модуляционные символы. Вместе с решетчатым кодированием осуществляется внутрисегментное перемежение. Для этого используется двенадцать одинаковых кодеров и предварительных кодеров режекции (рис. 21.7б). На входной коммутатор поступают байты с устройства межсегментного перемежения, причем каждый байт обрабатывается целиком одним сверточным кодером. Биты с нечетными номерами (7, 5, 3, 1) каждого байта подвергаются предварительному кодированию, а биты с четными номерами (6, 4, 2, 0) — сверточному кодированию. Внутрисегментное перемежение достигается путем кодирования символов группами: символы 0, 12, 24, 36, . . . образуют символы первой группы, символы 1, 13,

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.7. Формирование 8-позиционного сигнала (а) и внутрисегментное перемежение

(б) при треллисном кодировании

25, 37, . . . — второй, и так далее, всего образуется 12 групп. Данные, получаемые с выходного мультиплексора, переключаются от кодера номер 0 до кодера номер 11 в первом сегменте поля данных, но во втором сегменте порядок следования меняется, и символы считываются сначала от кодеров 4–11, а затем от 0–3. В третьем сегменте символы считываются с кодеров 8–11, а затем с 0–7. Структура перемежения в трех сегментах повторяется в 312 сегментах поля. После того как вставлены синхросигналы сегментов данных, порядок следования символов данных таков, что символы с одного кодера отстоят друг от друга на расстоянии 12 символов.

Структура сформированного кадра, состоящего из двух полей данных, показана на рис. 21.8. Поле и кадр данных определяют структуру цифрового потока, содержащего информацию о компрессированных изображении и звуке.

Объем дополнительных данных, добавляемых к полезным для синхронизации и исправления ошибок, сравнительно невелик и составляет 11%, поскольку (207/187)×(313/312)=1,11 во всех режимах, а скорость потока данных системы 8-VSB с выхода формирователя транспортного потока и доставляемого на вход декодера транспортного потока в приемнике равна Tr = 2fs × (188/208) × × (312/313) = 19,39 Мбитов/с.

Чтобы найти объем полезных передаваемых данных, надо рассчитанную скорость уменьшить в соответствии со структурой кадра:

21.1. Стандарт цифрового телевидения ATSC

2fs × (187/207) × (312/313) × (828/832) = 19,29 Мбит/с.

Коэффициент (187/207) учитывает потери, связанные с добавлением проверочных данных при кодировании с целью обнаружения и исправления ошибок, коэффициент (828/832) позволяет учесть наличие сигнала синхронизации сегмента, а (312/313) — включениие синхросегмента, отвечающего за синхронизацию кадров данных.

Рис. 21.8. Кадр данных VSB системы ATSC

Окончательное формирование сигнала для модулятора происходит в мультиплексоре путем вставки синхросигналов, добавления пилот-сигнала и осуществления, при необходимости, предкоррекции сформированных сигналов (рис. 21.3).

Группа из 312 сегментов, дополненная синхросегментом, образует поле данных, а два поля по 313 сегментов — кадр данных. Синхросегмент (рис. 21.9) имеет длительность 832 символа (как и сегмент данных). Он включает в себя синхросигнал сегмента и на большей части своей длительности принимает всего два уровня (+5 и −5). Синхросегмент обеспечивает кадровую синхронизацию данных при отношении сигнал/шум до 0 дБ. Он используется также в качестве опорного сигнала при автоматической настройке корректоров приемника.

Пакет опорного сигнала PN511, состоящий из 511 двоичных символов, используется для настройки корректоров (трансверсальных цифровых фильтров), компенсирующих искажения канала на больших интервалах времени. Для настройки корректоров «малого времени» используются три опорные последовательности PN63. Средняя из этих трех последовательностей инвертируется от поля к полю для идентификации полей. Перед началом каждого поля данных производится инициализация генераторов последовательностей, заключающаяся

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.9. Двухуровневый синхросегмент поля (для режима 8-VSB последние 12 символов предыдущего сегмента дублируются последними резервными символами синхросегмента поля)

в загрузке в регистры заданных двоичных чисел (100111 — в регистр, используемый в генераторе PN63, и 010000000 — в регистр PN511).

Дополнительно в синхросегменте используется 24 символа для сигнализации о режиме передачи (8-VSB или 16-VSB) и 104 резервных символа, применяемых для передачи сервисной информации и сигнализации. После резервных интервалов передаются 12 символов, представляющих собой повторение 12 последних символов предшествующего сегмента. Эти повторяющиеся символы, включаемые только в системе 8-VSB, используются для настройки устройств приемника.

Благодаря рандомизации данных уровни в сформированном сигнале равновероятны и средний уровень двухполярного сигнала практически равен нулю. Введение постоянного смещения величиной в 1,25 единицы к сигналу данных обеспечивает формирование пилот-сигнала в виде несущей радиосигнала постоянного уровня.

Величина несущей невелика и добавляет всего 0,3 дБ к общей мощности радиосигнала, но этого оказывается достаточно для восстановления несущей в приемнике в целях синхронного детектирования. Схемы восстановления несущей и синхросигналов действуют независимо от количества позиций многоуровневого модулирующего сигнала и работают при отношении сигнал/шум до 0 дБ. Уровень пилот-сигнала оказывается ниже средней мощности излучаемого сигнала на 11,3 дБ.

До подачи полностью сформированной последовательности на модулятор производится предкоррекция сигнала с помощью специальных фильтров, устраняющих возможные изменения его формы. Структура этих фильтров зависит от характеристик применяемых схем последующих преобразований сигнала.

Поступающий на вход модулятора сигнал подвергается амплитудной модуляции с последующим ограничением одной боковой полосы. Форма нормированной

21.1. Стандарт цифрового телевидения ATSC

амплитудно-частотной характеристики передатчика приведена на рис. 21.10а. Склоны этой характеристики имеют форму косинусоидальной функции, и ее

где f0 — несущая частота передатчика; fc = fs/2 — половина частоты следования

символов системы 8-VSB ATSC, равная ширине полосы нормированной АЧХ,

√

отсчитанной по уровню 1/ 2 ≈ 0,707; α = 0,1152.

Точное значение этой частоты следования цифровых символов равно fs =

=4,5 × (684/286) МГц = 10,762 МГц; 4,5 МГц — это частотный интервал между несущими видео и звука, который в системе аналогового телевидения NTSC равен 286-й гармонике строчной частоты (4,5 МГц = 286 × fH ) и, следовательно, fs =

=684 × fH .

Ширина спектра радиосигнала, измеренная на уровне 0,707 нормированной АЧХ фильтра передатчика, с одной стороны, равна половине частоты следования символов системы ATSC (fcfs/2 = 5,381 МГц), а с другой — 342 гармонике строчной частоты системы NTSC (342 × fH = 5,381 МГц). Полная ширина спектра сигнала ATSC, равная 6 МГц, определяется соотношением (381 + 1/3) × fH и лишь на 11,5% больше расчетной полосы спектра символов системы, что характеризует высокую эффективность использования полосы частот канала связи.

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Сформированный на выходе схемы VSB-модулятора аналоговый сигнал в полосе 6 МГц через преобразователь частоты и усилитель мощности передается в антенну и излучается, обеспечивая доставку программы ТВ-приемнику (рис. 21.3).

При приеме такого сигнала неподавленная несущая используется для фазовой и частотной синхронизации местного гетеродина с целью восстановления исходного суммарного сигнала. АЧХ приемного устройства аналогична АЧХ передатчика, и следовательно, с учетом сглаживающих фильтров передатчика и приемника измеренная на уровне 0,5 эквивалентной суммарной АЧХ системы ATSC ширина спектра сигнала равна половине частоты следования символов fcfs/2 (рис. 21.10б). Следовательно, эквивалентная АЧХ канала передатчик–приемник равна

Несколько слов следует сказать о фильтрации сигнала NTSC в приемном устройстве системы ATSC, поскольку возможно нарушение приема цифрового сигнала в случае параллельной работы системы аналогового телевидения. Форма спектра радиосигнала аналогового телевидения NTSC приведена на рис. 21.11а. С целью уменьшения влияния этого сигнала в приемнике ATSC применяется гребенчатый фильтр, модуль эквивалентной амплитудно-частотной характеристики которого изображен на рис. 21.11б.

Длительность задержки в гребенчатом фильтре при этом подбирается равной τ = 12/fs = 1/(57·fH), а расстояние между соседними нулями модуля АЧХ равно

57 · fH .

Точное смещение частоты пилот-сигнала системы ATSC относительно несущей видео NTSC устанавливается равным (56+19/22)×fH, поэтому спектр ATSC сдвинут на 45,8 кГц по отношению к номинальным границам радиоканала NTSC, достигая границы верхнего смежного канала на уровне примерно −40 дБ.

В стандарте ATSC в качестве критерия качества видеоизображения вводится понятие «порога видимости» (ПВ), определяемое пороговым значением отношения сигнал/шум на входе приемника. Так, для системы эфирного вещания 8-VSB теоретическим порогом определена величина С/Ш = 14,9 дБ, что примерно на 20 дБ ниже величины ПВ для аналогового телевидения.

Cтандартом ATSC предусмотрен также высокоскоростной режим 16-VSB без треллисного кодирования для кабельного телевидения. В таком режиме обеспечивается передача потока цифровой информации в 38,78 Мбит/с и теоретическим порогом задается величина С/Ш = 28,3 дБ. Основные параметры двух режимов работы системы ATSC приведены в табл. 21.4.

-

Стандарт DVB-T входит в группу европейских телевизионных стандартов DVB (Digital Video Broadcasting) [8.4, 8.12, 8.16, 8.17]. В документе ITU-R [8.10] этот стандарт обозначен как «система B». В нем принята чересстрочная развертка с частотой полукадров 50 Гц и разрешением 625 строк. Как опция предусматривается и телевидение высокой четкости (ТВЧ) с увеличенным разрешением

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

по вертикали и горизонтали и использованием широкоформатного изображения 16 : 9. Для передачи аудио поддерживается несколько стандартов, в том числе MUSICAM и Dolby AC-3. Стандарт DVB-T предлагает три варианта ширины канала — 8, 7 и 6 МГц. В качестве системы модуляции используется схема COFDM, разработанная специально для борьбы с помехами от многолучевого приема. Для борьбы с переотраженными сигналами в DVB-T используется специальный алгоритм: информация посылается с передатчика не непрерывным потоком, а разбивается на небольшие пакеты (символы) и передается с перерывами (защитными интервалами). Кроме того, стандарт DVB-T существенно уменьшает влияние помех, создаваемых аналоговым телевидением систем PAL/SECAM, что делает его особенно ценным для стран с большой территорией (в особенности для России).

Обобщенная структурная схема передающего комплекса системы DVB-T содержит две подсистемы: преобразования исходных данных в цифровой поток MPEG-2 и канальный эфирный модулятор (рис. 21.12).