(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Таблица 21.4. Параметры системы ATSC для наземного и кабельного телевидения

В состав подсистемы формирования цифрового потока MPEG-2 входит набор кодирующих систем нескольких телевизионных программ, содержащих кодеры видео- и аудиоинформации и иных данных, цифровые потоки которых объединены программным мультиплексором. Суммарный поток цифровых данных MPEG-2 образуется на выходе транспортного мультиплексора, объединяющего потоки нескольких программных мультиплексоров.

При необходимости реализовать какой-либо вид масштабируемости динамических изображений или передавать ряд телевизионных программ с различным приоритетом в структуре передающей части системы предусматривается разделитель данных, поступающих на два тракта транспортных потоков с высоким и низким приоритетом.

Статистические кодеры, установленные в каждом из этих трактов, обеспечивают рандомизацию данных (скремблирование), реализуя квазиравномерное рассеивание энергии (рис. 21.13).

Входной транспортный поток MPEG-2 организован в виде пакетов, содержащих один синхробайт (47HEX) и 187 байтов мультиплексированных данных (рис. 21.14а).

Порядок обработки данных со стороны передачи всегда начинается со старшего бита (most significant bit, MSB) синхронизирующего байта (0100 0111, M SB = 0), который не скремблируется, но его значение инвертируется в каждом восьмом транспортном пакете.

Процесс дерандомизации цифровой последовательности в приемнике осуществляется по аналогичной схеме.

Порождающий генераторный полином для псевдослучайной двоичной последовательности (pseudo-random bit sequence, PRBS) имеет вид:

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.14. Стадии процесса адаптации, распределения энергии, внешнего кодирования и компоновки: а) — пакет мультиплексированных данных MPEG-2; б) — рандомизированные байты данных: в) — рандомизированные байты данных, дополненные пакетами Рида–Соломона; г) — структура данных после внешней компоновки (степень перемешивания I = 12 байт)

Загрузка последовательности «100101010000000» в регистры статистического кодера, как указано на рис. 21.13, должна инициироваться при запуске каждых восьми транспортных пакетов. Для обеспечения сигнала инициализации декодера скремблирования выполняется побитовое инвертирование синхронизирующего байта MPEG-2 первого транспортного пакета в группе из восьми пакетов из 47HEX (Sync) в B8HEX (sync) (рис. 21.14б).

Первый бит на выходе генератора PRBS соответствует первому биту (т. е. MSB) первого байта, следующего за инвертированным синхробайтом. Для осуществления других функций синхронизации генерация PRBS продолжается на протяжении синхробайтов последующих 7 транспортных пакетов. Таким образом, последовательность PRBS должна иметь период 1503 байта.

Внешнее кодирование поступающих от статистических кодеров транспортных пакетов осуществляется укороченным кодом Рида–Соломона RS (204, 188, 8), который должен быть применен к каждому рандомизированному транспортному пакету (рис. 21.14б) для порождения пакета, защищенного от ошибок (рис. 21.14в). Кодирование Рида–Соломона должно быть также применено к синхронизирующему байту пакета, как к неинвертированному (47HEX), так и к инвертированному (B8HEX).

Порождающий полином кода:

Вслед за внешним кодированием схемой внешнего компоновщика (рис. 21.15) производится сверточная побайтовая компоновка со степенью перемешивания

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

Рис. 21.15. Концептуальная диаграмма внешнего компоновщика и распаковщика

I = 12, применяемая к пакетам, защищенным от ошибок (рис. 21.14в). В результате формируется скомпонованная структура данных (рис. 21.14г).

Байты данных, сформированные на выходе внешнего компоновщика, состоят из защищенных от ошибок пакетов и разграничены инвертированными или неинвертированными синхробайтами.

Каждое j-е звено компоновщика представляет собой регистр FIFO с размером ячеек j · M , где M = 17 = N/I, N = 204. Ячейки FIFO содержат 1 байт, а работа входного и выходного коммутаторов синхронизирована.

Для обеспечения синхронизации Sync байты и sync байты следует всегда адресовать в нулевое звено компоновщика (соответствующее нулевой задержке).

Распаковщик принципиально подобен компоновщику, но индексы его звеньев идут в обратном порядке (т. е. j = 0 соответствует наибольшей задержке).

Система внутреннего кодирования предусматривает сверточное кодирование с различной скоростью, основанное на материнском сверточном коде со скоростью 1/2 с 64 состояниями решетчатой диаграммы и различных масках выкалывания. Это позволяет выбрать наиболее приемлемый уровень коррекции ошибок для конкретной сети вещания или наиболее приемлемую скорость потока данных как в неиерархическом, так и в иерархическом режиме передачи.

Порождающие полиномы материнского восьмеричного кода G1 = 171OCT для выхода X и G2 = 133OCT для выхода Y (рис. 21.16).

При использовании двухуровневой иерархической передачи сигналов с различным приоритетом каждое из двух параллельных кодирующих устройств канала может иметь собственную скорость кода. В дополнение к материнскому коду со скоростью 1/2 система предусматривает скорости 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8.

Маски выкалывания сверточного кода используются в соответствии с табл. 21.5. В этой таблице X и Y относятся к двум выходам сверточного кодирующего устройства.

Первый бит символа, к которому применено сверточное кодирование, всегда соответствует X1. Вслед за внутренними кодерами передающей части системы DVB-T включен внутренний компоновщик, поблочно обеспечивающий побитовую компоновку, за которой следует символьная компоновка.

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.16. Материнский сверточный кодер со скоростью 1/2

Таблица 21.5. Маски выкалывания для возможных скоростей кода

При побитовой компоновке на входы демультиплексоров поступает до двух битовых потоков, которые демультиплексируются на V подпотоков, где V = 2 для QPSK, V = 4 для 16-QAM и V =6 для 64-QAM. В неиерархическом режиме единый входной поток демультиплексируется на V подпотоков. В иерархическом режиме поток высокого приоритета демультиплексируется на 2 подпотока, а поток низкого приоритета демультиплексируется на V − 2 подпотока. Это применимо как для однородных, так и для неоднородных режимов QAM (рис. 21.17 и 21.18).

Демультиплексирование определяется как отображение входных битов xdi на выходные биты bed0 .

В неиерархическом режиме:

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

Рис. 21.17. Отображение входных битов на выходные символы модуляции при неиерархическом режиме передачи

а в иерархическом режиме:

где xdi — данные, поступающие на вход демультиплексора в неиерархическом

режиме, x — входные данные демультиплексора высокого приоритета, x —

di di

входные данные низкого приоритета в иерархическом режиме, di — номер входного бита, bed0 — данные на выходе демультиплексора, e — номер демультиплексированного битового потока (0 e < V ), d0 — номер бита данного потока на выходе демультиплексора, mod — оператор получения остатка при целочисленном делении (деление по модулю), div — оператор целочисленного деления. Результаты демультиплексирования входных данных приведены в табл. 21.6.

Битовая компоновка (см. рис. 21.17 и 21.18) осуществляется только для полезных данных. Каждый компоновщик имеет один и тот же размер блока, но последовательность компоновки в каждом случае различна. В блоке битового компоновщика помещается 126 битов. Следовательно, процесс компоновки блока повторяется двенадцать и сорок восемь раз на символ полезных данных в зависимости от используемых двух режимов OFDM-модуляции, обозначаемых как режим «2k» и режим «8k».

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.18. Отображение входных битов на выходные символы модуляции при иерархическом режиме передачи

Таблица 21.6. Отображение демультиплексированных данных

Для каждого битового компоновщика вектор данных входного бита определяется следующим образом:

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

определяется так:

aew = beHe (w), w = 0, 1, 2, . . . , 125,

где He(w) — функция перестановки, различная для каждого из компоновщиков:

Выходы V -битовых компоновщиков сгруппированы для формирования цифровых символов данных таким образом, что каждый символ из V битов состоит в точности из одного бита от каждого из V компоновщиков. Следовательно, побитовый компоновщик выдает на выход слово y из V бит, причем старший бит y поступает с выхода I0:

Выходной символьный компоновщик обеспечивает отображение V -битовых слов на Nmax = 1512 (режим 2k) или Nmax = 6048 (режим 8k) активных несущих в символе OFDM.

Скомпонованный вектор данных Y = (y0, y1, y2, . . . , yN max−1), содержащий 12 групп по 126 слов выходных данных в режиме 2k и 48 групп по 126 слов данных в режиме 8k, определяется как:

yH(q) = yq для четных символов при q = 0, . . . , Nmax − 1, yq = yH(q) для нечетных символов при q = 0, . . . , Nmax − 1,

где функция перестановки H(q) определяется при помощи следующего алгоритма: q = 0;

for (i = 0; i < Mmax; i = i + 1) {

Mmax = 2048 в режиме 2k и Mmax = 8192 в режиме 8k, а векторы Ri вычисляются из векторов Ri c использованием битовых перестановок (табл. 21.7); при этом двоичные слова Ri, cостоящие из (Nr −1) битов, Nr = log2 Mmax, принимают следующие значения:

i = 0, 1 : Ri[Nr − 2, Nr − 3, . . . , 1, 0] = 0, 0, . . . , 0, 0; i = 2 : Ri[Nr − 2, Nr − 3, . . . , 1, 0] = 0, 0, . . . , 0, 1;

2< i < Mmax : Ri[Nr − 3, Nr − 4, . . . , 1, 0] = Ri−1[Nr − 2, Nr − 3, . . . , 2, 1];

врежиме 2k : Ri[9] = Ri−1[0] Ri−1[3];

врежиме 8k : Ri[11] = Ri−1[0] Ri−1[1] Ri−1[4] Ri−1[6].

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.19. Порождающие схемы внутренних символьных компоновщиков для режима 2k

(а) и для режима 8k (б)

Таблица 21.7. Битовые перестановки в двух режимах системы DVB-T

Схематические блок-диаграммы алгоритмов, порождающих функции перестановки, представлены на рис. 21.19.

Выход внутреннего компоновщика подключен к мапперу, отображающему данные на созвездие сигнала OFDM (см. главу 20). При формировании кадра OFDM используется отображение Грея либо на однородные (QPSK, 16-QAM, 64QAM), либо на неоднородные диаграммы (16-QAM, 64-QAM). Потоки данных, представляющие действительные Re{z} и мнимые Im{z} составляющие неиерархической комплексной модуляции, определяющие модуль и фазу каждой несущей OFDM-сигнала, обозначены на рис. 21.17, а для иерархической комплексной модуляции — на рис. 21.18.

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

В блоке кадров данных формируется последовательность, организованная в виде кадров, состоящая из 68 символов, используемых для формирования OFDM-сиг- нала. Четыре кадра составляют один суперкадр.

Каждый символ имеет длительность TS и состоит из K = 6817 несущих в режиме 8k и из K = 1705 несущих в режиме 2k. Он включает полезную часть длительности TU и защитный интервал длительности TG, который является циклическим продолжением полезной части и вводится перед ней (табл. 21.8).

Таблица 21.8. Числовые значения параметров OFDM для режимов 8k и 2k

Примечание: Цифры, указанные наклонным шрифтом, — приближенные; Kmin = 0; Kmax = 6816 для режима 8k и Kmax = 1704 для режима 2k.

Длительность защитного интервала может иметь четыре значения (табл. 21.9), длительность обычно определяется как количеством элементарных периодов T , так и в микросекундах. Элементарный период для канала 8 МГц равен T = = 7/64 мкс, для канала 7 МГц — T = 1/8 мкс и для канала 6 МГц — T = 7/48 мкс.

Таблица 21.9. Длительность символьной части и защитных интервалов

Символы в кадре OFDM пронумерованы от 0 до 67 и содержат информацию о передаваемых данных и опорную информацию. Поскольку сигнал OFDM включает множество отдельно модулированных несущих, каждый символ можно рассматривать разделенным на ячейки, каждая из которых соответствует модуляции, выполненной на одной несущей в течение одного символа.