Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ПО ЭФИРНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ

4.1. Основные требования к системам передачи сигналов

цифрового телевидения по радиоканалам

в цифровых вещательных телевизионных системах по радиоканалам необходимо передавать цифровой сигнал - транспортный поток МPEG-2 (точнее - транспортный поток системы DVB-T). Этот цифровой сигнал не­ обходимо передавать в выделенной для данного радиоканала полосе час­

тот. При этом необходимо решать задачи модуляции несущего колебания

цифровым сигналом и защиты его от помех.

Одним из главных требований к системам цифрового телевидения явля­

ется использование существующих радиоканалов телевизионного вещания.

Для трансляции сигналов цифрового телевидения, особенно если надо передавать сигналы нескольких программ обычной (стандартной) четкости в одном радиоканале или сигнал ТВЧ, необходимо увеличивать эффектив­

ность использования полосы частот радиоканала связи, что достигается

применением более сложных методов модуляции несущей.

Другое важнейшее требование к системе цифрового телевидения -

обеспечение высокой помехоустойчивости.

Как известно, цифровая информация передается в виде двоичных

символов - единиц и нулей. Из двоичных символов состоят кодовые ком­

бинации (кодовые слова), каждая из которых в случае цифрового телеви­ зионного сигнала может содержать информацию, например, о значении

одного отсчета этого сигнала. В результате действия шумов и помех от­ дельные двоичные символы могут быть приняты с ошибкой. Это объясня­

ется тем, что само по себе преобразование аналоговых сигналов в цифро­ вую форму еще не гарантирует высокой помехозащищенности передавае­ мой информации. При этом надо иметь в виду, что проявление ошибок в цифровой телевизионной системе существенно отличается от заметности флуктуационного шума в аналоговой системе. Ошибка в одном двоичном

разряде может изменить значение отсчета изображения многократно, если она произошла в старшем разряде кодового слова. При использовании раз­

личных методов сокращения избыточности телевизионного сигнала оди­ ночная ошибка может привести к искажению, например, участка строки или даже группы строк. Интенсивность ошибок характеризуется их отно­ сительной частотой!с)Ш [ош/дв. символ], показывающей вероятность того,

что принятый отдельный двоичный символ ошибочен. В англоязычной технической литературе эта величина обычно называется BER (Bit Епоr

Rate - частота ошибок на 1 бит или коэффициент ошибок).

Вероятность ошибки в одном разряде может составлять 10-4 ... 10-5.

Это означает, что при скоростях цифрового потока данных, равных не­ скольким десяткам Мбит/с, каждую секунду будут происходить сотни ошибок. Качество такого изображения будет неудовлетворительным. На практике даже несколько белых или черных точек на изображении могут

оказаться заметными.

Рассмотрим основные причины возникновения ошибок:

•воздействие шумов различной природы (тепловой шум, шум генерации­

рекомбинации, фликкер-шум и т.д.), в большинстве случаев проявляю­

щихся во входных каскадах приемной телевизионной аппаратуры;

•индустриальные и атмосферные помехи;

•помехи, создаваемые радиопередатчиками, работающими в этой же по­ лосе частот в соседних районах (явление интерференции);

•многолучевое распространение радиоволн, возникающее из-за отраже­

ний от искусственно созданных сооружений, например, жилых зданий,

и от естественных возвышенностей, обусловленных рельефом поверх­

HocTи земли.

Ошибки при приеме двоичных символов классифицируются на оди­ ночные и пакетные (групповые). Одиночные ошибки, как правило, не за­

висят друг от друга. Пакетные ошибки искажают сразу несколько соседних двоичных символов. Например, вследствие воздействия достаточно про­

должительной импульсной помехи несколько идущих подряд двоичных

символов становятся равными нулю или единице.

Традиционными способами повышения помехоустойчивости цифро­

вых телевизионных систем, обеспечивающих наземное вещание, являются:

•увеличение мощности радиопередатчика;

•выбор антенно-фидерных устройств с оптимальными для конкретного

случая параметрами;

•уменьшение уровня шумов в телевизионных приемниках путем приме­

нения малошумящей элементной базы;

•рациональное планирование использования радиоканалов на смежных территориях.

Ксожалению, все эти методы имеют ограничения, связанные с реаль­

ными техническими возможностями, с конечной шириной доступного

эфирного диапазона частот, с высокой стоимостью приемной телевизион­

ной аппаратуры и т.д.

В случае передачи цифровых сигналов значительное повышение по­ мехоустойчивости может быть достигнуто путем применения кодов, ис­ правляющих ошибки. В цифровых телевизионных системах одновременно

спомехоустойчивым кодированием дополнительно выполняется операция

206 4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

каженные действием пакетной ошибки, отмечены звездочками. В резуль­ тате деперемежения (рис. 4.1, в) восстанавливается исходный порядок бит и искаженные биты рассредотачиваются.

Переставляться могут не только отдельные биты, но и группы бит на­ пример, байты.

Один из распространенных практических методов перемешивания на­ зывается скремблированием, которое обеспечивает равномерное распреде­

ление энергии передаваемого сигнала в полосе пропускания радиоканала.

В процессе скремблирования цифровой сигнал, подлежащий передаче по радиоканалу, суммируют по модулю 2 со специальным скремблирующим сигналом, чьи статистические свойства весьма близки к свойствам случай­ ного процесса. Этот специальный сигнал генерируется в скремблере и на­ зывается nсевдослучайной последовательностью (ПСП). В результате суммирования внутренние корреляционные связи в цифровом сигнале зна­ чительно ослабляются, его частотный спектр становится более равномер­ ным. На приемной стороне повторное суммирование с той же ПСП, вос­ становленной в дескремблере по известному закону ее формирования, по­

зволяет вернуться к первоначальному виду сигнала. Скремблирование на­ зывают ещерандомизацией.

В техническом отношении реализация скремблирования связана с ис­

пользованием линейных фильтров, образованных сдвиговыми регистрами с прямыми и обратными связями. Примеры функциональных схем скремб­

лера и дескремблера, которые использовались при создании первых экспе­

риментальных систем цифрового телевидения, приведены на рис. 4.2.

(±) - символ операции суммирования по модулю 2 (исключающее ИЛ И)

Рис. 4.2. Функциональные схемы скремблера и дескремблера:

а) передающая сторона; б) приемная сторона

1Е!Э 1= О. Из этих правил следует, что если какой-либо бит два раза сложить по модулю 2 с одним и тем же двоичным символом, то снова получим ис­ ходный бит.

Следовательно, для элементов передаваемой псевдослучайной после­ довательности Хпд выполняется соотношение (см. рис. 4.2, а)

Хпд = Ха Е!Э Х2 Е!Э xs,

где Ха, Х2, Xs - символы входного сигнала. При восстановлении исходной

последовательности на приемной стороне справедливо преобразование

Хир =Хпд Е!Э Х2 Е!Э Xs = Ха Е!Э Х2 Е!Э Xs Е!Э Х2 Е!Э Xs .

Поскольку Х2 Е!Э Х2 = Xs Е!Э Xs = О, получим Хир = Ха. Таким образом, при

отсутствии ошибок происходит полное восстановление переданного сигнала. Побочным положительным эффектом скремблирования является бо­ лее равномерное распределение переходов в цифровом сигнале, что облег­

чает решение задачи синхронизации на приемном конце.

Термином скремблирование в системах цифрового телевидения назы­

вают также изменение характеристик потока данных с целью предотвра­

щения несанкционированного получения передаваемой информации в не­

искаженном виде.

4.3. Принципы кодирования, исправляющего ошибки

4.3.1. КОДЫ, исправляющие ошибки

Помехоустойчивое кодирование передаваемой информации позволяет

в приемной части системы обнаруживать и исправлять ошибки. Коды, при­

меняемые при помехоустойчивом кодировании, называются корректи­

рующими кодами или кодами, исправляющими ошибки.

Если применяемый способ кодирования позволяет обнаружить оши­ бочные кодовые комбинации, то в случае приема изображения можно за­ менить принятый с ошибкой элемент изображения на предыдущий приня­

тый элемент или на соответствующий элемент предыдущей строки или

предыдущего кадра. При этом заметность искажений на экране телевизи­ онного приемника существенно уменьшается. Такой способ называется маскировкой ошибки.

Более совершенные корректирующие коды позволяют не только об­ наруживать, но и исправлять ошибки. Как правило, корректирующий код

может исправлять меньше ошибок, чем обнаруживать. Количество оши­ бок, которые корректирующий код может исправить в определенном ин­

тервале последовательности двоичных символов, например, в одной кодо­

вой комбинации, называется исправляющей способностью кода.

Основной принцип построения корректирующих кодов заключается в том, что в каждую передаваемую кодовую комбинацию, содержащую k информационных двоичных символов, вводят р дополнительных двоичных символов. В результате получается новая кодовая комбинация, содержа­

щая n = р+k двоичных символов. Такой код будем обозначать (n, k). До­

ля информационных символов в нем характеризуется относительной ско­ ростью кода, определяемой соотношением

ми. Появление одной из этих запрещенных комбинаций в приемной части означает, что имеется ошибка.

Для оценки способности кода обнаруживать и исправлять ошибки ис­ пользуется понятие кодового расстояния (расстояния Хемминга). Кодовое

расстояние d Zm между кодовыми комбинациями {XIj} и {X mj } определя­

ется как число двоичных разрядов, в которых эти комбинации различают­ ся. Например, кодовое расстояние между кодовыми комбинациями 0001 и 0011 равно 1, а между комбинациями 0000 и 1111 равно 4.

Если разрешенные кодовые комбинации выбраны таким образом, что при изменении любого двоичного символа разрешенная кодовая комбина­ ция переходит в запрещенную, то корректирующий код позволяет обнару­ живать одиночные ошибки в отдельных кодовых комбинациях.

Одиночная ошибка переводит исходную кодовую комбинацию в ко­

довую комбинацию, отстоящую от нее на d = 1. Следовательно, для обна­

ружения одиночных ошибок необходимо, чтобы кодовое расстояние меж­ ду любыми двумя разрешенными кодовыми комбинациями корректирую­ щего кода было не менее 2. Для обнаружения rl ошибок в кодовой комби­ нации необходимо, чтобы кодовое расстояние между двумя разрешенными

кодовыми комбинациями удовлетворяло неравенству d ~ rl +1 .

Один из самых простых и известных примеров помехоустойчивого ко­ дирования - проверка на четность. В каждую кодовую комбинацию вводит­

ся один дополнительный двоичный символ Хр, называемый контрольным

или проверочным битом. Этот бит устанавливается равным 1, если сумма единиц в исходной кодовой комбинации равна нечетному числу, и равным О в противоположном случае. Данное правило выражается соотношением

где xl, ... ,xk - двоичные символы исходной кодовой комбинации.

Если в приемной части системы один из двоичных символов кодовой

комбинации принят с ошибкой, значение контрольного бита не будет

(Четное число "1" в слове)

111 о 1о 1о 1о 1Ошибка!

(Нечетное число "1" в слове)

Рис. 4. З. Схема обнаружения одной ошибки в кодовом слове

удовлетворять равенству (4.2). Это несоответствие будет обнаружено спе­ циальной схемой и явится признаком того, что произошла ошибка. Таким образом, проверка на четность позволяет обнаруживать одиночные ошиб­ ки, но не позволяет их исправлять (рис. 4.3). Код с одной проверкой на четность, обнаруживающий только одиночные ошибки, применяется в тех

случаях, когда необходимо лишь контролировать качество передачи, на­ пример, в каналах связи с достаточно малой вероятностью ошибки.

Для исправления одиночных ошибок необходимо, чтобы кодовое рас­ стояние между любыми двумя разрешенными кодовыми комбинациями корректирующего кода было не менее 3. В этом случае принятая запре­ щенная кодовая комбинация заменяется ближайшей к ней разрешенной кодовой комбинацией. Так как ошибки одиночные, то переданная разре­ шенная кодовая комбинация отстоит от принятой запрещенной кодовой комбинации на 1, а остальные разрешенные кодовые комбинации - не ме­ нее чем на 2. В этом случае ошибка надежно исправляется. В общем слу­

чае для коррекции r2 ошибок в кодовой комбинации кодовое расстояние d

между любыми двумя разрешенными кодовыми комбинациями должно

удовлетворять неравенству d ~ 2r2 +1 .

Для увеличения кодового расстояния между разрешенными кодовыми комбинациями необходимо увеличивать число р контрольных символов в передаваемых кодовых комбинациях. Известно соотношение

d min = p+1=n-k+1,

где d шiп - минимальное кодовое расстояние между двумя разрешенными

кодовыми комбинациями. Чтобы при этом относительная скорость кода не

стала чрезмерно малой, необходимо в соответствии с (4.1) увеличивать и число k информационных символов в кодовой комбинации.

Построение кода с заданными n и k может осуществляться разными

способами. Есть хорошо разработанные математические методы решения

этой задачи и обширная литература. Для цифровых телевизионных систем большое значение имеет возможность коррекции пакетных ошибок, иска­

жающих сразу несколько соседних двоичных символов. Кроме того, при

выборе кода для системы цифрового телевидения необходимо обеспечить