(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Вдополнение к передаваемым данным кадр OFDM содержит специальную служебную информацию в виде

–рассеянных пилотных несущих (scattered pilots);

–повторяющихся пилотных несущих (continual pilots);

–несущих сигнализации о параметрах передачи (TPS).

Пилотные несущие используются для кадровой, частотной, временной синхронизации, оценки канала, идентификации режима передачи, а также для отслеживания фазового шума.

Излучаемый сигнал описывается следующим выражением:

k — номер несущей; l — номер символа OFDM; m — номер передаваемого кадра; k = k − (Kmax + Kmin)/2 — индекс несущей относительно центральной частоты; K — число переданных несущих; TS — длительность символа; TU — длительность активной части символа; TG — длительность защитного интервала; fc — центральная частота радиосигнала; Cm,l,k — комплексный символ k-й несущей l-го символа в m-м кадре OFDM.

Величины Cm,l,k — это нормализованные значения модуляции точки Z созвездия согласно применяемому алфавиту модуляции. Коэффициенты нормализации определяются соотношением E[C · C ] = 1 и приведены в табл. 21.10.

Таблица 21.10. Нормализирующие коэффициенты для символов данных

В рассеянных или повторяющихся пилотных ячейках опорная информация передается на «усиленном» уровне мощности, так что E[C · C ] = 16/9.

Период повторения положений рассеянных пилотных ячеек — четыре символа OFDM. Количество несущих, соответствующее передаче полезных данных, остается постоянным от символа к символу: в режиме 2k — 1512 несущих, и в режиме 8k — 6048 несущих.

Повторяющиеся и рассеянные пилотные ячейки модулируются на основе псевдослучайной двоичной последовательности (PRBS), wk, в соответствии с индексом их несущей k. Порождающий полином для PRBS имеет вид (рис. 21.20):

X11 + X2 + 1.

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

Рис. 21.20. Алгоритм порождения последовательности PRBS

Эта последовательность управляет также начальной фазой информации о параметрах передачи (TPS).

Опорная информация передается в каждом символе в пилотных ячейках. Модуляция рассеянных пилотных ячеек представима следующим образом:

Re{Cm,l,k} = 4/3 · 2(1/2 − wk), Im{Cm,l,k} = 0,

где m — номер кадра, l — номер символа, k — номер несущей.

Для символа номера 0 l 67 несущие, для которых номер k, принадлежащий подмножеству {kKmin +3·(l mod 4)+12p, p — неотрицательное целое число, принимающее все возможные значения, большие или равные нулю, при условии, что результирующее значение k [Kmin, Kmax]}.

В дополнение к рассеянным пилотным ячейкам вводится 177 повторяющихся пилотных ячеек в режиме 8k и 45 — в режиме 2k (табл. 21.11).

Таблица 21.11. Номера повторяющихся пилотных несущих

Параметры сигнализации TPS передаются параллельно на 17 несущих в режиме 2k и на 68 несущих в режиме 8k. Каждая несущая TPS в одном и том же символе передает один и тот же дифференциально кодированный информационный бит. Номера несущих TPS приведены в табл. 21.12.

Несущие TPS передают следующую информацию:

–тип модуляции, включая значение α созвездия QAM;

–информацию об иерархии;

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

–величину защитного интервала;

–скорость внутреннего кода;

–режим передачи (2k или 8k);

–номер кадра в суперкадре.

Таблица 21.12. Номера несущих TPS

Каждый символ OFDM передает один бит TPS. Каждый блок TPS, соответствующий одному кадру OFDM, содержит 68 битов, которые определены следующим образом:

–1 бит инициализации;

–16 синхронизирующих битов;

–37 информационных битов;

–14 избыточных битов для защиты от ошибок.

Из 37 информационных битов используются только 23, а оставшиеся 14 битов зарезервированы для использования в будущем и установлены в ноль.

Информация о параметрах передачи передается в соответствии со следующими правилами. Ячейки TPS передаются на «нормальном» уровне мощности, т. е. передаются с энергией, равной среднему значению по всем ячейкам данных.

Каждая несущая TPS модулирована дифференциальной BPSK (DBPSK) и передает одно и то же сообщение. DBPSK инициализируется в начале каждого блока TPS.

Следующее правило применимо к дифференциальной модуляции пилотных ячеек TPS на несущей k символа l (l > 0) в кадре m:

–если sl = 0, то Re{Cm,l,k} = Re{Cm,l−1,k}; Im{Cm,l,k} = 0;

–если sl = 1, то Re{Cm,l,k} = −Re{Cm,l−1,k}; Im{Cm,l,k} = 0.

Абсолютная модуляция несущих TPS в первом символе кадра вычисляется из опорной последовательности wk следующим образом:

Re{Cm,l,k} = 2(1/2−wk),

Im{Cm,l,k} = 0.

Величины и назначение битов TPS s0–s67 следующие:

–Первый бит s0 используется для инициализации системы определения параметров передачи в соответствии с опорной последовательностью.

–Биты s1–s16 характеризуют синхронизирующее слово, равное для первого и третьего блоков TPS 0011010111101110 и для второго и четвертого блоков TPS 1100101000010001 в каждом суперкадре.

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

Рис. 21.21. Структура кадра системы DVB-T

–Биты s17–s22 определяют длину TPS в двоичном исчислении и в настоящее время имеют значение 010111.

–Биты s23–s24 обозначают номер кадра в каждом суперкадре: «00» — 1-й кадр; «01» — 2-й кадр; «10» — 3-й кадр и «11» — 4-й кадр.

–Биты s25 − s26 определяют используемое созвездие OFDM: «00» — QPSK; «01» — 16-QAM; «10» — 64-QAM. Код «11» зарезервирован.

–Битами s27–s29 передается информация об иерархии: «000» — неиерархическая; если передача является иерархической, то «001» — α = 1; «010» — α = 2; «011» — α = 4. Коды от «100» до «111» зарезервированы.

–Биты s30–s32 характеризуют скорость кода в потоке с высоким приоритетом (HP), а биты s33–s35 — с низким приоритетом (LP): «000» — скорость кода 1/2; «001» — 2/3; «010» — 3/4; «011» — 5/6; «100» — 7/8. Коды от «101» до «111» зарезервированы.

–Биты s36–s37 определяют величину защитного интервала: «00» — 1/32; «01» — 1/16; «10» — 1/8 и «11» — 1/4.

–Биты s38–s39 характеризуют режим передачи: «00» — 2k; «01» — 8k. Коды «10» и «11» зарезервированы.

–Биты s40–s53 — нулевые, зарезервированы.

–Биты s54–s67 несут информацию о защите от ошибок, содержащую 14 битов четности сокращенного кода Бозе–Чодхури–Хокенхема BCH (67, 53, t = 2).

Сокращенный код ВСН может быть получен с помощью добавления 60 обнуленных бит перед битовой информацией на входе кодера ВСН (127, 113, t = 2). После кодирования ВСН эти нулевые биты должны быть удалены, что приводит к длине кодового слова ВСН в 67 битов.

Структура кадра системы DVB-T в составе информационных данных, непрерывных, рассеянных и TPS пилотных несущих приведена на рис. 21.21.

Структура кадра OFDM допускает передачу целого числа 204-байтовых пакетов Рида–Соломона в суперкадре OFDM, при этом не требуется передача какойлибо дополнительной информации (табл. 21.13).

В табл. 21.13 приведена промоделированная производительность системы DVB-T, предусматривающая оценку канала при отсутствии фазового шума для всех ви-

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Таблица 21.13. Количество пакетов Рида–Соломона в суперкадре OFDM для всех комбинаций защитного интервала, скоростей кода и форм модуляции

дов неиерархических систем и каналов Гаусса, Райса и Релея, расчетные полезные скорости битового потока системы DVB-T (полоса канала 8 МГц). В этой таблице приведены требуемые отношения сигнал/шум (C/N ), необходимые для того, чтобы BER при неиерархической передаче достиг значения 2×10−4 после декодера Витерби для всех комбинаций скоростей кодирования и типов модуляции, что определяет квазибезошибочный прием (QEF), означающий менее одного случая неисправимой ошибки в час (BER=10−11 на входе демультиплексора MPEG-2). Соответствующие достижимые скорости передачи полезной информации (определенные после декодера Рида–Соломона) представлены в зависимости от величины защитного интервала.

Таблица 21.14. Отношение C/N, необходимое для квазибезошибочного приема информации сигналов DVB-T и полезная скорость битового потока

Теоретически вычисленный спектр сигнала DVB-передатчика для стандарта 8 МГц иллюстрируется на рис. 21.22 (TGTU /4). Поскольку длительность символа OFDM больше, чем обратная величина интервала между несущими, главная доля мощности спектральной плотности каждой несущей уже, чем удвоенный интервал несущей. Таким образом, в пределах номинальной полосы 7,608258 MГц

21.2. Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T

Рис. 21.22. Маска спектра системы DVB-T при TGTU /4

для режима 8k или 7,611607 MГц для режима 2k спектральная плотность непостоянна.

В табл. 21.15 приведены основные параметры системы DVB-T для канала 8 МГц.

Таблица 21.15. Основные эксплуатационные параметры стандарта DVB-T

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Таблица 21.15 (окончание)

-

Вфеврале 2006 года в рамках консорциума DVB был создан исследовательский комитет (Study Mission), который должен был оценить потенциал различных технологий и приступить к разработке стандарта DVB-T2, реализующего ряд коммерческих требований:

–обеспечение приема на существующие домашние антенны;

–переход на новый стандарт не должен требовать изменения инфраструктуры передающей сети;

–обеспечение, как минимум, 30–50%-го прироста пропускной способности каналов относительно DVB-T при идентичных условиях передачи;

–улучшение работы одночастотных сетей (SFN);

–реализация возможности сосуществования в одном РЧ-канале услуг, передаваемых с разной степенью помехоустойчивости;

–повышение гибкости использования полосы и частот;

–наличие механизма снижения отношения пиковой и средней мощности передаваемого сигнала и др.

Все эти рекомендации были выполнены при разработке стандарта DVB-T2. К средине 2010 г. решение о внедрении этого стандарта приняли администрации Австрии, Великобритании, Германии, Дании, Индии, Испании, Италии, Казахстана, Словакии, Украины, Финляндии, Чешской республики, Швеции, Южной Африки.

Обобщенная модель системы DVB-T2 представлена на рис. 21.23. На входe(ах) системы могут быть один или множество транспортных потоков MPEG-2 (Trans-

21.3. Усовершенствованная система цифрового наземного ТВ-вещания DVB-T2

Рис. 21.23. Обобщенная структурная схема системы DVB-T2

port Stream — TS) и/или один или множество обобщенных потоков (Generic Stream — GS). Входной препроцессор, не являющийся частью системы, может включать в себя сплиттер входных сигналов или демультиплексор транспортных потоков для распределения сервисов на входы системы, представляющие собой один или множество логических потоков данных. Далее они передаются в индивидуальных магистралях физического уровня (Physical Layer Pipe — PLP).

На выход системы подается обычно один сигнал для передачи по одному отдельному радиоканалу. Однако опционально система может генерировать набор выходных сигналов для передачи на группу передающих антенн в так называемом режиме передачи MISO (Multiple Input, Single Output).

Входной препроцессор обеспечивает согласование входных сигналов с блоком их обработки в системе DVB-T2, содержащим один, если используется единичный входной поток SIS (режим типа «А»), или несколько модулей адаптации режима при наличии множества входных потоков MIS (режим типа «В»). Предусмотрено использование следующих форматов входных данных:

–транспортный поток (TS) [8.19];

–обобщенный инкапсулированный поток (Generic Encapsulated Stream — GSE) [8.20];

–обобщенный непрерывный поток (Generic Continuous Stream — GCS, поток пакетов переменной длины, в котором модулятор не обращает внимания на границы пакетов);

–обобщенный поток пакетов фиксированной длины (Generic Fixed-length Packetised Stream — GFPS); данная форма сохранена для совместимости со стандартом спутникового телевидения DVB-S2 [8.21].

Подсистема входного интерфейса должна преобразовывать входной поток во внутренний логический битовый формат (рис. 21.24).

Входной интерфейс должен обеспечить чтение битов поля данных размера DFL (Data Field Length):

где Kbch — число битов, поступающих на вход кодера БЧХ. 10-байтовый (80 битов) заголовок базовой полосы вставляется перед полем данных.

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.24. Структура входного интерфейса стандарта DVB-T2

В случае если используется несколько входных потоков данных, в составе каждого канала адаптации режима вводятся блоки синхронизации входного потока и компенсации задержки. Для цели синхронизации вводится 2 или 3 байта

вспециальное поле ISSY (Input Stream Synchronisation), в котором передается значение счетчика, тактируемого сигналом тактовой частоты модулятора (1/T , где T — элементарный период, определяемый шириной полосы используемого радиоканала).

Требования, установленные стандартом, предусматривают постоянство скоростей битовых потоков на выходе мультиплексора передатчиков и на входе демультиплексора приемников, а также постоянство сквозной задержки. В некоторых входных сигналах транспортных потоков может присутствовать большая доля нулевых пакетов. Для устранения излишних накладных расходов передачи нулевые пакеты удаляются, но таким образом, чтобы они могли быть вставлены

вприемнике в точности на то же самое место, где они находились первоначально. С этой целью после каждого переданного пользовательского пакета UP (User Packet) вводится поле размерностью в 1 байт — DNP (Deleted Null-Packets), характеризующее удаленные нулевые пакеты.

Кодирование CRC-8 применяется для детектирования ошибок только в обычном режиме для пакетированных потоков. Реализация проверки с помощью циклических избыточных CRC-кодов позволяет детектировать ошибки передачи на стороне приемника. С этой целью вычисленный CRC-8 код вставляется после пользовательского пакета UP.

Этот код формируется сдвиговым регистром и определяется полиномом:

Адаптация режима завершается вставкой перед полем данных 10-байтового заголовка базовой полосы фиксированной длины, определяющего формат поля данных. Предусмотрено два варианта заголовка базовой полосы:

–один (рис. 21.25а) применяется при обычных режимах, когда используются либо обобщенный поток пакетов фиксированной длины GFPS, либо транспортный поток TS, а также при обобщенном инкапсулированном потоке GSE или обобщенном непрерывном потоке GCS;

–другой (рис. 21.25б) используется при режимах с повышенной эффективностью для потоков TS или GSE; при этом CRC8 для пользовательских пакетов не вычисляется, единичное поле синхронизации ISSY вставляется