(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Блок OFDM-синхронизации осуществляет синхронизацию сигнала с помощью введенных в состав сигнала пилотных несущих. Работа данного модуля осуществляется как во временной, так и в частотной области. На приведенной упрощенной схеме приемника модуль быстрого преобразования Фурье (БПФ) следует непосредственно за модулем синхронизации, однако это верно лишь для алгоритмов с синхронизацией во временном пространстве (при частотной синхронизации БПФ предшествует блоку OFDM-синхронизации).

На вход коммутатора разнесенного приема поступает два цифровых потока. В данном модуле осуществляется адаптивное мультиплексирование двух сигналов, обеспечивающее выигрыш по отношению сигнал/шум относительно приема на одну антенну (без разнесенного приема).

Демультиплексор потоков выделяет из синхронизированного потока OFDM-сим- волов три потока, соответствующие каналам основного сервиса, надежного речевого доступа и данных надежного доступа. Каждый из этих потоков переносится отдельным набором несущих OFDM-символа.

Каждый из трех перечисленных потоков поступает на QAM-детектор. Канал основного сервиса имеет 3 режима детектирования: QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Канал надежного речевого доступа детектируется только как QPSK, а канал данных надежного доступа — как BPSK.

На вход декодера канала основного сервиса поступает поток ячеек, из которых представляет собой демодулированное значение соответствующей несущей.

Блоковый деперемежитель осуществляет перестановку блоков данных и является, по сути, временным деперемежителем, защищающим сигнал от временных замираний канала.

Деперемежитель ячеек выполняет функцию частотного деперемежителя, защищая сигнал от частотных замираний канала.

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Развитие телевещания в DVB-H продвигается довольно медленно. К примеру, наиболее коммерчески успешными считаются проекты мобильного телевещания

вИталии, где услуга предоставляется с лета 2006 г. При этом общее число абонентов к лету 2010 г. достигло 600 тысяч, что для страны с населением в 38 миллионов человек и с практически 100%-м проникновением мобильной связи вряд ли можно назвать впечатляющим.

Такие результаты можно объяснить несколькими причинами.

Во-первых, стоимость строительства инфраструктуры мобильного телевещания остается достаточно высокой. Расчетные значения зоны покрытия протокола DVB-H составляют 7–8 км от передатчика, а в условиях плотной городской застройки значительно меньше. В связи с этим для обеспечения уверенного приема телевещания необходимо развертывание большого количества точек передачи сигнала. Например, для развертывания мобильного телевещания DVB-H

вМоскве потребовалось развернуть 35 базовых станций общей стоимостью в 15– 20 миллионов долларов.

Во-вторых, существует проблема радиочастотного планирования, которая в Европе будет решена, когда произойдет полный переход на цифровое вещание.

В-третьих, европейский потребитель в своей массе довольно «прохладно» относится к услуге мобильного телевидения. Такое отношение обусловлено прежде всего тем, что смотреть обычные телепередачи на маленьком экране мобильного телефона некомфортно, а специального мобильного контента пока недостаточно. Как следствие, производители не спешат с выпуском телефонов со встроенными DVB-H-приемниками.

Другой конкурентной технологией цифрового мобильного радиовещания является система DRM+ (DRM Mode E), разработку которой осуществляет консорциум DRM в составе более 100 организаций из 34 стран (см. раздел 22.5). Эта система более узкополосная и обеспечивает передачу в одном канале не более 4 стереофонических звуковых программ, но не позволяет транслировать видеопрограммы достаточно хорошего качества.

При разработке отечественного стандарта [9.25] и соответствующей аппаратуры была реализована «нестандартная» полоса пропускания радиоканала в 100 кГц, обеспечивающая возможности, определенные стандартом DRM+.

В2009–2010 гг. были проведены натурные испытания модели системы РАВИС

вгородских условиях в плотной застройкой в г. Москве, а также в условиях горной местности в г. Сочи. Приемник системы РАВИС был размещен в движущейся легковой автомашине, при этом прием осуществлялся с помощью обычной штыревой антенны, расположенной на крыше автомобиля. Тестирования системы РАВИС было весьма успешным, что позволяет в короткие сроки развернуть единую национальную систему мобильного телерадиовещания. Низкая стоимость строительства инфраструктуры, возможность использования существующих радиочастот позволит обеспечить мобильным телерадиовещанием практически всю территорию России.

22.5. Цифровое радиовещание DRM+ в ОВЧ-диапазоне частот

-

Стандарт DRM [9.65] разработан для длинно-, средне- и коротковолновых диапазонов частот — ниже 30 МГц. Чтобы удовлетворить новым запросам, в марте 2005 года участники DRM-консорциума и всемирного форума DAB приняли совместное решение по распространению цифрового вещания на диапазон до 108 МГц [9.66], который до настоящего времени используется для аналогового стереовещания. В дальнейшем проекты по реализации этого решения получили название DRM+.

Основной идеей создания стандарта DRM+ является расширение стандарта системы DRM на диапазон частот до 108 МГц и его использование преимущественно для передачи аудиоинформации [9.67–9.71]. В связи с этим к стандартным техническим требованиям добавляются дополнительные:

–ограниченное количество видов сервиса в пределах одного мультиплексированного потока позволяет избежать организации сложного сервиса мультиплексирования на стороне передачи;

–возможности транспорта аудиопотоков и данных, допускающие введение новых мультимедийных функций.

Канал передачи данных

Сигналы частот ОВЧ-диапазона характеризуются дифракцией, рассеиванием и отражением электромагнитных волн между передатчиком и приемником. Кроме того, передвижение приемника приводит к многолучевому приему и влиянию эффекта Допплера.

Поскольку детерминированное описание временной изменчивости канала невозможно, требуется применение стохастического подхода. Поэтому была разработана модель WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering — Некоррелируемый разброс, стационарный в широком смысле), которая получила хорошее подтверждение в последнее десятилетие [9.67].

Схема с задержкой в каждой линии передачи является адекватным представлением с учетом того, что отношение между сигналом на входе e(t) и сигналом на выходе s(t) в суммарном виде может быть представлено следующим образом:

N

s(t) = ρk · ck(t) · e(t − τk),

k=1

где N — количество лучей с соответствующей средней мощностью ρk и относительной задержкой τk .

Изменяющиеся во времени весовые коэффициенты задержки в линии передачи ck(t) представляют собой комплекснозначные стационарные гауссовы случайные процессы с нулевым средним, с амплитудами, распределенными по законам Релея или Райса, и равномерно распределенными фазами.

Определение различных профилей каналов позволяет выполнить оценку системы в случаях хорошего, типичного и плохого распространения сигнала. Обзор

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Таблица 22.13. Профили каналов

профилей каналов, относящихся к стандарту DRM+, приведен в табл. 22.13. Каждый профиль определяется количеством лучей с их собственными задержками и допплеровскими сдвигами частоты.

Архитектура системы

В основу базовой архитектуры системы DRM+ [9.68] был положен уже существующий стандарт DRM [9.65]. Такой подход способствует разработке приемников и модуляторов и поддерживает быстрое продвижение товара на рынок. Поскольку характеристики канала передачи в диапазоне ОВЧ и на частотах ниже 30 МГц различны, необходимо было произвести новую оценку. Для совместимости с большей частью распределений каналов в ЧМ-диапазонах общая ширина полосы DRM+ была выбрана равной 100 кГц. Чтобы избежать чрезмерного распространения эффектов замирания сигналов в городских условиях, применены новые методы разнесения.

Обзор системы

На рис. 22.11 приведена архитектура системы. Некоторые виды сервиса передачи звука и данных кодируются источником или предварительно закодированы. Для этого применяются MPEG-4 кодеры источника из стандарта DRM. Это аудиокодер AAC и два кодера речи CELP (кодирование с линейным предсказанием) и HVXC (кодирование усиленными гармоническими векторами). Все кодеры могут быть дополнены SBR (спектральное повторение), средством расширения функциональных возможностей, использующим данные огибающей спектра аудиосигнала для расширения полосы этого сигнала.

Два информационных канала, FAC (Канал быстрого доступа) и SDC (Канал описания сервиса), также перешли из стандарта DRM. Они позволяют подтвердить связность мультиплексированных данных.

Канальное кодирование выполняется на основе сверточных кодов и MLC (многоуровневое кодирование) для созвездий высоких порядков. Соответственно, для MSC (канал основного сервиса), содержащего полезные данные, используется два

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Рис. 22.12. Диаграмма пилотных несущих на частотно-временной сетке

сдвиги частоты, во избежание интерференции между несущими; выбор значения F = 444 Гц позволяет достичь очень высоких скоростей без значительного ухудшения отношения сигнал/шум.

Следует принять во внимание также несколько практических требований. Например, в качестве длины преобразования OFDM (длина ОБПФ) следует выбирать число, которое будет удобным при реализации.

Диаграмма пилотных несущих

На рис. 22.12 показано распределение пилотных несущих на частотно-временной сетке. Диаграмма пилотных несущих адаптирована к каналу передачи для получения хорошей оценки канала в приемнике. Тогда в соответствии с теоремой о дискретизации

Кроме того, следует принимать во внимание определенное пространство для неидеальных фильтров интерполяции канала. При Dt = 4 и Df = 4 был найден хороший компромисс между непроизводительными издержками и производительностью сигнала. Выбор этого варианта позволяет приемнику отслеживать канал в том числе и при высокой скорости передачи для всех профилей канала.

Скорости передачи данных

Потребности вещателей в пропускной способности варьируют от одной высококачественной аудиопрограммы до нескольких программ с объемным звуком и дополнительным сервисом передачи данных. Чтобы удовлетворить всем интересам, система должна обеспечивать скорости передачи данных в диапазоне от 40 кбитов/с до 186 кбитов/с. Возможны два адекватных варианта, представленные двумя созвездиями QPSK и 16-QAM с кодовыми скоростями от 0,25 до 0,625.

На рис. 22.13 показана спектральная эффективность системы DRM+ на примере нескольких кодовых скоростей и двух выбранных созвездий. Это означает, что пилотная несущая предоставляет количество битов, которое может быть передано на символ и поднесущую в зависимости от соотношения сигнал/шум

(SNR). Желтая и темно-синяя непрерывные линии соответствуют объединенным границам релеевского канала. Они теоретически показывают максимальную скорость передачи данных при частоте появления ошибочных битов (BER), равной 10−4. Другие линии показывают результаты моделирования для канала с гауссовским белым шумом (AWGN) и для канала при труднопроходимой местности (RA). Можно видеть, что производительность канала RA близка к теоретической производительности релеевского канала и что модель канала AWGN даже превосходит эти пределы. Кроме того, становится очевидным наличие широчайшего диапазона возможных скоростей передачи данных в зависимости от SNR.

На рис. 22.14 приведены зависимости передаваемого цифрового потока от кодовой скорости R при использовании двух созвездий сигналов OFDM.

Разнесение передачи

При проектировании системы стояла сложная задача — достичь хорошей производительности в профиле городской местности канала при низкоскоростной передаче. Она обусловлена проблемой амплитудного замирания, возникающей, когда когерентная полоса канала 1/τmax уже полосы сигнала. Это означает, что 100 кГц-я когерентная полоса соответствует распространению задержки, равному 10 мкс.

Для области применения системы DRM+ является использование метода циклического разнесения по задержке (CDD, cyclic delay diversity) [9.72]. При этом

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Рис. 22.14. Параметры цифровых потоков при различных кодовых скоростях

Рис. 22.15. Передатчик OFDM с циклическим разнесением по задержке (CDD) — а) и характеристики его производительности б)

задержка dl для каждой антенны добавляется между схемой формирования ОБПФ и вставкой защитного интервала (GI ), как показано на рис. 22.15а.

Оценка производительности канала определяется изменением зависимости частоты появления ошибочных битов (BER) от отношения энергии полезного бита Eb к плотности шума N0. На рис. 22.15б проведено сравнение BER одного передатчика и двух передатчиков CDD, а также предельное изменение этой характеристики при использовании большого количества передатчиков.

Началом массового распространения видеокоммуникаций, наверное, следует считать вывод в декабре 1996 г. на рынок совместного продукта фирм 3Com и PictureTel [9.73]. Начав с относительно простых систем, PictureTel сравнительно быстро вышла на производство терминалов групповой ВКС, поддерживающих многоточечные видеоконференции. Вслед за оборудованием PictureTel появилась разработка ProShare Intel, которая не претендовала на изысканность, однако обладала достаточной функциональностью для организации конференций «точка– точка». Некоторое время спустя фирма Intel отказалась от этого сектора рынка. В течение следующих пяти лет на мировой и российский рынки свою продукцию в области видеоконференцсвязи вывели фирмы Polycom, Sony, VCON, VTEL, Aethra [9.74]. Несколько позже других на рынке появилась норвежская фирма Tandberg, однако на европейском и российском рынках она за короткое время вышла в лидеры как по объемам поставок, так и по ассортименту предлагаемых продуктов [9.75].

Первым стандартом ITU-T, используемым в ВКС, можно считать рекомендацию ITU-T G.711, определяющую способ кодирования звука на основе импульснокодовой модуляции, обеспечивающую полосу аудиосигнала примерно 3,5 кГц

вканале 64 кбита/с. Первая версия стандарта была принята в декабре 1972 г., т. е. задолго до появления ВКС, в дальнейшем были приняты еще четыре версии, последняя — в ноябре 1988 г. Однако на этом развитие стандарта не остановилось:

в1999, 2000, 2009 гг. были приняты приложения и дополнения.

Первыми стандартами, имеющими непосредственное отношение к передаче видеосигнала, являются H.221 и H.261, принятые ITU-T в 1988 г.

Рекомендация H.221 определяет структуру кадров для телекоммуникационных каналов аудиовизуальных услуг в полосе от 64 до 1920 кбитов/с. Эта рекомендация — одна из самых эволюционирующих среди стандартов ВКС: новые версии принимались в 1990, 1993, 1995, 1997, 1999, 2000 и 2009 гг. В настоящее время действует 8-я версия стандарта.

Рекомендация H.261 стала первым стандартом для видеокодирования в ВКС. Первая версия рекомендации была принята в 1988 г., затем последовали 2-я версия — в 1990 и 3-я — в 1993 гг. Первоначально стандарт определял видеокодек для передачи аудиовидеоданных в канале p×64 кбита/с. Параметр p может меняться в диапазоне от 1 до 30 для цифровой сети с интеграцией обслуживания