(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy
.pdfГлава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания
При перемежении байты считываются в межкадровом направлении в порядке — A1,1, A2,1, A3,1, . . . , Am,n, где m — номер кадра, а n — номер слота в кадре. Глубина перемежения равна количеству кадров в суперкадре — 8. После перемежения байты считываются в том же порядке, но последовательно по горизонтали
вслотах последовательно передаваемых кадров. После перемежения первый синхронизирующий байт транспортных пакетов MPEG-2 исключается, а все временные метки, обеспечивающие на приемной стороне синхронизацию слотов, кадров и суперкадров, передаются в составе управляющего сигнала TMCC, минимально необходимый интервал обновления которого составляет длительность одного каждого суперкадра.
Исходно сигнал TMCC имеет фиксированную длину в 384 бита (48 байтов),
вего составе передаются следующие данные:
–обновление передаваемой в TMCC информации — 5 битов;
–тип используемого вида модуляции в каждом слоте — 4 бита;
–идентификации передаваемого в каждом слоте MPEG-2 потока — 16 битов;
–флаг экстренного оповещения — 1 бит;
–сведения о канале земля-борт — 4 бита и др.
Внешнее кодирование сигналов TMCC осуществляется сокращенным кодом Рида–Соломона RS (64, 48, t = 8), длина кодовой последовательности становится равной 64 байтам. Эта последовательность разбивается по числу кадров в суперкадре на 8 блоков (рис. 21.61а) и к каждому блоку добавляется по два синхрослова длиной 2 байта:
–синхрослово W1 (1B95HEX) вводится перед началом каждого блока;
–синхрослово W2 (A340HEX) вводится после блока, передаваемого в первом кадре;
–синхрослово W3 (5CBFHEX), инверсное W2, вводится в конце всех остальных блоков.
После формирования блоков сигналы TMCC подвергаются рандомизации (исключая синхрослова) и перемежению, если такой вид обработки используется, а затем мультиплексируются с основным сигналом. Полученный таким образом сигнал подвергается сверточному кодированию, причем при обработке сигнала TMCC используется скорость сверточного кода R = 1/2, а при обработке основного сигнала возможны варианты R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8, используемые для разных сигнально-кодовых конструкций.
После каждых 203 байтов основного сигнала вводится сформированный и рандомизированный сигнал вспышки, который обеспечивает восстановление несущей в приемнике. Длительность сигнала вспышки равна 4 байтам (см. рис. 21.61а). Принцип модуляции вспышки такой же, как и сигнала TMCC. В схеме восстановления несущей в приемнике для устранения дефектов фазовой подстройки частоты кроме вспышки также используются сигналы TMCC.
В системе используется 7 видов схемы модуляции несущей:
–BPSK при скорости сверточного кода R = 1/2;
–QPSK при 5 разных скоростях сверточного кода R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8;
–TS8PSK при скорости сверточного кода R = 2/3.
21.9. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ-вещания ISDB-S |
|
Рис. 21.61. Форма передаваемого сигнала (а) и примеры типов слотов в системе ISDB-S (б)
Прежде чем сигналы I и Q (математически представленные последовательностью дельта функций Дирака, расположенных на расстоянии длительности символа, с соответствующим знаком) будут промодулированы, они должны быть обработаны фильтром, аналогичным применяемому в системе DVB-S с характеристикой (21.41), имеющей фактор спада α = 0,35. Примеры присваивания слотов в каждом кадре системы ISDB приведены на рис. 21.61б.
Так как спектральная эффективность зависит от используемой комбинации вида модуляции и скорости сверточного кодирования, то объем передаваемой информации определяется этой комбинацией. Отношение между числом передаваемых пакетов и числом модулирующих символов определяется выражением:
Ik = 8 · B · Pk , (21.53)
Ek
где k — номер схемы модуляции; Ik, Pk — целые числа переданных символов
и пакетов, соответственно; B = 204 — число байтов в пакете; Ek — спектраль- |
|
ная эффективность. При этом число символов в кадре данных ID равно сумме |
|
частных значений величин |
|
|
|
ID = |
Ik . |
k
Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания
Общее число символов в кадре данных системы ISDB-S равно 38 936, а число символов, включая сигналы TMCC и вспышки, определяется числом 39 936.
В табл. 21.70 иллюстрируются зависимости эффективности и помехоустойчивости системы ISDB-S от используемых видов модуляции.
Таблица 21.70. Спектральная эффективность и помехоустойчивость системы ISDB-S
Вид |
Скорость |
Спектральная |
Отношение С/Ш при квази- |
модуляции |
сверточного кода |
эффективность, бит/(с·Гц) |
безошибочном приеме, дБ |
|
|
|
|
BPSK |
1/2 |
0,35 |
1,0 |
|
|
|
|
|
1/2 |
0,7 |
4,1 |
|
|
|
|
|
2/3 |
0,94 |
6,0 |
QPSK |
|
|
|
3/4 |
1,06 |
7,2 |
|
|
|
|
|
|
5/6 |
1,18 |
8,3 |
|
|
|
|
|
7/8 |
1,24 |
9,2 |
TC8PSK |
2/3 |
1,4 |
10,7 |
|
|
|
|
В табл. 21.71 приведены зависимости скорости передачи полезной информации от полосы пропускания спутникового канала связи и используемых методов модуляции.
Таблица 21.71. Скорости передачи полезной информации
|
Скорость передачи символов, Мсимв/c |
|
|
Скорость передачи полезной |
|
|
||||
Полоса канала, МГц |
|
|
|
нагрузки MPEG потока, |
|
|
||||
|
|
|
|
Мбит/c |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
BPSK, |
|
|
|
QPSK |
|
|
|
TC8PSK, |
||
R = 1/2 |
|
|
|
|
|
|
R = 2/3 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
R = |
|
R = |
R = |
R = |
|
R = |
|
||
|
|
|
1/2 |
|
2/3 |
3/4 |
5/6 |
|
7/8 |
|
36 |
30,1 |
13,6 |
27,2 |
|
36,3 |
40,8 |
45,4 |
|
47,6 |
54,4 |
34,5 |
28,9 |
13,0 |
26,1 |
|
34,8 |
39,1 |
43,5 |
|
45,6 |
52,2 |
33 |
27,6 |
12,5 |
25,0 |
|
33,3 |
37,4 |
41,6 |
|
43.7 |
49,9 |
30 |
25,1 |
11,6 |
23,1 |
|
30,1 |
34,7 |
38,5 |
|
40,5 |
46,3 |
27 |
22,6 |
10,2 |
20,4 |
|
27,2 |
30,6 |
34,0 |
|
35,7 |
40,8 |
24 |
20,1 |
9,1 |
18,1 |
|
24,2 |
27,2 |
30,2 |
|
31,8 |
36,3 |
-
Cистема ISDB-C обеспечивает реализацию функций специального оборудования, выполняющего адаптацию параметров ТВ-сигнала к характеристикам кабельного канала связи. ТВ-сигналы могут поступать на вход оборудования по каналам радиовещания, сети распределения программ, от местных студий и пр. Процесс обработки информации поясняется структурной схемой, приведенной на
21.10. Система цифрового кабельного многопрограммного ТВ-вещания ISDB-С |
|
Рис. 21.62. Конфигурация системы кабельного ТВ вещания ISDB-C |
|
Рис. 21.63. Конфигурация передаваемых сигналов
рис. 21.62 [8.47, 8.48]. На вход системы поступает транспортный поток MPEG-2, каждый пакет которого включает байт синхронизации (47HEX) и 187 байтов информационных данных (рис. 21.63).
Во входном блоке головной станции кабельной системы один из восьми байтов синхронизации инвертируется (B8HEX), а передаваемые данные подвергаются рандомизации с применением схемы рандомизатора/дерандомизатора, аналогичной используемой в стандарте DVB-С.
Вслед за процессом рандомизации распределения энергии выполняется систематическое сокращенное кодирование Рида–Соломона (204, 188, t = 8). Без учета
Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания
Рис. 21.64. Преобразование байтов в символы (а) и структуры преобразования символов с использованием дифференциального кодирования двух старших битов информации для созвездий 16-QAM и 256-QAM (б)
синхробайтов цифровой поток содержит 203 байта информации, 16 байтов из которых обеспечивают коррекцию ошибок.
Затем следует сверточный перемежитель, состоящий из l = 12 звеньев, циклически присоединенных к входному потоку байтов с помощью коммутатора. Каждое звено представляет собой регистр FIFO размером M ×j ячеек (M = 17 = N/l, N = 204 — длина защищенного от ошибок кадра, l = 12 — глубина перемежения, j — индекс звена).
После сверточного перемежения производится точное перекодирование байтов в символы. Перекодирование должно быть основано на использовании границ байтов в системе модуляции, как показано на рис. 21.64а для двух используемых в системе вариантов созвездий — 16-QAM и 256-QAM. Длина символов m = log2 M , где M — число позиций QAM-созвездия.
Для устранения потерь из-за скачков фазы несущей так же, как и в системе DVB-C, применяется дифференциальное кодирование двух старших битов (Ak и Bk) последовательности символов, определяемых соотношением (21.43). Примеры структуры преобразования символов с использованием дифференциального кодирования двух старших битов информации для созвездий 16-QAM и 256-QAM приведены на рис. 21.64б.
До подачи на QAM-модулятор сформированные таким образом символы подвергаются стандартной фильтрации с использованием ФНЧ, склон характеристики которого соответствует соотношению (21.41) при коэффициенте α = 0,13. Допустимые изменения АЧХ такого фильтра приведены на рис. 21.65.
Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания
Рис. 21.66. Структурная схема передачи и приема видеоинформации в системе DTMB
(а) и блок-схема ее передающей части (б)
сокращенно обозначают как DMB-T/H, поскольку он обеспечивает возможность эфирной передачи мультимедийных данных и воспроизведения ТВ-сигналов на малоразмерных ручных приемниках.
Структура системы DTMB и блок-схема ее передающей части приведены на рис. 21.66 [8.50–8.55].
Входной транспортный поток данных, сформированный на выходе транспортного мультиплексора (рис. 21.66а) поступает на вход рандомизатора (рис. 21.66б), выполненного в виде 15 разрядного регистра сдвига. Порождающий генераторный полином для псевдослучайной двоичной последовательности имеет вид, определенный соотношением (21.3). Загрузка последовательности «100101010000000»
врегистры статистического кодера может инициироваться при запуске от 2 до 12 транспортных пакетов.
Предварительная коррекция ошибок осуществляется с использованием внешнего кодера BCH, формирующего укороченный код из кода BCH (1023, 1013), и внутреннего кодера LDPC с тремя возможными скоростями: 2/5 — LDPC
(7488, 3048); 3/5 — LDPC (7488, 4572); 4/5 — LDPC (7488, 6096). Преобразователь данных и перемежитель обеспечивают формирование сим-
вольной последовательности и временное перемежение блоков данных. Стандарт предусматривает пять вариантов звездных диаграмм — 64-QAM,
32-QAM, 16-QAM, 4-QAM и 4-QAM-NR. Важно отметить, что в процессе модуляции 4-QAM-NR при формировании сигнала добавляется квазиортогональный код Нордстрема–Робинсона [8.56] перед использованием 4-QAM-отображения.
Перемежитель блоков данных содержит коммутатор на B = 52 положения,
вкаждом из которых осуществляется задержка блока длительностью M битов на
21.11. Система цифрового наземного телевизионного вещания DTMB
M ·j интервалов, где j = 0, 1, . . . , (B−1). Стандарт предусматривает возможность использования M = 240 или 720 битов c предпочтением M = 720.
Взависимости от принципов обработки сигналов с использованием обратного дискретного преобразования Фурье в системе возможна реализация двух режимов передачи — с множеством несущих (C = 3780), на каждой из которых передается один символ с использованием OFDM-модуляции, и с одной несущей (C = 1), обеспечивающей передачу 3780 точек ОБПФ при опциональном вводе пилотной несущей (на уровне — 16 дБ и смещением по частоте на 1/2 передаваемого символа).
Врежиме с множеством несущих в качестве базисного элемента используется сигнальный кадр фиксированной длительности в 500 мкс, он состоит из 3780 символов, 3744 из которых используются для передачи полезной информации, а 36 символами передается системная информация, формируемая специальным датчиком (см. рис. 21.66б).
Для устранения влияния интерференционных помех сигнальный кадр дополняется защитным интервалом, длительность которого составляет 1/9 (55,6 мкс), 1/6 (78,7 мкс) или 1/4 (125 мкс) часть активной длительности символа.
Всистеме используется технология модуляции цифровых сигналов ортогональным частотным и синхронным разделением по времени TDS-OFDM. Для разделения двух соседних кадров структуры заголовок цикла данных содержит псевдослучайную последовательность PN, используемую вместо защитного интервала. При этом применяется три варианта последовательности — PN420, PN595 или PN945 (цифры указывают количество используемых символов, а интервалы их передачи соответственно равны 55,6, 78,7 и 125 мкс). Применение PN-последовательностей в TDS-OFDM заменяет использование непрерывных и рассеянных пилотных несущих. Они используются на приемной стороне в качестве проверочных, повышающих эффективность оценки состояния канала, коррекции его параметров и ускоряющих синхронизацию работы приемника. PN-по- следовательность может быть либо фиксированной, либо изменяющейся, при которой передается уникальный адрес сигнального кадра в пределах структуры суперкадра.
На рис. 21.67 приведена иерархическая структура кадров в системе DTMB, из которой видно, что в составе суперкадра длительностью 125 мс обеспечивается передача 225, 216 или 200 кадров в зависимости от используемой длительности PN-последовательности.
Впроцессе формирования OFDM-сигнала составляющие I и Q фильтруются ФНЧ, характеристика которого соответствует соотношению (21.43) при факторе спада α = 0,05. Основные параметры обработки сигналов в системе приведены
втабл. 21.73.
Втабл. 21.74 приведены значения пропускной способности системы при различных методах модуляции, скорости канального кодирования и величин PN-по- следовательностей, в табл. 21.75 — пороговые отношения мощности несущей к шуму для различных каналов связи.
Система DTMB также обеспечивает реализацию мобильного сервиса, при котором используется протокол многоканального вещания (MPE). При этом обеспечивается передача от 20 до 30 телевизионных программ. В отличие от стандартной передачи нескольких программ, как показано на рис. 21.68а, в базовой
Глава 21. Стандарты цифрового телевизионного вещания
Рис. 21.67. Иерархическая структура кадров системы DTMB
конструкции MPE предусмотрена трансляция каждой программы с разбиением на временные слайсы (рис. 21.68б).
Таблица 21.73. Основные параметры системы DTMB
Наименование параметров |
Значение параметров |
|
|
|
|
Номинальная полоса канала связи |
8 МГц |
|
|
|
|
Используемая полоса частот |
7,56 МГц (TDS-OFDM) |
|
|
|
|
Число несущих |
C = 1 или C = 3780 |
|
|
|
|
Вид используемого созвездия |
64-QAM, 32-QAM, 16-QAM, 4-QAM, |
|
4-QAM-NR |
||
|
||
Активная часть длительности символа |
500 мкс |
|
Разнос несущих при C = 3780 |
2000 Гц (режим 4К) |
|
Длительность защитного интервала |
1/9 (55,6 мкс), 1/6 (78,7 мкс), 1/4 (125 мкс) |
|
Общая длительность символа |
555,6; 578,7; 625 мкс |
|
|
|
|
Внутреннее канальное кодирование |
LDPC |
|
|
|
|
Скорости внутреннего кодирования |
2/5 (7488, 3048), 3/5 (7488, 4572), |
|
4/5 (7488, 6096) |
||
|
||
|
|
|
Внешнее канальное кодирование |
BCH (762, 752) |
|
|
|
|
Параметры внешнего перемежения |
B = 52; M = 240 или 720 |
|
|
|
|
Рандомизация данных |
Порождающий генераторный полином: |
|
1 + x14 + x15 |
||
Синхронизация по времени и частоте |
PN420, PN595, PN945 |
|
Сигнализация о параметрах передачи (TPS) |
32 несущих TPS, модуляция 4-QAM |
|
Полезная скорость передачи |
от 4,81 до 32,49 Мбит/с |
21.12. Эффективность использования систем цифрового ТВ-вещания в России
Таблица 21.73 (окончание)
|
Наименование параметров |
|
|
|
|
Значение параметров |
|
|
|
||||||||||||||||
|
Отношение мощности несущец к шуму |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
в канале с аддитивным белым гауссовским |
|
|
|
от 2,5 до 22,0 дБ |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
шумом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Коэффициент скругления характеристики |
|
|
|
|
α = 0,05 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
фильтра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Таблица 21.74. Пропускная способность системы DTMB, Мбит/с |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скорость кода |
|
|
2/5 |
|
|
|
|
|
|
|
3/5 |
|
|
|
|
4/5 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Тип подуляции |
PN420 |
PN595 |
|
PN945 |
PN420 |
PN595 |
PN945 |
|
PN420 |
|
PN595 |
|
PN945 |
|
||||||||||
|
4-QAM-NR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,414 |
|
5,198 |
|
4,813 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4-QAM |
|
5,414 |
|
5,198 |
|
4,813 |
|
8,122 |
|
7,797 |
7,219 |
10,829 |
|
10,396 |
|
9,626 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16-QAM |
|
10,829 |
|
10,396 |
|
9,626 |
|
16,243 |
|
15,593 |
14,438 |
21,658 |
|
20,791 |
|
19,251 |
|
|||||||
|
32-QAM |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
27,072 |
|
25,989 |
|
24,064 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
64-QAM |
|
16,243 |
|
15,593 |
|
14,438 |
24,365 |
|
23,390 |
21,568 |
32,486 |
|
31,187 |
|
28,877 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Таблица 21.75. Пороговое отношение сигнал/шум, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Скорость кода |
|
|
|
|
2/5 |
|
|
|
|
|
|
|
3/5 |
|
|
|
|
4/5 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Тип |
|
Канал |
Канал |
|
Канал |
|
Канал |
|
Канал |
Канал |
|
Канал |
|
Канал |
Канал |
|||||||||
|
модуляции |
|
Гаусса |
|
Райса |
|
Релея |
|
Гаусса |
|
Райса |
Релея |
|
Гаусса |
|
Райса |
|
Релея |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4-QAM-NR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,5 |
|
|
3,5 |
|
|
4,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
4-QAM |
|
2,5 |
|
3,5 |
|
4,5 |
|
4,5 |
|
|
5,0 |
7,0 |
|
7,0 |
|
|
8,0 |
|
|
12,0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
16-QAM |
|
8,0 |
|
9,0 |
|
10,0 |
|
11,0 |
|
|
12,0 |
14,0 |
|
14,0 |
|
|
15,0 |
|
|
18,0 |
||||
|
32-QAM |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16,0 |
|
|
17,0 |
|
|
21,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
64-QAM |
|
14,0 |
|
15,0 |
|
16,0 |
|
17,0 |
|
|
18,0 |
20,0 |
|
22,0 |
|
|
23,0 |
|
|
28,0 |
В табл. 21.76 даны величины порогового отношения мощности несущей к шуму при мобильном приеме (fd — доплеровский сдвиг частоты сигнала).
-
Применение и развитие современных систем цифрового телевизионного вещания связано с усовершенствованием и созданием новых видеоинформационных систем, реализацией эффективных методов сжатия видеоинформации и ее передачи в реальных сетях связи и вещания.
Наиболее эффективным стандартом сжатия видеоинформации в настоящее время является Н.264/AVC (MPEG-4 Part 10). Несмотря на то что он существенно превосходит по эффективности кодирования иные стандарты, мировое сообщество продолжает поиск более совершенных методов обработки. Это обусловлено процессом развития современных видеоинформационных систем и возросшей потребностью в новых, более эффективных методах сжатия для систем с одной (ТВ, ТВЧ, ТУВЧ) или несколькими (3D-TV, Multiview, FTV) точками наблюдения, а также возросшими требованиями к помехоустойчивости.