4.6. Основные положения нового стандарта цифрового наземного телевидения dvb-t2
Вторая версия стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T2, разработанная в рамках консорциумаDVBв 2008 году для передачи программ ТВЧ, обеспечивает, как минимум, 30%-ный прирост пропускной способности эфирных каналов, возможно и 50%-ное увеличение по сравнению с системой DVB-T [41].
Какой именно выигрыш можно получить, зависит от применяемых режимов модуляции несущих и построения сети. Максимальным такой выигрыш будет в одночастотных сетях.
При разработке нового стандарта было обеспечено выполнение следующих предварительно сформулированных коммерческих требований:
Сигналы системы DVB-T2 должны приниматься на существующие домашние фиксированные и портативные антенны.
Переход на новый стандарт не должен сопровождаться изменением инфраструктуры передающей телевизионной сети.
Новый стандарт должен улучшить работу одночастотных сетей телевизионного вещания.
Введено распределение несущих COFDM между логическими потоками информации, так называемымиPhysicalLayerPipes(PLP). В системе DVB-T вся полоса используется для передачи одного транспортного потока. В DVB-T2 возможна одновременная передача нескольких транспортных потоков, каждый из которых помещается в свою PLP. Возможны два режима работы «Режим А» – с передачей одной PLP и «Режим В» – с передачей нескольких. Таким образом,DVB-T2 допускает возможность сосуществования в одном радиочастотном канале сигналов, передаваемых с разной степенью помехоустойчивости. Например, часть сигналов, передаваемых по одному радиоканалу шириной 8 МГц, может быть предназначена для телеприема на направленные антенны, установленные на крышах зданий, а часть – для приема на комнатные портативные антенны.
Для снижения эксплуатационных расходов в системе DVB-T2 возможно снижение отношения пиковой и средней мощности передаваемого сигнала.
Основной принцип разработки стандарта DVB-T2 заключался в том, чтобы он был максимально совместимым со стандартомDVB-T.
Бóльшая часть технических решений, использованная при создании стандарта DVB-T2, была направлена на максимальное увеличение пропускной способности радиоканала. Ряд опций – новые размерности массива быстрого преобразования Фурье (FFT) и защитных интервалов, а также совокупность режима введения пилот-сигналов были введены для возможности оптимизации параметров в зависимости от характеристик конкретного радиоканала.
Канальное кодирование, часто называемое FEC-кодированием, используемое в системеDVB-T2 с целью обеспечения высокой помехоустойчивости передаваемой информации за счет исправления ошибок, также является каскадным. В качестве внешнего кода применяется короткий циклический код БЧХ. Для устранения ошибок, оставшихся после БЧХ-декодирования, данные дополнительно защищаютсякодом с низкой плотностью проверки на четность (LDPCcode).
Практическое использование данного кода стало возможным только в последнее время благодаря достижениям в области полупроводниковых технологий.
В случае использования кода LDPC доступны следующие значения относительной скорости кодирования: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10, которые определяются типом модуляции и качеством используемого канала передачи. В системе телевизионного вещания DVB-T2 после кода LDPC предусмотрено применение кода БЧХ с очень высокой относительной скоростью (около 0,99). Этот код с малой корректирующей способностью введен для снижения порога коррекции устройства кодирования LDPC. Порог коррекции присутствует у всех интерактивных схем кодирования, к которым относятся турбокоды. Он проявляется в том, что при декодировании всегда остается некоторое количество ошибок, неподдающихся коррекции при последующих итерациях.
Используемые в системе DVB-T2 коды LDPC настолько эффективны, что их применение позволяет обеспечить помехоустойчивость на уровне системы DVB-T, но добиться при этом передачи цифровых данных практически с двукратной скоростью.
Выигрыш в уровне отношения сигнал/шум за счет нового FEC-кодирования может составлять до 3 дБ для типичного уровня ошибок и при одинаковой доле контрольных символов.
Передаваемые в системе DVB-T2 данные пакетируются в базовые кадры, заголовок которых содержит информацию о характере данных (рис. 4.35). Эффективность LDPC-кодирования особенно высока при кодировании длинных последовательностей. Поэтому полная длина базового кадра с наложенным помехозащитным кодированием составляет 64 800 бит. В рамках стандарта DVB-T2 доля контрольных бит помехозащитных кодов может колебаться от 15 до 50%. В качестве опции допускается и более короткий вариант базового кадра – длиной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема сигналов низкоскоростных услуг.
Данные, передаваемые внутри базового кадра, как правило, представляют собой последовательность пакетов транспортного потока MPEG-2.
Для системы DVB-T2 также выбран способ модуляцииOFDMс защитным интервалом. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, в которых сигналы с соседних радиопередатчиков могут приходить к приемнику со значительным запаздыванием относительно основного сигнала.
Рис. 4.35.Структура базового кадра системыDVB-T2 с помехозащитным кодированием
Для возможности удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме передаваемых данных в стандарте DVB-T2 были введены два новых режима – 16kи 32kс соответствующим увеличением числа ортогональных несущих. При этом абсолютная величина защитного интервалаTGсохраняется, но его доля в общем объеме передаваемых данных снижается.
Максимальная длительность защитного интервала в системе DVB-T2 достигается в режиме 32kпри отношенииTGк длине всего символа данныхTs19/128. ДлительностьTGв этом случае превышает 500 мкс, чего вполне достаточно для строительства крупной общегосударственной одночастотной сети.
Таким образом, система DVB-T2 предлагает более широкий ряд размерностей массиваFFTи защитных интервалов. А именно:
размерности массива FFT: 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k;
относительная длительность защитных интервалов по отношению к длительности символа данных (TG/Ts): 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.
Высший способ модуляции по фазе и амплитуде отдельных несущих в стандарте DVB-T–QAM-64, что обеспечивает передачу 6 бит одним символом (одной модулированной несущей). В системеDVB-T2 в качестве высшей модуляции используетсяQAM-256, которая позволяет передавать одним символом 8 бит. Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом, эксперименты показали, чтоFEC-кодирование с помощью кодаLDPCобеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования радиоканала по сравнению с системойDVB-Tпри типовых условиях передачи. Таким образом, введение режима QAM-256 стало возможным благодаря кодам LDPC.
В цифровых телевизионных системах с OFDM-модуляцией используютсяраспределенные пилот-сигналы. Приемнику известны параметры модуляции пилот-сигналов, и он может использовать их для оценки состояния радиоканала. В системеDVB-Tкаждый двенадцатый модулированный элемент является пилот-сигналом, то есть они занимают 8% в общем объеме данных. Однако для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8% оказывается избыточной. Поэтому стандартDVB-T2 предусматривает восемь разных вариантов размещения пилот-сигналов. Каждому варианту относительной длительности защитного интервала соответствует несколько возможных опций размещения пилот-сигналов. Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для снижения требуемого уровня отношения сигнал/шум на входе приемника или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной последовательностью.
В системе DVB-T2 используются три варианта перемежения:
а) битовый перемежительрандомизирует биты в пределах базового кадра с помехозащитным кодированием;
Рис. 4.36.Схема поворота сигнального созвездия модуляцииQAM-16 на векторной диаграмме
б) временнóй перемежительперераспределяет данные базового кадра с помехозащитным кодированием по символамOFDMв рамках кадраDVB-T2. Таким образом, информация, потерянная в один период времени, может быть восстановлена с использованием информации, передаваемой в другой период времени, что обеспечивает противодействие импульсным помехам;
в) частотный перемежитель рандомизирует данные в рамках OFDM-символа с целью ослабить эффект селективных частотных замираний.
В системе DVB-T2 применяется новый способ поворота на определенный угол сигнального созвездияQAM-модуляции на векторной диаграмме (рис. 4.36).
За счет поворота сигнального созвездия на точно подобранный угол каждая его точка приобретает уникальные координаты QиJ, неповторяемые остальными точками. Причем каждая координата сигнальной точки обрабатывается в модуляторе отдельно, замешиваясь с координатами других сигнальных точек. КоординатыQиJотдельных сигнальных точек могут передаваться на разныхOFDM-несущих и в разныхOFDM-символах. В приемнике координатыQиJвновь объединяются, формируя исходное сигнальное созвездие, сдвинутое на некоторый угол.
Таким образом, если одна несущая или OFDM-символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, это позволит восстановить символ данных, хотя и с более низким уровнем отношения сигнал/шум. При использовании неповернутого сигнального созвездия разнесение координат Q и J не имеет смысла потому, что символ данных может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание.
Опытная эксплуатация системы DVB-T2 показала, что выигрыш в отношении сигнал/шум за счет применения способа поворота сигнального созвездияQAM-модуляции на определенный угол может доходить до 5 дБ.
Рис. 4.37.Огибающая спектра мощности радиосигнала в случае расширенного режима модуляции COFDM
Использование в системе DVB-T2 режимов 16kи 32kпозволяет реализовать расширенный режим модуляции COFDM. Дело в том, что сигнал COFDM имеет «плечи», которые залезают на соседние частотные участки и являются помехой для располагающихся там сигналов (рис. 4.37). Эти «плечи» – следствие особенностей формирования сигнала COFDM и избавиться от них полностью невозможно. Однако в режимах 16kи 32kспектр излучаемого радиосигнала спадает более быстро на границах полосы, что позволило увеличить число несущих, используемых для передачи данных, и пропускную способность еще на 2% за счет расширения полосы занимаемых частот.
Для оценки потенциальных возможностей двух систем (DVB-TиDVB-T2) в табл. 4.4 приведены основные параметры их функционирования, позволяющие, в первую очередь, оценить пропускную способность эфирных радиоканалов.
Из анализа приведенных в табл. 4.4 параметров следует, что система DVB-T2 по сравнению с системойDVB-Tв большей степени адаптивна к задачам, решаемым операторами эфирного вещания, а именно: покрытие определенной территории максимальным количеством телепрограмм, цифровое вещание на территории со сложным рельефом местности, вещание на движущиеся объекты, где скорость передачи информации не является основным требованиям.
Сочетание новой технологии канального кодирования, используемой в системе DVB-T2, и стандарта видеокомпрессии Н.264 существенно повышает привлекательность цифрового телевидения для операторов многопрограммного эфирного телевизионного вещания, так как это позволяет значительно увеличить количество передаваемых программ в одном частотном канале шириной 8 МГц. Причем характеристики системы DVB-T2 отвечают требованиям наземного цифрового вещания в формате телевидения высокой четкости.