Модуляция в системах передачи наземного цифрового телевидения

В мире цифровых коммуникаций, основой являются два базовых  стандарта, про которые нужно  помнить, говоря о законченной DTV системе: 8-VSB и MPEG-II. 8-VSB - способ модуляции сигнала, а MPEG-II - формат пакетирования и сжатия видеосигнала. Чтобы преобразовывать  студийный видеосигнал высокого разрешения в форму, необходимую для передачи по эфиру, согласно стандартам DTV, необходимы два основных преобразования: MPEG-II кодирование и 8-VSB модуляция. Соответственно, требуется MPEG-II кодер и 8-VSB модулятор.

MPEG-II кодер получает основной цифровой видеосигнал и кодирует его с целью уменьшения скорости цифрового потока, используя дискретное косинусное преобразование; детальное рассмотрение проблем сжатия видеосигнала не входит в задачи данной работы. MPEG-II кодер мультиплексирует полученную видеоинформацию  с кодированным сигналом звукового сопровождения Dolby АС-3 и любыми дополнительными данными, которые необходимо передать. В итоге получаем поток блоков MPEG-II  со скоростью передачи данных порядка 19.39 Mbit/Sec. Это довольно важный момент, так как скорость потока цифрового видеосигнала высокого разрешения, поданного на вход кодера MPEG-II, могла иметь скорость передачи данных 1 Gbit/sec или даже больше. Поток данных со скоростью 19.39 Мбит / секунда представляет собой Транспортный уровень DTV. Выход MPEG-II кодера соединен с входом 8-VSB возбудителя, с помощью последовательного интерфейса, в соответствии  со стандартом SMPTE-310.

Хотя методы сжатия MPEG-II могут достигать значительных значений снижения скорости передачи данных, нужны определенные технические решения, чтобы упаковать транспортный поток 19.39 Мбит / сек (DTV сигнал)  в частотный канал с пропускной способностью 6 МГЦ и передать по нему сигнал без сбоев потребителю, сидящему дома перед телевизором. Это и есть задача, за решение которой отвечает 8-VSB модулятор.

На рисунке 2.1 показана блок-схема  типичного модулятора 8-VSB. 

2.3 Синхронизация  данных.

Первое, что делает кодер 8-VSB после получения пакетов данных MPEG-II, это синхронизация его с входным потоком данных. Перед какой либо дальнейшей обработкой сигналов, 8-VSB возбудитель должен правильно распознать начальные и конечные биты каждого блока данных MPEG-II. Это происходит с помощью специального бита синхронизации MPEG-II. Пакет MPEG-II содержит 188 битов, причем первый бит всегда является битом синхронизации. Если MPEG-II бит синхронизации забракован, то он будет заменен синхронизацией сегмента ATSC в более поздней ста дии обработки.         

2.4 Рандомизация  данных.

За исключением сегментных и полевых сигналов синхронизации, поток данных 8-VSB должен иметь полностью  случайную, шумоподобную структуру. Это следует из того, что передаваемый сигнал должен иметь шумоподобный спектр, для использования полосы канала с максимальной эффективностью. Если бы сигнал имел повторяющийся циклы, то в определенной части частотного спектра получились бы сгустки энергии, образовывая тем самым "дырки" с малой энергией на других частотах. Это подразумевает, что часть канала 6 МГЦ были бы перегружены, в то время как другие части будут недогружены. К тому же, повышенные концентрации энергии на некоторых частотах, скорее всего,  создали бы заметные помехи в  приеме сигналов системы цветного телевидения NTSC.

В системе по рандомизации данных, значение каждого бита, изменено согласно модели случайных чисел. Этот процесс реверсирован в приемнике, чтобы восстановить исходные значения данных. 

2.5 Кодирование  Рида-Соломона

Кодирование Рида-Соломона является способом прямой коррекции  ошибок - Forward Error Correction (FEC), которое применяется к входному потоку данных. Код Рида-Соломона это совокупность методов, которые используются, чтобы исправить ошибки, которые возникают в процессе передачи. Атмосферные помехи, многолучевое распространение, временные затухания сигнала, и нелинейность передатчика приводят к возникновению одиночных и пакетных ошибок. С помощью кода Рида-Соломона можно обнаруживать и исправлять эти погрешности но, разумеется, в определенных пределах.

Кодер Рида-Соломона берет 187 байтов входного MPEG-II пакета данных, (бит синхронизации пакета был удален) и математически рассматривает их как один блок, чтобы создать дополнительную группу проверочных данных, основываясь на полученном пакете данных. Она занимает 20 дополнительных битов, которые прикрепляются в конец исходного пакета из 187 битов. Эти 20 битов представляют собой биты четности кода Рида-Соломона. Приемник сравнивает полученный блок из 187 битов с 20 битам четности, чтобы обнаружить возможную потерю данных. Если погрешности обнаружены, ресивер использует биты четности, чтобы определить точное место ошибки, изменить разрушенные биты, и восстановить первоначальную информацию. До 10 поврежденных битов в пакете может быть исправлено таким образом. Если повреждено большее число битов, достоверность данных больше не гарантируется, и полный MPEG-II пакет должен быть забракован. 

2.6  Скремблирование.   

Скремблер,  меняет порядок следования данных, и рассредоточивает MPEG-II данные по времени (в диапазоне приблизительно 4.5 msec) с помощью буферов памяти. Скремблер составляет новые пакеты данных, включающие фрагменты от различных MPEG-II (предварительно перемешанных) пакетов. Эти новые пакеты данных имеют длину первоначальных MPEG-II пакетов: 207 байтов (с учетом кодирования Рида-Соломона).

Если увеличение уровня шумов  вызовет потерю сигнала в процессе его распространения, и один блок будет потерян (то есть несколько  миллисекунд), множество различных  MPEG-IIпакетов потеряют незначительную часть информации. При этом на экране такая помеха не вызовет сколько-нибудь заметного искажения сигнала.

Перемешивание данных происходит согласно известной модели; процесс  реверсирован в приемнике, чтобы  восстановить исходный порядок данных.  

2.7  Решетчатое кодирование.

Решетчатое кодирование - другая форма непосредственного  исправления ошибок. В отличие  от кодирования Рида-Соломона, которое  обрабатывает целый MPEG-II пакет как отдельный блок, решетчатое кодирование - код, который отслеживает поток битов в течение времени, учитывая значение кода для предыдущих символов. Соответственно, кодирование Рида-Соломона известно как форма блочного кода, в то время как решетчатое кодирование является сверточным кодом.

При решетчатом кодировании, каждый 8-разрядный бит, делится на четыре 2-х разрядных слова. В кодере, осуществляющем решетчатое кодирование, каждое новое 2-х разрядное слово, сравнивается с прошлой хронологией  предыдущих 2-х разрядных слов, и  в итоге генерируется 3-х разрядный  двоичный код, описывающий изменение  по отношению к предыдущему 2-х  разрядному слову. Эти 3-х разрядные  коды заменяют первоначальные 2-х разрядные  слова  и передаются по эфиру как восьмиуровневые символы 8-VSB (3 бита = 2 в 3й степени = 8 комбинаций или уровней). Для каждых двух битов, которые поступили в кодер решетчатого кодирования, на выходе получается три бита. Поэтому, кодер решетки в системе 8-VSB, имеет разрядность 2/3.

Декодер решетчатого кодирования  в приемнике использует полученные 3-х разрядные коды, чтобы восстановить исходный вид потока данных, состоящего из последовательности 2-х разрядных  слов. Таким образом, решетчатое кодирование  отслеживает изменения от одного слова к другому во времени. Сила  решетчатого кодирования заключается в способности отслеживать хронологию сигнала в течение времени и выбраковывать потенциально неверные данные (ошибки), основываясь на прошлом и последующем значениях сигнала.  

2.8  Сигналы синхронизации и пилот сигналы.

Следующий шаг в процессе обработки данных - введение различных вспомогательных сигналов, которые позволяют 8-VSB-декодеру точно определить и де модулировать принятый высокочастотный сигнал. К ним относятся:  пилот-сигнал ATSC, сегментная синхронизация, и синхронизация полей. Пилот и синхросигналы добавляются после рандомизации сигнала и добавления кода коррекции ошибок, чтобы не нарушить временные и амплитудные зависимости передаваемого сигнала.

Восстановление синхросигнала, необходимое для декодирования  полученного ВЧ сигнала всегда считалось  одним из самых сложных процессов  в системах цифровой связи. Данные декодируются в соответствии с сигналом синхронизации  приёмника. В то же время, синхронизация  ресивера непосредственно зависит  от точности восстановления принятых данных. Как следование этого, синхронизация  системы быстро нарушается в том  случае, если уровень шума или уровень  помех приближаются к точке, когда  начинают появляться существенные ошибки в потоке данных. Когда была изобретена система цветного телевидения NTSC, возникла необходимость создать мощный синхроимпульс, который выделялся бы над модулирующим огибающим сигналом (огибающей). Таким  образом, цепи синхронизации приемника  могли разобрать синхросигналы  и сохранять правильную кадровую синхронизацию изображения даже в том случае, если само изображение  было искажено шумами. 

8-VSB использует подобную  структуру синхроимпульсов и  остаточных несущих колебаний,  которые позволяют ресиверу поймать  синхронизацию поступающего сигнала  и успешно декодировать его,  даже при наличии высокого  уровня отраженных сигналов и  значительном уровне шума.

Первый сигнал, нужный для  синхронизации - пилот сигнал ATSC. Непосредственно перед модуляцией, небольшой сдвиг постоянной составляющей применяется к 8-VSB модулирующему сигналу (постоянная составляющая которого была предварительно установлена на ноль). Это вызывает малое остаточное несущее колебание, которое появится в точке нулевой частоты результирующего спектра модулированного сигнала. Это - пилот сигнал ATSC. Это дает возможность цепям фазовой автоподстройки в ресивере 8-VSB получить сигнал, на который можно было бы опереться.  Но все же пилот-тон ATSC намного меньше, чем несущая изображения NTSC, и потребляет только 0.3 dB или 7 (процентов) от мощности передатчика.

Другие сигналы, необходимые  для синхронизации - синхроимпульсы сегментной и полевой синхронизации. Сегмент данных АТSС состоит из 207 битов пакета перемешенных данных. После решетчатого кодирования, сегмент из 207 байтов был увеличен до потока в 828 восьмиуровневых символов. Синхронизация сегмента ATSC -это четыре импульса, которые добавляются к началу каждого сегмента данных и восполняют отсутствие первого бита (бит синхронизации пакета) исходного MPEG-II пакета данных. Синхронизация сегмента появляется через каждые 832 символа и всегда имеет вид качающегося импульса  с размахом +5 и -5 уровня сигнала (см. Рисунок 2.2). 

Рисунок 2.2  Структура сегмента данных ATSC и позиция сегментной синхронизации

Ресивер использует строгую  периодичность следования синхроимпульсов  сегмента, ведь в случае искажения  сигнала на входе появляется не периодичная  последовательность данных, и в этом случае ресивер будет использовать собственную синхронизацию, основываясь  на ранее полученных данных. После  появления нормальной синхронизации  на входе, ресивер использует входной  сигнал и восстанавливает системную  синхронизацию. Из-за высокой частоты  повторения синхросигналов, большой  амплитуды колебаний уровня сигнала  и повышенной продолжительности, сигналы  синхронизации сегментов просты для распознавания приемником. В  результате, точное восстановление синхронизации  возможно при уровне шума и помех  значительно больше значений, при  которых возможно восстановление данных (до 0 dB ОСШ; нормальное восстановление данных требует, по крайней мере, 15 dB ОСШ). Эта довольно устойчивая система синхронизации, наряду с пилот - тоном ATSC, позволяет ресиверу быстро восстановить синхронизацию при переключении каналов и других кратковременных потерях сигнала. На рисунке 2.2 показана структура сегмента данных ATSC и позиция  сегментной синхронизации.

В стандарте ATSC сегмент данных аналогичен строке NTSC, а синхронизация сегмента - несколько подобна строчной синхронизации NTSC. Однако их продолжительность и частота следования различны. Длина импульса синхронизации сегмента ATSC составляет 0.37 msec; импульс синхронизации NTSC - 4.7 msec. Сегмент данных ATSC передается в течение 77.3 msec; строка в  NTSC передается 63.6 msec. Анализ этих параметров показал, что синхронизация сегмента ATSC более уязвима по сравнено с NTSC. Это сделано, чтобы максимизировать поток полезной информации и минимизировать время, отводимое на синхронизацию. 313 последовательных сегментов данных составляют поле данных. На Рисунке 2.3 показана структура поля данных стандарта ATSC. 

Рисунок 2.3  Поле данных ATSC

Полевая синхронизация стандарта ATSC - целый сегмент данных, который повторяется один раз в 1 поле (24.2 msec) и примерно  аналогичен вертикальному интервалу NTSC. Полевая синхронизация ATSC имеет вид биполярных импульсов и также используется ресивером, чтобы устранить повторения сигнала, вызванные плохим (многолучевым) приемом. Это реализовано путем сравнения полученной полевой синхронизации (содержащей некоторую ошибку) с известной до передачи полевой синхронизацией. Полученные в итоге векторы погрешности используются, чтобы выработать сигнал ресивера, поступающий на устройство-корректор (эквалайзер), которое убирает повторения сигналов. Подобно сегментным синхроимпульсам, значительное колебание уровня сигнала и периодически повторяющаяся природа полевых синхронизаций позволяет успешно восстанавливать их при очень высоком уровне шума и помех (до 0 dB ОСШ). В конце каждого сегмента полевой синхронизации двенадцать конечных символов последнего сегмента данных повторяются дважды, чтобы перезапустить кодер решетки в ресивере. Помехоустойчивость сегментных и полевых синхронизаций делает возможным точное восстановление синхронизации и удаление отраженных сигналов в 8-VSB приемнике, даже если само изображение (данные) невосполнимо испорчены неудовлетворительными условиями приема. Это позволяет фильтру, удаляющему отраженный сигнал, успешно выполнить свою работу до декодирования основных данных. 

2.9 Амплитудная  модуляция.

Далее восьмиуровневый DTV сигнал, с сигналами синхронизации и сдвигом постоянной составляющей (пилот - сигналом), амплитудно - модулируется на промежуточную частоту несущего колебания. Это создает спектр с двойной боковой полосой относительно основной несущей частоты, как показано на Рисунке 2.5. 

Рисунок 2.5  Двухсторонний спектр, полученный в результате амплитудной модуляции исходного сигнала