(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

шение BW /RS , где BW — полоса транспондера по уровню −3 дБ. При QPSKмодуляции, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204 соответствующая скорость передачи информационных символов равна:

В табл. 21.48 приведены примеры параметров передачи сигналов в полосе транспондера.

Таблица 21.48. Примеры зависимости скоростей битового потока от полосы транспондера

На рис. 21.43а приведен шаблон спектра сигнала на выходе модулятора, а на рис. 21.43б приводится относительная характеристика групповой задержки для аппаратной реализации фильтра Найквиста.

Определение точек от А до S, изображенных на рис. 21.43, дается в табл. 21.49. Частотная характеристика фильтра строится исходя из того, что на вход подаются идеальные импульсы дельта-функции Дирака, расстояние между которыми равно длине символа TS = 1/RS 1/2fN , причем в случае П-образных входных сигналов должна быть проведена соответствующая их sinc-коррекция.

-

Стандарт [8.29–8.33] спутниковой системы второго поколения DVB-S2 был разработан консорциумом DVB для видеовещания, интерактивных услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых приложений и является дополнением к стандарту [8.27–8.28] вещания DVB-S.

Важнейшим фактором создания этого стандарта стали планы массового запуска ТВЧ, что потребовало разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих имеющиеся частотные ресурсы.

Другой причиной создания стандарта DVB-S2 были дефекты в работе приемных систем Ka-диапазона (15,40. . . 27,50 ГГц), их сильная зависимость от погодных условий, в частности от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне

21.5. Система высокоскоростного цифрового спутникового ТВ-вещания DVB-S2

Таблица 21.49. Определение точек шаблонов, приведенных на рис. 21.43

Рис. 21.43. Шаблоны спектра сигнала на выходе модулятора (а) и характеристики групповой задержки фильтра (б)

часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и Ku-диапазонах (3,5. . . 4,2 ГГц и 10,7. . . 12,75 ГГц, соответственно).

И, наконец, еще одной причиной реализации стандарта DVB-S2 является использование интерактивных спутнитковых сетей с адресными услугами, требующих значительного транспортного ресурса.

Таким образом, универсальный стандарт DVB-S2 позволяет создавать сети для распространения ТВ-программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.44. Блок-схема системы по стандарту DVB-S2

студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Стандарт удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей.

Большинство эффективных механизмов, заложенных в DVB-S2, несовместимы со старыми стандартами. Потому для выполнения требования совместимости вниз в стандарт введено два режима: один — менее эффективный, совместимый вниз, а другой — реализующий все новые возможности, но не позволяющий использовать приемники стандарта DVB-S.

Функциональная структурная схема системы DVB-S2 приведена на рис. 21.44. Адаптация режима обеспечивает сопряжение системы с входным потоком, синхронизацию входного потока (опционально), удаление нулевых пакетов (только при адаптивном кодировании и модуляции (ACM) и входном сигнале в формате транспортного потока), кодирование CRC-8 для обнаружения ошибок на уровне пакета в приемнике (только для пакетированных входных потоков), объединение входных потоков (только для режимов с несколькими входными потоками) и разделение на поля данных DATA FIELD. Для постоянного кодирования и модуляции (CCM) и единичного входного транспортного потока адаптация режима должна состоять из «прозрачного» DVB-ASI (или DVB-параллельного)

логического битового преобразования и кодирования CRC-8.

Заголовок базовой полосы должен быть присоединен перед полем данных для уведомления о формате входного потока и типе адаптации режима.

Адаптация потока применяется для обеспечения заполнения кадра базовой полосы и для ее скремблирования.

Кодирование с опережающей коррекцией ошибок (FEC) выполняется с помощью последовательного соединения внешних кодов BCH и внутренних ко-

21.5. Система высокоскоростного цифрового спутникового ТВ-вещания DVB-S2

дов LDPC c кодовыми скоростями 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10. В зависимости от области применения длина FEC-кодированного блока равна Nldpc = 64 800 или 16 200 битов. Если применяется переменная или адаптивная система кодирования и модуляции (VCM или ACM), режим модуляции FEC может изменяться от одного кадра к другому, но оставаться постоянным в пределах кадра.

При использовании обратносовместимых режимов (BC — Backwards-Compat- ible) обеспечивается передача по отдельному спутниковому каналу двух транспортных потоков. Первый из них (высокого приоритета, ВП) совместим с приемниками DVB-S и DVB-S2, второй (низкого приоритета, НП) совместим только с приемниками DVB-S2.

Обратная совместимость может быть в опциональном порядке реализована

всоответствии с двумя подходами:

–многоуровневые модуляции, где сигналы DVB-S2 и DVB-S асинхронно объединяются в радиочастотном канале;

–иерархическая модуляция, где два транспортных потока ВП и НП синхронно объединяются на уровне модулированных символов асимметричного созвездия 8-PSK.

Побитовое перемежение применяется к FEC-кодированным битам при отображении на созвездия 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK (рис. 21.45).

Формирование кадров физического уровня применяется синхронно с кадрами FEC для обеспечения вставки пустых кадров PLFRAME, сигнализации физического уровня (PL), вставки пилотных символов (опционально) и скремблирования физического уровня для рассеивания энергии. Пустые кадры передаются в том случае, если отсутствуют полезные данные, готовые для отправки по каналу. Система предоставляет регулярную структуру формирования кадров, основанную на слотах (полях SLOT), состоящих из M = 90 модулированных символов, и позволяющую надежно синхронизировать приемник на основе структуры FEC-блоков. Слот предназначен для сигнализации физического уровня, включая определение границы начала кадра и определение режима передачи. Для улучшения восстановления несущих в приемниках возможно введение регулярного растра пилотных символов (P = 36 пилотных символов на каждые 16 слотов из 90 символов), в то время как возможен также режим беспилотной передачи, дающий дополнительную полезную мощность 2,4%.

Фильтрация базовой полосы и квадратурная модуляция применяются для формирования спектра сигнала в соответствии с соотношением (21.41) с использованием коэффициентов спада α = 0,35, 0,25 или 0,20 и для генерации РЧ-сиг- нала.

На рис. 21.46а приведена структура формата кадра на выходе адаптера потока, который содержит заголовок, поле данных и, при необходимости, блок, заполняемый нулевыми битами.

10-байтовый заголовок базовой полосы содержит описание формата входного потока(ов), тип адаптации режима и передачи коэффициента спада (2 байта). Первый байт определяет:

–поле TS/GS (2 бита): вход транспортного потока или общего потока (пакетированного или непрерывного);

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.45. Используемые варианты созвездий в стандарте DVB-S2

–поле SIS/MIS (1 бит): единичный или несколько входных потоков;

–поле CCM/ACM (1 бит): постоянное или адаптивное кодирование и модуляция;

–индикатор синхронизации входного потока ISSYI (1 бит); если ISSYI=1 (active), то поле ISSY вставляется после пользовательских пакетов;

–удаление нулевых пакетов активно/не активно — NPD (1 бит);

–коэффициент спада (α) — RO (2 бита).

Второй байт используется как идентификатор входного потока (ISI), если кодируется несколько входных потоков. Последующие байты характеризуют:

–UPL (2 байта) — длину пользовательского пакета в битах, в диапазоне [0. . . 65 535];

–DFL (2 байта) — длину поля данных в битах, в диапазоне [0. . . 58 112];

–SYNC (1 байт) — копию синхробайта пользовательского пакета, например 47HEX для пакетов транспортного потока MPEG;

–SYNCD (2 байта) — расстояние в битах от начала поля данных до первого пользовательского пакета данного кадра;

–CRC-8 (1 байт) — код обнаружения ошибок (применяется к первым 9 байтам заголовка).

21.5. Система высокоскоростного цифрового спутникового ТВ-вещания DVB-S2

Структура формата кадра с опережающей коррекцией ошибок BCH и LDPC приведена на рис. 21.46б. Параметры такого кадра для основного размера 64 800 битов и сокращенного размера 16 200 битов приведены в табл. 21.50 и 21.51 соответственно.

Таблица 21.50. Параметры кодирования для кадров основного размера FECFRAME

Nldpc = 64 800

Полиномы кода BCH для основных и сокращенных кадров FECFRAME соответствуют табл. 21.19.

Кодер LDPC преобразует блок информации размером Kldpc, i = (i0, . . . , iKldpc−1) в кодовое слово размером Nldpc, c = (i0, i1, . . . , iKldpc−1, p0, p1, . . . , pNldpc−Kldpc−1).

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Таблица 21.51. Параметры кодирования для кадров сокращенного размера FECFRAME

Nldpc = 16 200

Передача кодового слова начинается в заданном порядке с i0 и заканчивает-

ся pNldpc−Kldpc−1. Параметры кода LDPC (Nldpc, Kldpc) приведены в табл. 21.50 и 21.51.

После кодирования кадров FECFRAME и побитового перемежения осуществляется их последовательное отображение на выбранные варианты созвездия с формированием кадров XFECFRAME (compleX FECFRAME) и последующей реализацией кадров физического уровня — PLFRAME (рис. 21.47).

При генерации кадра физического уровня выполнются следующие процессы:

–разделение кадра XFECFRAME на целое число S слотов постоянной длины M = 90 символов (табл. 21.52);

–генерация и вставка заголовка PLHEADER размером M символов перед кадром XFECFRAME для конфигурации приемника;

–вставка пилотного блока для синхронизации приемника (для режимов, требующих пилотных символов) через каждые 16 слотов; этот блок состоит из P = 36 символов;

–рандомизация (I, Q) модулированных символов в устройстве скремблирования физического уровня.

Таблица 21.52. Число слотов в кадре физического уровня

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

До модуляции каждый физический кадр, исключая заголовок, рандомизируется (см. рис. 21.47) для рассеивания энергии с помощью умножения отсчетов (I + jQ) на комплексную рандомизирующую последовательность (CI + jCQ):

ISCRAMBLED = [I · CI − Q · CQ]; QSCRAMBLED = (I · CQ + Q · CI ).

На рис. 21.48 приведены графики спектральной эффективности (в пересчете на символьную скорость), рассчитанные для кадров с опережающей коррекцией FECFRAME основного размера при отсутствии пилотных символов. При заданной спектральной эффективности системы ηtot отношение энергии на информационный бит к спектральной плотности мощности шума одной боковой полосы равно:

Eb/N0 = Es/N0 − 10 · lg(ηtot),

где Es — средняя величина энергии на передаваемый символ.

Система DVB-S2 может использоваться в конфигурациях (FDM) «одна несущая на транспондер» или «несколько несущих на транспондер». В конфигурациях с одной несущей на транспондер скорость передачи символа RS может быть приведена в соответствие с заданной полосой пропускания транспондера BW (по уровню −3 дБ), для достижения максимальной пропускной способности, согласуемой с приемлемым ухудшением сигнала из-за ограничений, накладываемых на пропускную способность транспондера.

Шаблоны спектра сигнала на выходе модулятора и относительной характеристике групповой задержки аппаратной реализации фильтра Найквиста при

α= 0,35 сответствуют приведенным на рис. 21.43.

Вконфигурации FDM с несколькими несущими, RS может быть приведена в соответствие с частотным слотом BS, присвоенным данному сервису согласно частотному плану для оптимизации пропускной способности при сохранении взаимной интерференции между соседними несущими на приемлемом уровне.

Рис. 21.49 иллюстрирует требуемое отношение мощности несущей к шуму C/N в полосе пропускания, соответствующей символьной скорости в зависимости от спектральной эффективности – скорости передачи полезного битового потока RU в канале с гауссовским шумом при применении идеального демодулятора и отсутствии фазового шума.

Для сравнения показана также производительность систем DVB-S и DVB-DSNG [8.34] при частоте появление ошибок BER = 10−7. Использование более крутого спада α = 0,25 и α = 0,20 дает возможность повышения пропускной способности передачи, но может также создать значительные нелинейные ухудшения со спутников при работе с одной несущей.

Эффективная система адаптивного кодирования и модуляции (АСМ) DVB-S2 применяется для приложений класса «точка–точка» (например, IP-вещание в один адрес или DSNG-услуги цифрового спутникового сбора новостей). Суть режима АСМ сводится к тому, что в зависимости от приема сигнала (например, наличия дождя), меняется режим работы модулятора DVB-S2, т. е. изменяются скорость кодирования (SR) и формат модуляции, вследствие чего меняется и требуемое отношение C/N у абонента. Порог C/N устанавливается на приемной стороне потребителем данной услуги за счет непрерывного измерения C/N +I (отношение несущая/шум + интерференционная помеха) и посылки измеренного значения на вещательную наземную передающую станцию посредством обратного канала. При этом параметры кодирования и модуляции могут изменяться от кадра к кадру.