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

При иерархической передаче на вход устройства внутреннего переме­

жения поступает два потока данных - высшего приоритета (Ха,хi,Х2,ХЗ,"')

и низшего (ха,х)',х;,хЗ,...). Поток высшего приоритета демультиплексиру­ ется всегда на два субпотока (Ха - Ьо,о,Ха - b1,O) , а поток низшего приоритета -

на (У - 2) субпотоков (Ха -Ь2,о,Ха -Ьз,о в случае QAМ-16, Ха -Ь2,о, Х)'-Ь4,о,

Х; -Ьз,о,Хз -bs,o в случае QAМ-64).

При иерархической передаче применяется неоднородная квадратурная модуляция. В случае иерархического декодирования демодуляция произ­

водится так, как будто модуляция была выполнена по способу квадратур­ ной фазовой манипуляции. При этом достаточно определить лишь пара­ метры группы из четырех бит и извлечь биты высшего приоритета Уол' и Yl,q" Такая процедура может быть выполнена без ошибок при сравнительно большом уровне помех, так как группы отстоят друг от друга на б6льшее

расстояние, чем отдельные точки внутри группы. Если уровень помех

сравнительно невелик, то можно различить положения отдельных точек

внутри каждой группы и в процессе демодуляции по способу QAМ-16 из­

влечь и биты низшего приоритетаУ2,q' ИУз,q"

Расположение точек векторной диаграммы зависит от параметра мо­

дуляции, обозначаемого в системе DVB-Т буквой Х (коэффициент нерав­ номерности сигнального созвездия). Стандарт DVB-Т предусматривает три

значения параметра Х. При использовании однородной модуляции пара­ метр устанавливается равным 1, в случае неоднородной: Х = 2 или Х = 4.

Модуляция OFDM и преобразование Фурье

Рассмотрим модуляцию несуших. Независимо от способа (QPSK или QAМ) модулированное колебание представляет собой сумму синфазной компоненты (косинусоиды) с амплитудой, равной вещественной части нор­ мированного комплексного модуляционного символа Re{ с} = Cl, И квадра­

турной компоненты с амплитудой, равной мнимой части модуляционного

символа 1т{с} = CQ. Значения модуляционных символов в процессе переда­

чи меняются в соответствии с передаваемыми данными. Таким образом, на­

до умножать опорное синфазное колебание на вещественные части ком­

плeKcHыx символов Cl, квадратурное колебание - на мнимые части CQ, а ре­ зультаты перемножения - складывать. Эту операцию можно выполнять раз­

личными способами. Например, можно все эти действия выполнять в циф­ ровой форме, а обработанные данные подвергать затем цифроаналоговому преобразованию. Но можно сначала осуществить цифроаналоговое преоб­

разование вещественной и мнимой частей комплексных модуляционных

символов, а умножение их на синфазное и квадратурное колебания (а это есть не что иное, как амплитудная модуляция) и сложение выполнять в ана­ логовой форме. Учитывая, что для формирования излучаемого сигнала на частоте выбранного канала модуляцию приходится выполнять сначала на промежуточной частоте, а затем прибегать к преобразованию частоты, то есть к переносу спектра сигнала в полосу частот выбранного канала веща-

лы для обратного преобразования Фурье и радиосигнала OFDM становятся тождественными, если положить N = Тu/ Т и ввести в формулу для сигнала OFDM суммирование от О дО (N - 1), причем считать нулевыми значения

модуляционных символов для вновь введенных дополнительных номеров.

Тогда становится ясным, что частотное уплотнение с ортогональными не­

СУlЦИМИ представляет собой обратное дискретное преобразование Фурье (точнее, его веlЦественную часть).

Но надо ли ОСУlЦествлять модуляцию OFDM в виде обратного преоб­ разования Фурье? Ведь это всего лишь способ математического описания, а частотное уплотнение можно получить традиционным способом, то есть с использованием обычных модуляторов. Однако, если бы переход к пре­ образованию Фурье не был бы сделан, то модуляция OFDM имела бы ма­ лые шансы на практическую реализацию. ПреИМУlЦества системы OFDM проявляются при очень большом числе несуlЦИХ (например, при несколь­ ких тысячах), но в этом случае прямое аппаратурное формирование сигна­ ла OFDM потребовало бы огромных схемотехнических затрат в виде тысяч

генераторов и модуляторов в передатчике и такого же числа детекторов в

приемнике. Маловероятно, что такая схема была бы реализована. А для прямого И обратного дискретного преобразования Фурье в последние деся­

тилетия разработаны быстрые и эффективные алгоритмы, их так и назы­ BaюT - алгоритмы быстрого nреобразования Фурье (БПФ и ОБПФ), и соз­

даны процессоры БПФ в виде больших интегральных схем. Формула для сигнала OFDM, предстаВЛЯЮlЦая веlЦественную часть обратного преобра­

зования Фурье и регламеНТИРУЮlЦая формирование радиосигнала, пред­

ставляет собой важную часть стандарта DVB-T, поскольку именно она оп­

ределяет алгоритм практической реализации предлагаемого в стандарте

способа модуляции OFDM.

Отношение Тu/N = Т (здесь N - размер массива БПФ), опредеЛЯЮlЦее интервал дискретизации в формуле (4.7), играет важную роль в специфи­

кации стандарта DVB-Т. Величина l/Т называется системной тактовой частотой. И время символа, и заlЦИТНЫЙ интервал являются целыми крат­ ными Т. В системе DVB-T, рассчитанной на каналы шириной 8 МГц, сис­ темная тактовая частота равна l/Т = 64/7 МГц. Эта величина является оп­

тимальной с точки зрения уменьшения интерференционных помех из-за

взаимодействия с излучаемыми радиосигналами аналогового телевидения.

Система DVB-Т была изначально спроектирована для шага средних частот каналов 8 МГц, принятого В Европе для дециметрового частотного диапазона. Однако система легко может быть приспособлена к другим диапазонам с измененным шагом. Для перехода к 7 МГц каналам необхо­ димо заменить системную тактовую частоту на 8 МГц. При этом сохраняет­

ся вся структура обработки сигналов (можно использовать одни и те же ин­ тегральные схемы для обработки), но объем передаваемых данных состав­ ляет лишь 7/8 от исходного. Для перехода к каналу шириной 6 МГц следует использовать системную тактовую частоту МГц.

МГц

Рис. 4.30. Спектр мощности радиосигнала OFDM (защитный интервал Тu/4,!с - центральная частота)

величину защитного интервала. В связи с этим основной лепесток спек­

тральной плотности мощности одной несущей несколько меньше удвоен­

ного расстояния между несущими, поэтому спектральная плотность мощ­

ности сигнала OFDM в номинальной полосе частот (7,608258 МГц в режи­ ме 2k и 7,611607 МГц в режиме 8k) не является постоянной. Уровень мощ­

ности на частотах вне номинальной полосы может быть уменьшен с по­

мощью соответствующих фильтров.

Многолучевой прием

Многолучевой прием - явление, типичное для наземного телевизи­ онного вещания. Если, наряду с основным радиосигналом, принимается, например, сигнал, отраженный от какого-либо препятствия и пришедший

к приемной антенне с задержкой, на экране появляется повтор, то есть

копия изображения, сдвинутая по горизонтали. Если интенсивность по­

втора велика (отраженный сигнал сравним с основным), то изображение

становится неприемлемым. Бороться с повторами можно, например, пу­

тем использования узконаправленных приемных антенн.

Возможен и частотный подход к оценке многолучевого приема. В ре­

зультате интерференции радиосигналов, пришедших в точку приема с раз­

ными задержками, некоторые частотные компоненты радиосигнала ослаб­

ляются, а некоторые - усиливаются, что приводит к неравномерности час-

Частоты несущих колебаний OFDM

Рис. 4.31. Влияние многолучевого приема на частотную характеристику канала и спектр принимаемого радиосигнала OFDM

Если эхо-сигнал О дБ имеет задержку меньшую, чем 1/4 от величины полезного интервала, то провалы в частотной характеристике будут сле­ довать реже, но зато захватывать сразу большое число несущих. В этом

случае помогает внутреннее перемежение, являющееся, по сути дела, час­

тотным перемежением, в процессе которого переставляются данные, пе­

реносимые несущими с разными частотами. Таким образом, внутреннее кодирование и перемежение предотвращают появление пакетов ошибоч­ ных бит, одновременно снижая частоту следования ошибок до приемле­ мой величины. Завершает процесс борьбы с ошибками внешнее кодиро­ вание и перемежение, которые исправляют как битовые ошибки, так и ошибочные байты, то есть они эффективны в борьбе с большими пакет­ ными ошибками.

Формирование данных и структура сигналов

Сигнал, получаемый в способе модуляции с частотным уплотнением,

состоит из многих модулированных несущих, поэтому каждый символ

OFDM может рассматриваться как совокупность элементарных пакетов

бит (ячеек данных), каждый из которых переносится одной несущей за

длительность Ts одного символа. Количество бит, переносимое одной не­ сущей за интервал передачи одного модуляционного символа Ts, зависит

от способа модуляции несущих - это 2 бита для квадратурной фазовой ма­

нипуляции,4 бита для квадратурной амплитудной модуляции QAМ-16 и 6 бит для модуляции QAМ-64.

Передаваемый сигнал организуется в виде кадров (рис. 4.33). Каждый

кадр состоит из 68 символов OFDM, нумеруемых от О до 67. Четыре по­ следовательных кадра образуют суnеркадр. При выбранной структуре

кадра в одном суперкадре всегда содержится целое число пакетов длиной

204 байта (рандомизированных транспортных пакетов МPEG-2, снабжен­ ных для защиты от ошибок проверочными байтами кода Рида-Соломона).

Каждый символ длительностью Ts образуется путем модуляции 1705

несущих в режиме 2k и 6817 несущих в режиме 8k, которые образуют

ячейки с частотно-временн6й структурой. Интервал Ts состоит из двух компонентов: интервала ТU, во время которого передаются входные дан­

ные передатчика, то есть полезная информация (интервал Ти и называется полезным), и защитного интервала ТG. Защитный интервал представляет

собой копию, или циклическое повторение части полезного интервала, ко­

торая вставляется перед полезным (рис. 4.34). Поскольку сигнал OFDM

содержит много раздельно модулированных несущих, то каждый символ

OFDM структурно разделен на ячейки, соответствующие отдельно взятой

модулированной несущей в пределах одного символа.

В дополнение к данным в символе OFDM передаются опорные сигна­ лы, структура которых известна приемнику, а также информация о пара­

метрах передачи TPS (Transport Parameter Signaling).

ЕВ непрерывный пилот-сигнал

8 распределенный пилот-сигнал

8сигнал пара метров передачи

Оданные

Длительность символа Ts

Рис. 4.34. Структура сигнала OFDM на интервале передачи

одного символа OFDM

Опорные сигналы, называемые пилот-сигналами, получаются в ре­ зультате модуляции несущих псевдослучайной последовательностью. Пи­ лот-сигналы используются прежде всего для синхронизации. Они распре­ делены во времени и в частотном спектре символов OFDM, их амплитуды

и фазы известны в точке приема, поэтому их можно использовать также

для получения сведений о характеристиках канала передачи. В системе DVB-T используются два типа пилот-сигналов: непрерывные и распреде­ ленные. Непрерывные пилот-сигналы передаются на одних и тех же несу­ щих в каждом символе OFDM, распределенные - рассеяны определенным

образом во времени и в частотном диапазоне. Несущие, на которых пере­ даются непрерывные и распределенные (рассредоточенные) пилот-сигна­ лы, имеют добавочную мощность в соотношении 16/9 относительно мощ­

ности несущих полезных данных. Непрерывные пилот-сигналы могут ис-

пользоваться для синхронизации и оценки фазовых шумов канала, распре­

деленные - для оценки характеристик канала посредством временн6й и

частотной интерполяции. Необходимость передачи распределенных пилот­ сигналов является принципиальной особенностью систем передачи с OFDM-модуляциеЙ. Использование временн6й интерполяции в промежут­

ках между распределенными пилот-сигналами при достаточной мощности

принимаемого сигнала может помочь для улучшения приема на движу­

щихся объектах, например, на поездах и автомобилях.

В системе DVB-T независимо от режима передачи каждая двенадца­ тая модулированная несущая в частотном спектре символа OFDM явля­ ется распределенным пилот-сигналом, то есть они занимают 8% от общего объема передаваемых данных в пределах кадра. Данная пропорция и схема размещения рассеянных пилот-сигналов позволяет выровнять сигналы с защитным интервалом 1/4. Однако для меньших защитных ин­ тервалов доля распределенных пилот-сигналов в количестве 8% объема передаваемой информации оказывается избыточной. Доля непрерывных

пилот-сигналов к общему количеству модулированных несущих кадра

OFDM достигает 2,6%.

Сигналы параметров передачи используются для сообщения прием­

нику параметров системы, относящихся к канальному кодированию и мо­

дуляции: способ передачи - иерархический или неиерархический, пара­

метры модуляции, величина защитного интервала, скорость внутреннего

кода, режим передачи - 2k или 8k, номер кадра в суперкадре. Эти сведения

могут использоваться приемником для быстрой настройки. Сигналы пара­ метров передаются на 68 последовательных символах OFDM, обозначае­ мых как кадр OFDM. Каждый символ OFDM переносит один бит, относя­ щийся К сигналам параметров передачи. Блок данных, соответствующий одному кадру OFDM, содержит 68 бит, назначение которых устанавлива­ ется следующим образом:

1 бит - инициализация;

16 бит - синхронизация;

-37 бит - сигнальная информация; 14 бит - проверочные биты для обнаружения и исправления ошибок,

возникающих в канале связи.

Из 37 информационных бит сейчас используется 23, остальные 14

представляют собой резерв на будущее. Проверочные биты вычисляются в соответствии с правилами статистического кодирования Боуза-Чоудхури­ Хоквингема. Помехозащищенности данных, переносимых сигналами па­ раметров передачи, способствует и способ модуляции. Каждая несущая, переносящая сигналы параметров передачи, модулируется по способу

дифференциальной двоичной фазовой манипуляции (DBSK - Differential Binary Phase Shift Keying), в соответствии с которой фаза несущей меняет­

ся на противоположную от символа к символу, если передаваемые данные

равны единице, и не меняется, если передаваемые данные равны нулю.

Естественным является вопрос, почему используются в символах

OFDM лишь 1705 и 6817 несущих, хотя преобразователь Фурье в качестве модулятора OFDM допускает 2048 и 8192 несущих? Число несущих, пере­

носящих данные, пилот-сигналы и сигналы параметров передачи, установ­

лено по следующим требованиям:

общая структура кадра для режимов 2k и 8k;

достаточная величина защитного частотного интервала между двумя

соседними блоками несущих; максимальная пропускная способность канала;

достаточное количество пилот-сигналов для получения информации о

канале передачи;

одинаковое число несущих, переносящих полезные данные, в каждом

символе OFDM;

целое число МPEG-2 транспортных пакетов, переносимых в пределах

одного суперкадра, независимо от режима передачи.

Причем число несущих с полезными данными (телевизионной ин­ формацией) в каждом символе OFDM должно быть равным 1512 для ре­ жима 2k и 6048 для режима 8k, остальные несущие используются для пере­ дачи служебной информации.

Параметры системы DVB-Т

Основные параметры, характеризующие передачу данных в системе DVВ-T, приведены в табл. 4.2. Число полезных несущих в обоих режимах отличается ровно в четыре раза. Если учесть, что и длительность полезного

интервала при переходе от режима к режиму также меняется в четыре раза,

то такой важный параметр, как частота следования символов данных Rs, ока­ зывается в двух режимах одинаковым и равным 6,75 миллионам символов в

секунду (Rs = 1512/224 мкс = 6048/896 мкс = 6,75 МГц = 6,75 Мегасимвол/с).