Модуляция в системах передачи наземного цифрового телевидения

Ширина занимаемой полосы частот этого сигнала слишком  широка, чтобы его можно было передать по стандартному каналу шириной в 6 МГЦ. Однако есть возможность отфильтровать  большую часть этого спектра  без повреждения той цифровой информации, которую мы передаем. По рисунку 2.5 можно заметить высокую степень избыточности двойных боковых полос спектра амплитудной модуляции. Боковые разных порядков являются просто уменьшенными копиями центрального спектра, и весь участок нижней боковой полосы является зеркальным отображением верхней боковой полосы. Это дает возможность, не использовать почти всю нижнюю боковую полосу и все гармоники в верхней боковой полосе. Оставшийся сигнал (верхняя половина центрального спектра) может быть урезана на половину на основании Теории Найквиста, из которой следует, что необходима только половина ширины полосы частот, чтобы передать цифровой сигнал на заданной частоте следования данных. Фильтрация боковых полос спектра сигнала осуществляется с помощью фильтра Найквиста.

2.10  Фильтр Найквиста.

В результате добавочных данных, добавленных к потоку аудиовизуальной  информации для непосредственного  исправления ошибок, а также вставок  синхронизации, скорость передачи данных увеличилась с 19.39 Мбит / сек на входе возбудителя до 32.28 Мбит / сек на выходе кодера решетки. Так как 3 бита передаются в каждом символе то при восьми уровнях 8-VSB результирующая скорость передачи данных - 32МБ / 3 = 10.76 миллионов символов в сек.  На основании теоремы Найквиста известно, что 10.76 миллионов символов в сек. могут быть переданы в канале с частично подавленной боковой полосой (vestigial sideband signal - VSB)  с минимальной шириной полосы частот 1/2 * 10.76 МГЦ = 5.38 МГЦ. Так как имеющаяся полоса пропускания канала 6 МГЦ, то в результате имеется даже небольшой запас. Эта избыточная ширина полосы частот (обозначаемая "Альфой"-«а») составляет 11.5 % для системы ATSC 8-VSB. То есть 5.38 МГЦ (минимальная ширина полосы частот по теореме Найквиста) + 620 Кгц (ширина свободной части полосы частот-11.5 %) = 6.00 МГЦ (используемая в настоящее время ширина канала). Чем выше используемый Альфа-фактор, тем проще аппаратная реализация, снижаются требования к фильтрам и точности синхронизации. Результирующая частотная характеристика после фильтра Найквиста, показана на Рисунке 2.6. Хорошо заметен пилот-сигнал у нижней границы канала. Более низкая боковая полоса (ниже частоты пилот сигнала) почти полностью удалена.  

Рисунок 2.6   Высокочастотный спектр 8-VSB

Это искусственное устранение более низкой боковой полосы, наряду с узкополосной фильтрацией верхней  боковой полосы, создает очень  существенные изменения в итоговом высокочастотном сигнале, который  и передается. Огибающая 8-VSB подвергается преобразованию и теряет четкость, почти полностью исчезает ступенчатая  восьмиуровневая структура, которая  имелась перед фильтрацией. Сигнал принимает вид, представленный на Рисунке 2.7.

 

Глядя на рис. 2.7 можно подумать, что вся информация, содержащаяся в исходных восьми уровнях, потеряна навсегда. Но это не так. И вот  почему. Когда ограничивается частотный спектр прямоугольного сигнала, он (сигнал) будет терять квадратные грани и  колебаться во времени, до и после начального импульса. В случае цифрового восьмиуровнего сигнала, это свойство вызвало бы искажения, поскольку пост-окружение от одного импульса накладывалось бы на предшествующие и последующие импульсы, приводя, таким образом, к искажению их уровней и, соответственно, информации.

Тем не менее, существует способ передать без потерь 8-VSB импульсы, если учесть, что восьмиуровневая информация распознается в  определенный момент времени осуществления выборки в приемнике. В другие моменты времени, амплитуда импульса не имеет значения, и может изменяться сколь угодно - пока она снова в определенный момент времени не принимает одно из заданных восьми уровней.

Если узкополосная частотная  фильтрация выполнена правильно, согласно Теореме Найквиста, результирующая последовательность импульсов будет  ортогональный. Это значит, что в  каждый определенный момент осуществления  выборки, только один символ будет определять конечную форму волны огибающей; все предшествующие и последующие  импульсы в этот конкретный момент будут проходить нулевое значение амплитуды. Это показано на Рисунке 2.8. Таким образом, когда ресивер  будет декодировать полученный сигнал, результирующее напряжение будет соответствовать  текущей амплитуде входного сигнала (одному из восьми возможных уровней).

При любом определенном времени  выборки (вертикальные линии), только основной импульс определяет амплитуду сигнала, все остальные импульсы (их гармоники) испытывают в этот момент нулевое пересечение. Результирующая огибающая ВЧ-сигнала соответствует восьми цифровым уровням только в определенный момент времени осуществления выборки. В остальное время, (между моментами выборки) огибающая содержит кроме основного сигнала множество гармоник от предыдущих и будущих символов (так как все гармоники имеют ненулевые амплитуды между временами выборки). На,  Рисунке 2.8 показаны только 10 побочных гармоник; в действительности их значительно больше. 

Рисунок 2.8  Добавление узкополосных ортогональных импульсов 

Эти ненулевые значения гармоник (между временами выборки) от множества  символов могут составлять в целом  очень большие напряжения сигнала. В результате получается довольно характерный  сигнал, несколько похожий на на белый шум. Это показано на Рисунке 2.9. Пик фактор такого сигнала может достигать 12 dB, хотя трансмиттер и может ограничить это значение до 6 - 7 dB с минимальными потерями. Черные области представляют текущую осциллограмму сигнала; серые области показывают сохраненные значения всех прошлых значений.  

Рисунок 2.9 Вид сигнала 8-VSB на выходе кодера 

 

2.11  "Глазковая диаграмма".

"Глазковая диаграмма".  Это одно из представлений 8-VSB сигнала, который подчеркивает вышеописанные особенности сигнала 8-VSB. Эту диаграмму можно увидеть на страницах большинства статей о 8-VSB и на экранах различных измерительных приборов для работы с 8-VSB.  "Глазковая диаграмма" – это совокупность многих значений полученного высокочастотного сигнала в момент осуществления выборки. Так как входной ВЧ сигнал должен иметь один из восьми возможных уровней, то всякий раз, когда подходит время выборки, сходимость многих проекций сигнала формирует семь "глаз" (отсюда другое название - глазная диаграмма), появление которых совпадает с тактовыми импульсами в ресивере. Это видно на Рисунке 2.10.

Рисунок 2.10  Глазковая диаграмма сигнала 8-VSB 

При каждом моменте выборки, де модулированный сигнал принимает  один из восьми возможных уровней. Результирующее изображение имеет восемь вертикальных "глаз". Если 8-VSB сигнал поврежден в течение передачи, эти "глаза" "закроются" и исчезнут, поскольку ВЧ-сигнал не будет иметь  верную амплитуду в момент выборки.  

 

2.12  «совокупность сигнала» 8-VSB.

Еще одно популярное представление 8-VSB сигнала, которое часто используется в измерительных приборах - совокупный сигнал 8-VSB. Это - двухмерное графическое  представление 8-VSB амплитуды несущей  и фазы в каждый момент выборки. В 8-VSB цифровая информация передается с помощью амплитуды огибающей, не используя фазу сигнала. Это существенное отличие от других форматов цифровой модуляции, типа QAM, где каждая точка сигнала - некая векторная комбинация амплитуды несущей и фазы. QAM-подобная структура не реализуется в 8-VSB, так как нет возможности контролировать фазу сигнала. Сравнение совокупности сигнала 8-VSB с 64-QAM показано на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11  Совокупность сигнала 8-VSB против 64-QAM 

Восемь уровней восстановлены  с помощью синхронного детектора. Полезных данных из фазы сигнала получено не было, так как никакой  информации в ней не содержится. Поэтому диаграмма совокупности сигнала 8-VSB - восемь рядов вертикальных строк, которые соответствуют восьми переданным амплитудным уровням. Устраняя любую зависимость от фазового канала, 8-VSB ресивер нуждается только в информации об амплитуде сигнала, таким образом, исключая цепи фазовой обработки сигнала. В результате - большая простота реализации и, как результат - более дешевая аппаратная реализация. Совокупность сигнала 8-VSB - 8 рядов вертикальных строк на оси амплитуды. Фазовая ось не используется, для передачи информации. Когда 8-VSB  ВЧ-сигнал искажен, восемь вертикальных строк станут размытыми, и появятся ошибки. Светло-серые круговые проекции, добавленные к совокупности сигнала 8-VSB, показывают амплитуду несущей и фазу, постоянно изменяющуюся; выборка в ресивере - вроде некоего стробирующего устройства, которое отбирает значение сигнала каждый раз, когда он (сигнал) проходит один из восьми уровней амплитуды. 

 

2.13  Аналоговое преобразование методом повышения частоты сигнала 8-VSB.  

После фильтра Найквиста, 8-VSB  сигнал преобразовывается традиционным способом в высокочастотный сигнал Метрового или дециметрового диапазона. Выходной сигнал  8-VSB модулятора идет на DTV-передатчик. Передатчик - по существу традиционный высокочастотный усилитель мощности. Он может быть твердотельным или на электронной лампе. Выходной сигнал фильтруется с целью подавления любых паразитных сигналов, выходящих за полосу канала, и вызванных различными нелинейностями передатчика. Последняя звено в цепи передачи сигнала - антенна, которая и передает 8-VSB DTV сигнал в эфир.

3.      Система наземного цифрового телевидения DVB-T

3.1  Система  DVB-T.

Система наземного цифрового телевидения DVB -T принята как Европейский стандарт и соответствует требованиям, согласованным с различными заинтересованными сторонами, то есть журналистами, сетевыми операторами, изготовителями оборудования и непосредственно с телевещателями.

Система основана на использовании COFDM (Кодированное Ортогональное Частотное разделение каналов). Она была определена для передачи программ в контейнере данных и таким образом предоставляет возможность выбора числа программ и уровней их качества от HDTV до LDTV.

Технические требования только описывают  передаваемый сигнал и, таким образом, не определяют приёмные устройства. При  этом не определяется содержание контейнера данных, за исключением того, что  это - поток данных  MPEG-2. Выбор передающей системы и детальных параметров был сделан после тщательного рассмотрения и тестирования в сотрудничестве между заинтересованными сторонами, чтобы удовлетворить и технические и коммерческие требования.

3.2  Выбор параметров передачи сигналов DVB-T

3.2.1    Характеристики наземного канала.

Когда известен метод модуляции для  цифрового телевидения, становятся существенными характеристики канала. Методы модуляции для Европейских DVB систем(спутникового и кабельного) были определены с учётом оптимальных эксплуатационных показателей в соответствующих каналах при минимальной сложности приемника, то есть с единственным несущим колебанием квадратурной фазовой модуляции (QPSK) для спутникового, и единственного несущего колебания QAM для кабельного ТВ.

Когда возникла необходимость определить систему для наземного цифрового  телевизионного вещания, основные параметры  наземного канала, обязательно должны быть приняты во внимание. Свойства этого канала значительно отличается от спутниковых и кабельных каналов:

·        наземный канал может повреждаться вследствие многолучевого приёма (отражения сигнала от почвы и зданий)

·        количество индустриальных помех может быть высоко

·        немаловажный фактор в переполненном частотном спектре для телевещания - интерференция к и от и аналогового и цифрового телевидения.

Характеристики наземного канала изменяются довольно значительно из-за влияния окружающей среды. Характеристики могут быть описаны математически  номером, уровнем, и фазой отраженного  сигнала.

Для оценки наземных телевизионных  систем необходимо определить несколько  моделей канала, которые могут  использоваться при моделировании.

В случае с DVB-T использовались три модели:

·        Гауссов канал, где прямой полученный сигнал только повреждается белым шумом

·        канал «Ricean», где прямой сигнал повреждался энным числом отраженных сигналов изменяющегося уровня и фазы

·        канал Рэлея без прямого пути, и где есть только отраженные сигналы - те же, что и в канале «Ricean».

Гауссов и более реалистичный канал  «Ricean» наиболее характерны для  случая приема антенной на крыше, в то время как канал Рэлея характеризует комнатный  приём.

3.2.2    Требования к цифровому наземному телевидению.

Основными требованиями для цифровой наземной системы телевещания  являются следующие:

1)      Качество телевизионного изображения: LDTV, SDTV и EDTV. Система должна иметь возможность наращивания до  HDTV.

2)      Качество звукового сопровождения: окружающий звук, стереозвук и дополнительные возможности  (например, для слабослышащих людей).

3) Система должна быть максимально близка к спутниковым и кабельным системам.

4)      Пропускная способность должна рассматриваться для неких контейнеров данных, которые могут содержать различные виды услуг,  передаваемых одновременно.

5) Система должна быть предназначена для стационарного приема так же, как и для статичного комнатного приема.

6)      Обслуживание должно быть оптимизировано под использование уже существующих РПЦ.

7) Система должна позволить максимальную гибкость в частотном планировании.

8) Система должна быть разработана таким образом, чтобы позволить существование одночастотных сетей.

(несколько передатчиков, работающих  одновременно на одной частоте  на одну и ту же зону охвата)

9) Система должна позволить использование одночастотных сетей (покрывающих и теневые зоны) даже на начальном этапе внедрения.