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

230 4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

ных несущих равно 6048. Для режима 2k = 2048 из 1705 несущих полез­ ными являются 1512 [41]. Таким образом, совокупность всех модулирован­ ных несущих частот, передаваемых во временном интервале Ts, называ­ ется символом OFDM.

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. Если ограничиться использованием не­

кодированной OFDM, то из-за селективных замираний на некоторых час­ тотах соответствующие несущие не будут декодироваться, давая всплески шума и ошибки по битам. Некодированная OFDM также чувствительна к

помехам в совпадающем и соседних каналах, как одночастотная модуля­

ция. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных.

Почему же COFDM более эффективна в условиях многолучевого приема, чем система передачи с одной несущей? Если по каналу связи с

резко выраженной неравномерностью частотной характеристики передает­

ся одна модулированная несущая, то ослабление отдельных частотных со­

ставляющих можно компенсировать с помощью частотного корректора

(хотя и за счет уменьшения отношения сигнал/шум), но если какая-нибудь составляющая подавлена полностью, то корректирующий фильтр помочь

не может в принципе и сигнал претерпевает необратимые искажения. Од­

нако если данные передаются с помощью частотного уплотнения, то даже

полное исчезновение сигналов отдельных несущих не является столь важ­

ным, поскольку данные, переносимые этими несущими, могут быть вос­ становлены за счет канального кодирования. Контейнер данных COFDM отлично приспособлен к условиям передачи данных в наземном телевиде­ нии благодаря возможности раздельной обработки сигналов большого числа несущих. Благодаря применению COFDM возможна организация се­

тей телевизионного вещания с перекрытием частот передающих станций,

работающих на одной частоте.

Скорость передачи данных в канале связи с модуляцией типа COFDM

зависит от вида модуляции несущих, установленных значений кодовой

скорости и защитного интервала между символами. Если кодовая скорость

находится в пределах от 1/2 до 7/8 (разность между знаменателем и числи­ TeлeM равна числу добавленных проверочных бит), то скорость цифровой передачи составляет: при QPSK - 4,98 .. .10,56 Мбит/с; при QAМ-16 -

9,95 .. .21,11 Мбит/с; при QAМ-64 -14,93 ... 31,67 Мбит/с.

Для достижения требуемой помехоустойчивости модулирующие по­

токи данных могут кодироваться кодами с разными скоростями.

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)

Данный способ модуляции относится к комбинированным. В случае QAМ промодулированный сигнал представляет собой сумму двух ортого-

го и совмещенного каналов, обусловленных действующими передатчиками рAL/SECAМ. Поскольку речь идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность использования частотного диапа­

зона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных пере­

датчиков, многочастотных и одночастотных сетей. Следует учитывать вы­

сокий уровень промышленных шумов в канале наземного телевидения.

Система DVB-T должна успешно бороться с типичными для наземного те­ левидения эхо-сигналами, вызванными как статическими объектами, на­ пример, зданиями, так и динамическими объектами, например, самолета­ ми, и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распро­ странения радиоволн, обусловленного рельефом местности. Является же­

лательным создание условий для приема в движении и на комнатные ан­

TeHHы. Все эти требования были выполнены в DVB-T благодаря примене­ нию новой системы модуляции OFDM.

Рис. 4.22. Структурная схема устройства преобразования

сигналов и данных в приемнике DVB-Т

За счет выбора способа модуляции OFDM с кодированием, которое включает в себя внешнее и внутреннее кодирование и перемежение с це­ лью коррекции возникающих в канале ошибок, системе Т присуще следующие важнейшие особенности:

•потенциально обеспечивается воспроизведение телевизионных изобра­ жений в форматах низкого разрешения, стандартного, расширенного и

высокого;

•звуковое сопровождение может быть стереофоническим, многоканаль­

ным; возможно оказание дополнительных услуг, например, для слабо­

слышащих;

•обеспечивается максимум общности с основными стандартами спутни­ кового И кабельного цифрового телевещания;

•способность системы переносить информацию соответствует концеп­

ции «контейнера», который может содержать различные данные и обес­ печивать работу различных служб одновременно;

•гарантируется работа в условиях приема на стационарную антенну и на

антенну портативных телевизионных приемников, то есть на комнат­

ную антенну;

•система оптимизирована с целью использования существующей сети

телевизионных передатчиков;

•обеспечивается возможность работы в одночастотных сетях;

•система может быть развернута как в региональных, так и в националь­ ных масштабах при приемлемых экономических затратах;

•система малочувствительна к интерференционным помехам от других те­ левизионных радиопередатчиков и создает минимум помех службам на­

земного аналогового телевидения, что очень важно в переходный период;

•система допускает реконфигурацию, то есть возможность вещательным

организациям устанавливать оптимальные параметры;

•обеспечивается возможность двухуровневой иерархической передачи

информации.

OFDM отличается передачей сигнала с использованием большого ко­ личества несущих колебаний, частоты которых кратны некоторой основ­

ной частоте. Причем каждая несущая переносит поток данных, уменьшен­ ный в число раз, равное количеству несущих. Несущие являются ортого­

нальными, что делает возможной демодуляцию модулированных колеба­ ний даже в условиях частичного перекрытия боковых полос отдельных

модулированных несущих.

Применение какой-либо одной системы кодирования не дает желае­ мого эффекта в условиях наземного телевидения, для которого типично проявление разнообразных шумов, помех и искажений, приводящих к воз­ никновению ошибок с разными статистическими свойствами. В таких ус­ ловиях необходим более сложный алгоритм исправления ошибок. В систе­

ме DVB-T используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном

применении практически безошибочную работу (такой подход типичен и для других сфер, например, для цифровой видеозаписи). Если благодаря

работе внутреннего кодирования частота ошибок на выходе внутреннего

декодера (см. рис. 4.22) не превышает величины 2 х 10-4, то система внеш­

него кодирования доводит частоту ошибок на входе демультиплексора

МPEG-2 дО значения 10-11, что соответствует практически безошибочной

работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).

Кодирование обязательно связано с введением в поток данных не­ которой избыточности и соответственно с уменьшением скорости пере­

дачи полезных данных, поэтому наращивание мощности кодирования за

счет увеличения объема проверочных данных не всегда соответствует тре­

бованиям практики. Для увеличения эффективности кодирования, без

снижения скорости кода, применяется перемежение данных. Кодирование позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, а перемежение увеличивает

эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мел­ кие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

Защитный интервал

В системе OFDM данные передаются с использованием некоторого количества несущих колебаний. Если таких несущих много, то поток дан­

ных, переносимых одной несущей, характеризуется сравнительно не­

большой скоростью, то есть частота модуляции каждой несущей невели­ ка. Однако межсимвольные искажения проявляются и при малой скоро­ сти следования модуляционных символов. Для того, чтобы избежать меж­

символьных искажений, перед каждым символом вводится защитный ин-

тервал. Но надо отметить, что защитный интервал - это не просто пауза

между полезными символами, достаточная для угасания сигнала символа

до начала следующего. В защитном интервале передается фрагмент по­

лезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности несущих

принятого сигнала (но только в том случае, если эхо-сигнал при многолу­ чевом распространении задержан не больше, чем на длительность защит­ ного интервала).

Концепция защитного интервала не является принципиально новой,

но использование защитного интервала требуемой величины в цифровом

телевидении возможно лишь при использовании частотного уплотнения

с большим числом несущих.

Оценка параметров

Выбор параметров системы OFDM связан с обеспечением работы в

одночастотных сетях телевизионного вещания, а также с возможностью

использования заполнителей пробелов и мертвых зон в области охвата ве­ щанием. Однако на начальном этапе развития цифрового телевидения од­

ночастотные сети найдут небольшое применение из-за необходимости со­

существования с аналоговыми передатчиками и ограничений в распре­

делении частотных диапазонов. Кроме того, в некоторых странах вообще не планируется использование одночастотной сети. Следовательно, система ве­

щания должна допускать наиболее эффективное использование частотного

диапазона в рамках уже существующих сетки частот и сети передатчиков.

Величина защитного интервала зависит от расстояния между передат­

чиками в одночастотных сетях вещания или от задержки естественного

эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением частотных

каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длитель­ ность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения макси­

MaльHoй скорости передаваемого потока данных защитный интервал дол­

жен быть как можно короче. Одна четвертая часть от величины полезного

интервала является, видимо, разумной оценкой максимального значения

длительности защитного интервала. Предварительные исследования пока­ зали, что если одночастотные сети будут строиться в основном с использо­ ванием существующих передатчиков, то абсолютная величина защитного интервала должна быть около 250 мкс. Это позволяет создавать большие

одночастотные сети регионального уровня.

При числе несущих в несколько тысяч возникает естественный вопрос о практической реализации системы OFDM. Применение восьми тысяч синтезаторов несущих колебаний и восьми тысяч модуляторов сделало бы такую систему передачи очень громоздкой. Решение приходит благодаря

тому, что модуляция OFDM представляет собой обратное преобразование Фурье, демодуляция - прямое. Существование хорошо отработанных бы­ стрых алгоритмов преобразования Фурье и промышленный выпуск инте­ гральных схем процессоров снимает проблему практической реализации.