(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

При перемежении байты считываются в межкадровом направлении в порядке — A1,1, A2,1, A3,1, . . . , Am,n, где m — номер кадра, а n — номер слота в кадре. Глубина перемежения равна количеству кадров в суперкадре — 8. После перемежения байты считываются в том же порядке, но последовательно по горизонтали

вслотах последовательно передаваемых кадров. После перемежения первый синхронизирующий байт транспортных пакетов MPEG-2 исключается, а все временные метки, обеспечивающие на приемной стороне синхронизацию слотов, кадров и суперкадров, передаются в составе управляющего сигнала TMCC, минимально необходимый интервал обновления которого составляет длительность одного каждого суперкадра.

Исходно сигнал TMCC имеет фиксированную длину в 384 бита (48 байтов),

вего составе передаются следующие данные:

–обновление передаваемой в TMCC информации — 5 битов;

–тип используемого вида модуляции в каждом слоте — 4 бита;

–идентификации передаваемого в каждом слоте MPEG-2 потока — 16 битов;

–флаг экстренного оповещения — 1 бит;

–сведения о канале земля-борт — 4 бита и др.

Внешнее кодирование сигналов TMCC осуществляется сокращенным кодом Рида–Соломона RS (64, 48, t = 8), длина кодовой последовательности становится равной 64 байтам. Эта последовательность разбивается по числу кадров в суперкадре на 8 блоков (рис. 21.61а) и к каждому блоку добавляется по два синхрослова длиной 2 байта:

–синхрослово W1 (1B95HEX) вводится перед началом каждого блока;

–синхрослово W2 (A340HEX) вводится после блока, передаваемого в первом кадре;

–синхрослово W3 (5CBFHEX), инверсное W2, вводится в конце всех остальных блоков.

После формирования блоков сигналы TMCC подвергаются рандомизации (исключая синхрослова) и перемежению, если такой вид обработки используется, а затем мультиплексируются с основным сигналом. Полученный таким образом сигнал подвергается сверточному кодированию, причем при обработке сигнала TMCC используется скорость сверточного кода R = 1/2, а при обработке основного сигнала возможны варианты R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8, используемые для разных сигнально-кодовых конструкций.

После каждых 203 байтов основного сигнала вводится сформированный и рандомизированный сигнал вспышки, который обеспечивает восстановление несущей в приемнике. Длительность сигнала вспышки равна 4 байтам (см. рис. 21.61а). Принцип модуляции вспышки такой же, как и сигнала TMCC. В схеме восстановления несущей в приемнике для устранения дефектов фазовой подстройки частоты кроме вспышки также используются сигналы TMCC.

В системе используется 7 видов схемы модуляции несущей:

–BPSK при скорости сверточного кода R = 1/2;

–QPSK при 5 разных скоростях сверточного кода R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8;

–TS8PSK при скорости сверточного кода R = 2/3.

Рис. 21.61. Форма передаваемого сигнала (а) и примеры типов слотов в системе ISDB-S (б)

Прежде чем сигналы I и Q (математически представленные последовательностью дельта функций Дирака, расположенных на расстоянии длительности символа, с соответствующим знаком) будут промодулированы, они должны быть обработаны фильтром, аналогичным применяемому в системе DVB-S с характеристикой (21.41), имеющей фактор спада α = 0,35. Примеры присваивания слотов в каждом кадре системы ISDB приведены на рис. 21.61б.

Так как спектральная эффективность зависит от используемой комбинации вида модуляции и скорости сверточного кодирования, то объем передаваемой информации определяется этой комбинацией. Отношение между числом передаваемых пакетов и числом модулирующих символов определяется выражением:

Ik = 8 · B · Pk , (21.53)

Ek

где k — номер схемы модуляции; Ik, Pk — целые числа переданных символов

k

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Общее число символов в кадре данных системы ISDB-S равно 38 936, а число символов, включая сигналы TMCC и вспышки, определяется числом 39 936.

В табл. 21.70 иллюстрируются зависимости эффективности и помехоустойчивости системы ISDB-S от используемых видов модуляции.

Таблица 21.70. Спектральная эффективность и помехоустойчивость системы ISDB-S

В табл. 21.71 приведены зависимости скорости передачи полезной информации от полосы пропускания спутникового канала связи и используемых методов модуляции.

Таблица 21.71. Скорости передачи полезной информации

-

Cистема ISDB-C обеспечивает реализацию функций специального оборудования, выполняющего адаптацию параметров ТВ-сигнала к характеристикам кабельного канала связи. ТВ-сигналы могут поступать на вход оборудования по каналам радиовещания, сети распределения программ, от местных студий и пр. Процесс обработки информации поясняется структурной схемой, приведенной на

Рис. 21.63. Конфигурация передаваемых сигналов

рис. 21.62 [8.47, 8.48]. На вход системы поступает транспортный поток MPEG-2, каждый пакет которого включает байт синхронизации (47HEX) и 187 байтов информационных данных (рис. 21.63).

Во входном блоке головной станции кабельной системы один из восьми байтов синхронизации инвертируется (B8HEX), а передаваемые данные подвергаются рандомизации с применением схемы рандомизатора/дерандомизатора, аналогичной используемой в стандарте DVB-С.

Вслед за процессом рандомизации распределения энергии выполняется систематическое сокращенное кодирование Рида–Соломона (204, 188, t = 8). Без учета

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.64. Преобразование байтов в символы (а) и структуры преобразования символов с использованием дифференциального кодирования двух старших битов информации для созвездий 16-QAM и 256-QAM (б)

синхробайтов цифровой поток содержит 203 байта информации, 16 байтов из которых обеспечивают коррекцию ошибок.

Затем следует сверточный перемежитель, состоящий из l = 12 звеньев, циклически присоединенных к входному потоку байтов с помощью коммутатора. Каждое звено представляет собой регистр FIFO размером M ×j ячеек (M = 17 = N/l, N = 204 — длина защищенного от ошибок кадра, l = 12 — глубина перемежения, j — индекс звена).

После сверточного перемежения производится точное перекодирование байтов в символы. Перекодирование должно быть основано на использовании границ байтов в системе модуляции, как показано на рис. 21.64а для двух используемых в системе вариантов созвездий — 16-QAM и 256-QAM. Длина символов m = log2 M , где M — число позиций QAM-созвездия.

Для устранения потерь из-за скачков фазы несущей так же, как и в системе DVB-C, применяется дифференциальное кодирование двух старших битов (Ak и Bk) последовательности символов, определяемых соотношением (21.43). Примеры структуры преобразования символов с использованием дифференциального кодирования двух старших битов информации для созвездий 16-QAM и 256-QAM приведены на рис. 21.64б.

До подачи на QAM-модулятор сформированные таким образом символы подвергаются стандартной фильтрации с использованием ФНЧ, склон характеристики которого соответствует соотношению (21.41) при коэффициенте α = 0,13. Допустимые изменения АЧХ такого фильтра приведены на рис. 21.65.

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.66. Структурная схема передачи и приема видеоинформации в системе DTMB

(а) и блок-схема ее передающей части (б)

сокращенно обозначают как DMB-T/H, поскольку он обеспечивает возможность эфирной передачи мультимедийных данных и воспроизведения ТВ-сигналов на малоразмерных ручных приемниках.

Структура системы DTMB и блок-схема ее передающей части приведены на рис. 21.66 [8.50–8.55].

Входной транспортный поток данных, сформированный на выходе транспортного мультиплексора (рис. 21.66а) поступает на вход рандомизатора (рис. 21.66б), выполненного в виде 15 разрядного регистра сдвига. Порождающий генераторный полином для псевдослучайной двоичной последовательности имеет вид, определенный соотношением (21.3). Загрузка последовательности «100101010000000»

врегистры статистического кодера может инициироваться при запуске от 2 до 12 транспортных пакетов.

Предварительная коррекция ошибок осуществляется с использованием внешнего кодера BCH, формирующего укороченный код из кода BCH (1023, 1013), и внутреннего кодера LDPC с тремя возможными скоростями: 2/5 — LDPC

(7488, 3048); 3/5 — LDPC (7488, 4572); 4/5 — LDPC (7488, 6096). Преобразователь данных и перемежитель обеспечивают формирование сим-

вольной последовательности и временное перемежение блоков данных. Стандарт предусматривает пять вариантов звездных диаграмм — 64-QAM,

32-QAM, 16-QAM, 4-QAM и 4-QAM-NR. Важно отметить, что в процессе модуляции 4-QAM-NR при формировании сигнала добавляется квазиортогональный код Нордстрема–Робинсона [8.56] перед использованием 4-QAM-отображения.

Перемежитель блоков данных содержит коммутатор на B = 52 положения,

вкаждом из которых осуществляется задержка блока длительностью M битов на

21.11. Система цифрового наземного телевизионного вещания DTMB

M ·j интервалов, где j = 0, 1, . . . , (B−1). Стандарт предусматривает возможность использования M = 240 или 720 битов c предпочтением M = 720.

Взависимости от принципов обработки сигналов с использованием обратного дискретного преобразования Фурье в системе возможна реализация двух режимов передачи — с множеством несущих (C = 3780), на каждой из которых передается один символ с использованием OFDM-модуляции, и с одной несущей (C = 1), обеспечивающей передачу 3780 точек ОБПФ при опциональном вводе пилотной несущей (на уровне — 16 дБ и смещением по частоте на 1/2 передаваемого символа).

Врежиме с множеством несущих в качестве базисного элемента используется сигнальный кадр фиксированной длительности в 500 мкс, он состоит из 3780 символов, 3744 из которых используются для передачи полезной информации, а 36 символами передается системная информация, формируемая специальным датчиком (см. рис. 21.66б).

Для устранения влияния интерференционных помех сигнальный кадр дополняется защитным интервалом, длительность которого составляет 1/9 (55,6 мкс), 1/6 (78,7 мкс) или 1/4 (125 мкс) часть активной длительности символа.

Всистеме используется технология модуляции цифровых сигналов ортогональным частотным и синхронным разделением по времени TDS-OFDM. Для разделения двух соседних кадров структуры заголовок цикла данных содержит псевдослучайную последовательность PN, используемую вместо защитного интервала. При этом применяется три варианта последовательности — PN420, PN595 или PN945 (цифры указывают количество используемых символов, а интервалы их передачи соответственно равны 55,6, 78,7 и 125 мкс). Применение PN-последовательностей в TDS-OFDM заменяет использование непрерывных и рассеянных пилотных несущих. Они используются на приемной стороне в качестве проверочных, повышающих эффективность оценки состояния канала, коррекции его параметров и ускоряющих синхронизацию работы приемника. PN-по- следовательность может быть либо фиксированной, либо изменяющейся, при которой передается уникальный адрес сигнального кадра в пределах структуры суперкадра.

На рис. 21.67 приведена иерархическая структура кадров в системе DTMB, из которой видно, что в составе суперкадра длительностью 125 мс обеспечивается передача 225, 216 или 200 кадров в зависимости от используемой длительности PN-последовательности.

Впроцессе формирования OFDM-сигнала составляющие I и Q фильтруются ФНЧ, характеристика которого соответствует соотношению (21.43) при факторе спада α = 0,05. Основные параметры обработки сигналов в системе приведены

втабл. 21.73.

Втабл. 21.74 приведены значения пропускной способности системы при различных методах модуляции, скорости канального кодирования и величин PN-по- следовательностей, в табл. 21.75 — пороговые отношения мощности несущей к шуму для различных каналов связи.

Система DTMB также обеспечивает реализацию мобильного сервиса, при котором используется протокол многоканального вещания (MPE). При этом обеспечивается передача от 20 до 30 телевизионных программ. В отличие от стандартной передачи нескольких программ, как показано на рис. 21.68а, в базовой

Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания

Рис. 21.67. Иерархическая структура кадров системы DTMB

конструкции MPE предусмотрена трансляция каждой программы с разбиением на временные слайсы (рис. 21.68б).

Таблица 21.73. Основные параметры системы DTMB

21.12. Эффективность использования систем цифрового ТВ-вещания в России

Таблица 21.73 (окончание)

В табл. 21.76 даны величины порогового отношения мощности несущей к шуму при мобильном приеме (fd — доплеровский сдвиг частоты сигнала).

-

Применение и развитие современных систем цифрового телевизионного вещания связано с усовершенствованием и созданием новых видеоинформационных систем, реализацией эффективных методов сжатия видеоинформации и ее передачи в реальных сетях связи и вещания.

Наиболее эффективным стандартом сжатия видеоинформации в настоящее время является Н.264/AVC (MPEG-4 Part 10). Несмотря на то что он существенно превосходит по эффективности кодирования иные стандарты, мировое сообщество продолжает поиск более совершенных методов обработки. Это обусловлено процессом развития современных видеоинформационных систем и возросшей потребностью в новых, более эффективных методах сжатия для систем с одной (ТВ, ТВЧ, ТУВЧ) или несколькими (3D-TV, Multiview, FTV) точками наблюдения, а также возросшими требованиями к помехоустойчивости.