Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014
.pdf240 |
4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ |
Принцип иерархической передачи
Особенность системы DVB-T - возможность иерархической передачи и приема. Это обусловлено наличием на передающей стороне двух иден
тичных по структуре трактов рандомизации и помехоустойчивого коди
рования. Такое построение цифровой телевизионной системы позволяет
использовать иерархические методы независимого кодирования двух
транспортных потоков данных для организации их приоритетного приема
в зонах вещания с различной площадью покрытия. При использовании ие
рархической передачи с двумя уровнями приоритетов допускается для ка
ждого из двух потоков устанавливать свое собственное значение кодовой
скорости. Данные на выходе мультиплексора транспортного потока рас
щепляются на два независимых транспортных потока МPEG-2 (см. рис. 4.21), которым присваиваются разные степени приоритета. Поток с выс шим приоритетом кодируется с целью обеспечения высокой помехозащи щенности, поток с низшим приоритетом (обозначен на рис. 4.21 пункти ром) - с целью обеспечения высокой скорости передаваемых данных. За
тем оба кодированных потока объединяются и передаются вместе. Таким образом появляется возможность передачи по одному каналу двух различ ных программ или одной телевизионной программы в двух версиях. Пер
вая версия характеризуется высокой помехозащищенностью, но ограни
ченной четкостью, вторая - высокой четкостью, но ограниченной поме
хозащищенностью. Это дает новые возможности. На стационарную антен ну с помощью высококлассного приемника может быть принята версия с высокой четкостью. Но эта же программа будет принята простым и деше вым приемником в варианте с ограниченной четкостью. Помехозащищен ная версия будет также приниматься в тяжелых условиях приема, напри мер, в движении, на комнатную антенну. При меняющихся условиях прие
ма возможно переключение приемника с одной версии на другую.
Система DVB-T была создана не просто для цифрового наземного те
левидения, а для удовлетворения самых разнообразных требований, кото
рые выдвигаются в странах, переходящих к цифровому наземному веща
нию. Это вынуждает предусмотреть работу системы в различных режимах, но для сохранения сложности приемников на приемлемом уровне - обес печить максимальную общность различных режимов.
Для работы одиночных передатчиков и сетей могут использоваться режимы работы с различным количеством несущих. Это обусловлено тем, что одни страны изначально планируют введение больших одночастотных сетей, а другие не предполагают этого делать. Стандарт допускает
два режима работы: 2k и 8k. Режим 2k подходит для одиночных передат чиков и малых сетей, 8k соответствует большим сетям, хотя он может ис
пользоваться и для отдельных передатчиков.
Система DVB-Т для достижения гибкости должна допускать обмен
между скоростью передачи данных и помехозащищенностью. Введение
242 |
|
4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Данные MPEG-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
187 байт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Данные |
|
|
Данные |
Данные |
SYNC1 |
|||
|
|
|
|
8 транспортных пакетов |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.23. Адаптация транспортных пакетов MPEG-2
вого телевидения по отношению к аналоговому телевизионному сигналу,
излучаемому другим передатчиком в том же канале.
Рандомизации предшествует операция адаптации цифрового потока, представляющего собой последовательность транспортных пакетов MPEG- 2 (см. рис. 4.23). Пакеты, имеющие общую длину 188 байт (синхробайт SYNC, записываемый как число 47 в шестнадцатеричной форме или 01000111 - в двоичной, и 187 байт передаваемых данных), объединяются в
группы по восемь пакетов. Синхробайт первого пакета группы SYNC1 инвертируется, образуя число 101110002 = B8 16 . Инвертированный синхро байт используется для инициализации устройства дерандомизации в nри емнике. Собственно рандомизация осуществляется путем сложения по мо дулю 2, то есть посредством логической операции «исключающее ИЛИ»
(XOR) цифрового потока данных и двоичной псевдослучайной последова
тельности PRВS (Pseudo Random Binary Sequence).
Функционирование рандомизатора/дерандомизатора основано на ис
пользовании производящего многочлена вида:
G(x)=1+x 14 +x 15 .
Поэтому генератор последовательности PRВS аддитивного типа построен на базе 15-разрядного регистра сдвига, охваченного цепью об
ратной связи (рис. 4.24). Для того, чтобы формируемая последовательность
лишь походила на случайную и в приемнике можно было бы восстановить
передаваемые данные, в начале каждого восьмого пакета производится
инициализация генератора PRВS путем загрузки в него числа 1001 О1О10000000. Первый после инициализации бит псевдослучайной по-
|
о |
о |
о |
о |
о |
о |
о |
о |
о |
о |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выход рандомизи
рованных данных
Разрешение |
Вход данных |
Рис. 4.24. Структурная схема устройства рандомизации данных
244 |
4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ |
||||||||
------------------------ |
|
|
,~----------------------- |
|
|
|
|
|
~ |
|
Прямое перемежение данных |
|
Обратное перемежение данных |
||||||
|
О |
О |
|
~17X11 |
~ |
||||
|
1--_____1--0 |
|
|
|
|
Регистры / |
|
|
|
|
О Ч17 х2 II |
~ |
|
|
|
|
сдвига ~ |
|
|
|
|
....-------- |
tI17 х3 |
~ |
|||||
|
oi.117 Х3 |
3 о |
Q-!1-4I__O |
0_9----- |
1117 х 2 ~ |
||||
|
'-Регистры |
|
: : |
|
|
10 |
|
|
|
|
./ сдвига |
|
I I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
11 |
|
||
|
, |
~ |
II |
о |
|
о : |
|||
: |
~17X11 |
ii |
|
|
|
||||
L ________________________________________________
Рис. 4.26. Структурная схема устройства внешнего перемежения данных
торая не вносит задержки. После семнадцати циклов коммутации ключей
через устройство пройдет 204 байта (12 ·17 = 204, что совпадает с длиной
кодового слова, в которое превращается пакет данных после кодирования
Рида-Соломона). Следовательно, следующий байт синхронизации опять
пройдет через ветвь с нулевой задержкой.
Перемежение является временныlM nеремешuванuем байт данных, в приемнике исходный порядок следования байт данных восстанавливается. Полезным в перемежении является то, что длинные пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами в канале связи и искажающие после довательно идущие байты данных, в результате обратного перемежения в
приемнике разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по
разным кодовым словам кода Рида-Соломона. В каждое кодовое слово по падает лишь малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме проверочных данных.
Прямое и обратное перемежения могут выполняться с помощью прак
тически одинаковых схем, но только порядок изменения задержки в ветвях
схемы обратного перемежения в приемном устройстве должен быть изме
нен на противоположный (см. рис. 4.22). Синхронизация устройств прямо
го И обратного перемежения осуществляется путем направления первого же обнаруженного байта синхронизации через ветвь с номером О.
Внутреннее кодирование
Внутреннее кодирование в системе вещания DVB-Т основано на свер точном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое являет ся представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток ин
формационных символов делится на блоки фиксированной длины, к кото рым в процессе кодирования добавляется некоторое количество провероч ных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других. При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но го-
4.5. Стандарт цифрового наземного телевидения DVВ-T |
245 |
раздо меньшей длины, их называют кадрами информационных символов. Обычно кадр включает в себя лишь несколько бит. К каждому информаци- 0HHoMy кадру также добавляются проверочные символы, в результате чего образуются кадры кодового слова, но кодирование каждого кадра произво дится с учетом предыдущих информационных кадров. Для этого в кодере всегда хранится некоторое количество кадров информационных символов, доступных для кодирования очередного кадра кодового слова (количество информационных символов, используемых в процессе сверточного коди рования, часто называют длиной кодового ограничения). Формирование кадра кодового слова сопровождается вводом следующего кадра информа ционных символов. Таким образом, процесс кодирования связывает между собой последовательные кадры.
Как было уже сказано, скорость внутреннего кода, или отношение числа символов в информационном кадре к общему числу символов, пере
даваемых в одном кодовом кадре, может изменяться в соответствии с ус
ловиями передачи данных в канале связи и требованиями к скорости пере
дачи данных. Чем выше скорость кода, тем меньше его избыточность и тем меньше его способность исправлять ошибки в канале связи.
а)
Вход
данных
|
|
|
|
|
|
|
L...-______~ Выход У |
|
|
||||
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выход |
|
|||
|
Вход |
(верточное кодирование r = 1/2 |
г--- |
|
Преобразование в последова- |
||||||||
|
данных |
г--- |
|
тельный код с вычеркиванием |
данных |
||||||||
|
|
|
|
||||||||||
В) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
r |
Структура вычеркивания |
|
|
Передаваемая последовательность |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
Х: 1 |
Х1 |
У1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
У: 1 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2/3 |
Х: 10 |
Х1 |
У1 |
У2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
У: 11 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
3/4 |
Х:101 |
Х1 |
У1 |
У2 |
Хз |
|
|
|
|
||
|
|
У: 110 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
5/6 |
Х:10101 |
Х1 |
У1 |
У2 |
Хз |
У4 |
Х5 |
|
|
||
|
|
У: 11010 |
|
|
|||||||||
|
|
7/8 |
Х:1000101 |
Х1 |
У1 |
У2 |
Хз |
У4 |
Х5 Уб Х7 |
|
|
||
|
|
У: 1111010 |
|
|
|||||||||
Рис. 4.27. Схема внутреннего кодирования:
а) структурная схема устройства сверточного кодирования со скоростью r = 1/2; б) кодирование с вычеркиванием; в) таблица кодирования
246 |
4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ |
В системе DVB-Т внутреннее кодирование с изменяемой скоростью
строится с использованием базового кодирования со скоростью 1/2. Осно ву базового кодера представляют собой два цифровых фильтра с конечной импульсной характеристикой, выходные сигналы которых Х и У формиру
ются путем сложения по модулю двух сигналов, снятых с разных точек ли
нии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров (рис. 4.27). Вход
ные данные последовательно вводятся в регистр сдвига, а из выходных
сигналов фильтров после преобразования в последовательную форму соз дается цифровой поток, в котором биты следуют друг за другом в два раза чаще, чем на входе (скорость такого кода равна 1/2, так как на каждый входной бит приходится два выходных).
В режимах с большей скоростью кодирования передается лишь часть генерируемых сигналов Х и У (передаваемые сигналы и их порядок приве дены в таблице рис. 4.27). Например, при скорости 2/3 двум входным би там ставятся в соответствие и передаются в последовательной форме три выходных сигнала (X 1, Y1, У2), а Х2 вычеркивается. При максимальной скорости внутреннего кода, равной 7/8, семи входным битам соответству
ют восемь выходных (X 1, Y1, У2, Уз, У4, Х5, У6, Х7)'
Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов
Внутреннее перемежение в системе DVB-Т тесно связано с модуляци
ей несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежени
ем, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные
несущие колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он являет ся основой принципов модуляции OFDM в системе DVB-T. Внутреннее
перемежение складывается из перемежения бит и перемежения цифровых
символов данных. Его первым этапом является демультиплексирование
входного потока данных. Непосредственно за перемежением следует фор
мирование модуляционных символов.
Демультиплексирование
Отдельные несущие могут модулироваться с использованием квадра
турной фазовой манипуляции QPSK или квадратурной амплитудной мо дуляции QAМ. Сигналы, модулирующие несущую (точнее, синфазное и квадратурное колебания), при таких способах модуляции, являются мно
гоуровневыми, они описываются последовательностями многопозицион
ных символов, которые называются модуляционными. В способе QPSK модулирующий сигнал представляет собой последовательность четырех
позиционных символов, выбираемых из алфавита с четырьмя двухраз рядными двоичными словами (00, 01, 10, 11), которые определяют фазу модулированного колебания. Для формирования таких символов входной последовательный поток бит надо распределить, или демультиплексиро вать на два субпотока, в каждом из которых тактовая частота будет в два раза меньше, чем на входе (рис. 4.28). Для 16-позиционной квадратурной
248 4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАчи СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
каждом субпотоке (их максимальное количество равно шести) перемежение соответствует своему правилу. В процессе перемежения в каждом субпото
ке формируется входной битовый вектор B(e)=(be,o,be,l,...,be,l25), преобра зуемый в выходной А(е)=(ae,o,ae,l,...,ae,l25), элементы которого определя
ются как ae,w =ьеде(w) |
(здесь Не ( w) - функция перестановки бит, е = О, |
1,... , v - 1, w = О, 1, 2, |
... , 125). Функция перестановки определяется раз |
личным образом для устройства перемежения каждого субпотока. Напри мер, для субпотока 10 Ho(w) = w, перестановка фактически отсутствует, а для субпотока 11 перестановка выполняется в соответствии с функцией
H 1(w) = (w + 63)mod 126.
Цифровой символ данных и символ OFDM
ДЛЯ образования цифрового символа данных выходы устройств переме жения субпотоков объединяются таким образом, что каждый символ из v бит
(слово y~, где w = О, 1,2, ..., 125) включает в себя один бит с выхода каждого устройства, причем выход 10 дает старший бит: y~ = (aO,w,al,w, .. .,aV-l,w). в
режиме 2k процесс битового перемежения повторяется 12 раз, в результате чего образуется пакет из 1512 цифровых символов данных (126·12 = 1512), называемый символом OFDM. Именно эти 1512 цифровых символов данных
используются для модуляции 1512 несущих колебаний в интервале одного
символа OFDM (длительность символа OFDM обозначается как Ts). 12 групп
по 126 слов, считываемых последовательно с выхода устройства битового
перемежения, образуют вектор У' = (Ya,Yl," ',Y1511)' в режиме 8k процесс
битового перемежения повторяется 48 раз, что дает 6048 цифровых символов данных (126х48 = 6048), используемых для модуляции 6048 несущих. Это
дает вектор У' =( Уа,Yl,' .. ,У6047 ).
Перемежение цифровых символов данных
Перед формированием модуляционных символов выполняется пере межение цифровых символов данных. Вектор на выходе устройства пере
межения символов У =(YO,Yl,"',YNmax-l) формируется в соответствии с
правилом: YH(q) = Y~ дЛЯ четных символов и Yq = YH(q) для нечетных сим
волов (здесь q = О, ... , N IШJX -1, а N IШJX = 1512 или 6048). Функция H(q) на зывается функцией перестановки символов. Перестановка символов произ водится в пределах блока из 1512 (режим 2k) или 6048 (режим 8k) символов.
Формирование модуляционных символов
Цифровой символ данных У состоит из v бит (как и у'):
Yq' = (Yo,q' ,Yl,q', .. ',YV-l,q'), q' - номер символа на выходе устройства сим
вольного перемежения. Величины У используются для формирования мо дуляционных символов в соответствии с используемым способом модуля
ции несущих. Модуляционные символы z являются комплексными, их ве
щественная и мнимая части отображаются битами Yu,q'. Отображение
производится с использованием кода Грея, поэтому соседние по горизон-