Модуляция в системах передачи наземного цифрового телевидения

10)      Система должна обеспечить локальную и национальную зону покрытия при приемлемых экономических и частотных условиях.

11)      Система должна быть пригодна для борьбы с интерференцией, а также минимизировать свою собственную интерференцию в существующие наземные аналоговые службы.

12)      Система должна обеспечить для вещания большую информационную емкость и широкий охват территорий.

13)      Должна быть возможность организации двухуровневых систем. 

3.2.3    Выбор передающей системы.

Пункты 1, 2 , 4 связаны с обслуживанием, и  не влияют на выбор кодирования и  модуляции.

Пункт 3 важен, поскольку максимальная общность между различными средствами связи позволяет применять более  дешевые ресиверы при более простой  передаче. Он будет влиять на кадрирование данных и кодирование системы, но не обязательно на модуляцию, поскольку  последняя должна быть адаптирована к имеющейся передающей среде.

Пункт 5 требует, чтобы система работала в условиях многолучевого приёма. Это - одно из основных требований для  системы модуляции.

Мобильный прием не требуется, но может  рассматриваться  как «дополнительное реализуемое расширение». Способность справляться с быстро изменяющимися свойствами канала  не так уж необходима, однако система должна иметь возможность справиться с некоторыми временными искажениями, вызванными перемещающимися объектами.

Пункты 8 и 9 существенны для выбора системы модуляции. Одночастотная  сеть состоит из ряда передатчиков, использующих одну и ту же частоту, для распространения идентичных программ в зоне охвата. Также это  может быть частным случаем многолучевого  приема, где запоздалые сигналы могут  иметь тот же уровень, что и  прямой сигнал, или даже выше. Наиболее подходящая система для таких  условий канала - COFDM (Кодированное Ортогональное Частотное разделение каналов) - система, уже интенсивно протестированная и эффективно работающая в DAB (Цифровом Звуковом Радиовещании).

Все другие требования могут быть реализованы тщательным выбором  параметров передающей системы.

3.2.4    COFDM

Особенностью COFDM является передача сигнала на большом количестве несущих колебаний (частотное разделение каналов). Таким образом, каждое несущее колебание имеет умеренную скорость передачи информации. Несущие колебания ортогональны, поэтому можно декодировать сигнал даже в случае, если есть небольшое перекрывание частот отдельных несущих колебаний. Хотя  скорость передачи данных каждого несущего колебания невысока, межсимвольная интерференция имела бы место, если бы не специальные меры. Чтобы избежать межсимвольной интерференции, перед каждым символом имеется защитный интервал. Защитные интервалы состоят из циклических продолжений полезных символов. Это гарантирует, что ортогональность несущих колебаний может быть восстановлена в принятом сигнале, даже при наличии эхо-сигналов. Это справедливо, пока они (эхо-сигналы) не выходят за предел защитного интервала.  Ясно, что даже если, защитный интервал и сохранит ортогональность полученных несущих, эхо-сигнал всё равно вызовет замирание сигнала.

Именно поэтому, необходимо использовать «C» (кодирование) в OFDM. Кодирование очень существенно для повышения эксплуатационных показателей системы. Добавляя код для эффективного непосредственного исправления ошибок, и перемежение, можно достичь достаточно низких коэффициентов ошибок в каналах с замираниями, причем при значениях ОСШ только на несколько dB выше, чем для Гауссова канала. Перемешивание улучшает эксплуатационные показатели кодирования, поскольку распределяет поврежденные биты, а это, в свою очередь, позволяет избежать пакетных ошибок.

3.2.5    Выбор параметров для DVB-T.

Передающая система состоит  из следующих частей: кадрирование входных данных, внешняя рандомизация и защита от ошибок, внутреннее кодирование, перемешивание и модуляция. Рисунок 3.1 показывает передающую сторону системы DVB-T.   Соответствующий приемник показан на Рисунке 3.2.

Рисунок 3.1  Формирование сигнала DVB-T

Рисунок 3.2  Декодирование сигнала DVB-T  

Поскольку цифровые кабельные и  спутниковые передающие системы  уже были определены в DVB и приняты  как Европейские стандарты, DVB-T система  основана на спецификациях для спутника и кабеля по тем параметрам, которые  напрямую не связаны с характеристиками канала передачи.

3.2.6    Внешнее перемешивание и кодирование.

Следующие части для DVB-T системы  были определены тождественно к кабельным  и спутниковым техническим требованиям:

-         кадрирование данных, внешнее перемешивание и внешнее кодирование от ошибок

-         Входной сигнал - транспортный поток MPEG-2, состоящий из пакетов по 188 байтов.

-         сигнал сначала рандомизирован в псевдо - случайную последовательность для энергетического рассеивания.

-         внешнее кодирование - кодирование Рида-Соломона, RS (204,188, t=8) укороченный код, полученный из первоначального систематического кода RS (255, 239, t=8).  

 

 

3.2.7    Внутреннее кодирование и интерливинг.

Внутреннее кодирование от ошибок не используется в цифровых кабельных  системах. Для спутниковой системы  внутренняя защита от ошибок состоит  из сверточного кода с порядком ½ разряда и длиной реакции связи 7. Сверточный код может пробиваться до порядка 2/3,3/4, 5/6 или 7/8. Аналогичная внутренняя защита от ошибок соответствует требованиям наземного канала и поэтому используется в DVB-T. Кроме  внутреннего кодирования и внутреннего перемежения, необходимо избавиться от пакетных ошибок, подаваемых на декодер. Внутренний блок рандомизации настроен для достижения оптимальных эксплуатационных показателей при приемлемой сложности. Он состоит из общего побитового и посимвольного перемежения. Под символом здесь понимается биты,  переданные одним несущим колебанием в течение времени одного символа. Бит рандомизация - это блок  из 126-ти битов с различными моделями перемежения для каждого 2, 4, или 6 бита, в то время как символ-рандомизация это псевдо - случайная последовательность.

3.2.8    Выбор параметров OFDM.

Важный момент, напрямую связанный  с каналом передачи - система модуляции. Выбор параметров для COFDM системы  основан на сетевых требованиях. Требования для гибкости системы, одночастотных  сетей и для покрытия мертвых  зон  определяют главные параметры системы. Одночастотные сети не планируется использовать во многих странах, и на стадии внедрения их будет не много. Поэтому система должна  позволить максимальное частотно - экономичное использование традиционных сетей. Высокие требования к гибкости системы требует технических условий, которые содержат ряд различных режимов. Поскольку система должна также быть определена для ресиверов различного уровня сложности, необходимо сохранить максимальную общность между различными режимами работы. Причем во всех случаях сложность устройств нужно сделать максимально низкой.

3.2.9    Защитный интервал и число несущих.

Требование к длине защитного  интервала определяет число несущих  колебаний OFDM системы. Необходимая  длина защитного интервала зависит  от расстояния между передатчиками  одночастотной сети, или от задержки естественных эхо-сигналов в случае традиционно спланированной сети. Чтобы достигнуть максимальной скорости передачи информации, защитный интервал должен быть ниже ¼ времени полезного символа, и естественно, быть как можно короче. Коль скоро одночастотная сеть (SFN) должна быть основана (главным образом) на существующих передающих центрах, необходимо использовать защитный интервал приблизительно 250 µs. Это учтёт большую область (площадь) SFN, например для региональной зоны, в то время как для национальных SFN в некоторых странах идеально подошел бы защитный интервал длиной приблизительно 500 µs. Разнос несущих OFDM системы обратно пропорционален к продолжительности символа. Требование к длительности защитного интервала определяет число несущих колебаний: защитный интервал 250 µs может быть достигнут в OFDM системе с длиной символа 1 MS и, следовательно, расстояние между несущими 1 Кгц, приводит к 8000 несущим колебаниям в канале шириной 8 МГЦ. Сигнал OFDM создан, используя обратное БПФ, и ресивер использует БПФ при процессе демодуляции. Размер БПФ - 2N, где N = 11 или N = 13 - значения, используемые в DVB-T. Размер БПФ будет соответственно 2048 или 8192, который определяет максимальное число несущих. На практике ряд несущих колебаний в нижнем и верхнем конце OFDM спектра будут не использованы, чтобы учесть разделение между каналами. Системы, использующие размер БПФ 2048 часто упоминаются как ' 2К OFDM ', в то время как системы, использующие размер БПФ 8192 часто упоминаются как ' 8К OFDM '. Больший размер БПФ (меньший интервал между несущими) в настоящее время не рассматривается для реализации бытовых ресиверов. Для DVB-T системы определен и режим 2К и режим 8К. 2К ресивер не сможет принимать сигнал 8К, в то время как получатели 8К смогут принять, и режим 8К и 2К. Плата за длинный защитный интервал (= ¼ активной продолжительности символа) - более низкая информационная емкость. Чтобы позволить более высокую емкость данных в местах, где одночастотные сети не требуются, определен гибкий защитный интервал. Защитный интервал может иметь четыре различных значения: ¼, 1/8, 1/16 и 1/32 активной длины символа. Основные параметры для DVB-T системы показаны в Таблице 3.1. 

Таблица 3.1  Основные параметры DVB-T

3.2.10    Иерархическая передача.

Дополнительным требованием для  наземной передачи телевизионных сигналов по сравнению с кабелем и передачей  через спутник, является необходимость  двухуровневой иерархической передачи, то есть два MPEG-2 транспортных потока передаются в комбинированном сигнале, где  один из транспортных потоков будет  приниматься с более низким ОСШ, чем другой. Эти два транспортных потока могут нести ту же самую  программу, или полностью различные  программы, поскольку ресивер только декодирует один из транспортных потоков, в зависимости от условий приема. Это требует определения двухуровневого кодирования и модуляции.

3.2.11    Опорные сигналы.

Опорные сигналы необходимы, чтобы  справиться с изменениями канала. Эти опорные сигналы названы  пилот-сигналами в спецификации DVB-T. Пилот-сигналы распределены по времени и частоте, в пределах OFDM сигнала и имеют известную амплитуду и фазу. Имеются два типа пилот - сигналов: непрерывные, которые распределены беспорядочно по каждому OFDM символу (OFDM символ состоит  из всех несущих колебаний в течение длительности одного символа) и переносятся теми же самыми несущими колебаниями на всех OFDM символах, и рассеянных пилот сигналов которые распределены равномерно по времени и частототам в OFDM символах. Непрерывные пилот сигналы могут использоваться для синхронизации и оценки фазового искажения, в то время как рассеянные пилот сигналы учитывают оценку характеристик канала с помощью интерполяции по времени и частоте.Использование интерполяции по времени между рассеянными пилот сигналами может позволить мобильный прием в том случае, если достаточна напряженность поля.

3.2.12    Указатель параметров передачи (TPS).

Канал TPS (указатель параметров передачи) добавлен как часть сигнала OFDM. Этот сигнал несет информацию о параметрах передачи вроде режима, длины защитного  интервала, модуляции, и разрядности  кода. Он может использоваться ресивером  для более устойчивого приема. Сигнал TPS передается с помощью BPSK (бинарная манипуляция смещения фазы) ряда несущих  колебаний, распределенных по всему OFDM символу. Один OFDM символ несет один бит сигнала TPS, в то время как  весь TPS сигнал передается в более  чем 68 OFDM символах.

3.2.13    Кадровая структура.

Сигнал передается в виде OFDM-кадров. Точное число активных несущих (несущих, переносящих полезную информацию), пилот сигналов, и TPS несущих было выбрано, исходя из следующих требований: 

·        Максимальная емкость данных

·        общая кадровая структура для режима 2К и режима 8К

·        достаточный частотный защитный интервал между двумя смежными каналами 8 МГЦ

·        достаточное число пилот сигналов для заданных эксплуатационных показателей

·        одно и то же число полезных несущих во всех OFDM - символах

·        целое число MPEG-2 пакетов, переносятся одним кадром (или суперкадром) независимо от режима передачи.  Синхронизация кадров осуществляется сигналом TPS. Один кадр состоит из 68 OFDM символов, причем это число равно числу битов в сигнале TPS. Четыре OFDM кадра составляют один суперкадр. Он будет всегда содержать целое число MPEG-2 пакетов, независимо от режима передачи.

3.2.14    Использование системы DVB-T для каналов с различной шириной полосы.

DVB-T система разработана для  каналов УВЧ шириной 8 МГЦ в  Европе. Однако система может  быть адаптирована и к другой  ширине полосы частот, и способ  адаптации к ширине полосы 7 МГЦ  уже оговорён в спецификации. Излучаемый сигнал определен  элементарным временным элементом  T (или системная  тактовая частота = 1/T). Системная тактовая частота - 64/7 МГЦ для канала шириной 8MHz. При изменении этой частоты расстояние между несущими будет соответственно меняться. Все параметры системы будут изменены в соответствии с системной тактовой частотой синхронизации. Тактовая частота для каналов с другой шириной полосы частот зависит от допустимой ширины полосы сигнала OFDM в данном растре канала. При изменении только тактовой частоты, характеристики излучаемого сигнала (кроме ширины полосы) и кадровая структура будут прежними.

Это дает возможность, например, использовать один и тот же набор чипов для  ресиверов независимо от  ширины полосы частот при передаче. Для канала шириной 7 МГЦ системная тактовая частота должна быть 8 МГЦ. Для ширины полосы частот 6 МГЦ нужно использовать системную тактовую частоту 13.5 МГЦ * 8192 / (858 * 19) =6,784 МГц. Используя эту тактовую частоту в среде NTSC, можно достичь тех же результатов, что и при использовании 8 МГЦ каналов в среде PAL - несущие колебания совпадут с линейчатым спектром аналогового ТВ и, таким образом, минимизируют интерференцию между аналоговым и цифровым ТВ.

3.3.  Особенности модуляции COFDM.

OFDM отличается передачей сигнала  с использованием большого количества  несущих колебаний. Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию модулированных колебаний даже в условиях частичного перекрытия полос отдельных несущих. Однако многолучевое распространение радиосигнала в точку приема (довольно типичное для наземного телевидения) приводит к ослаблению и даже полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных. COFDM – кодированный OFDM.