15

П.А.Барабаш, А.В.Кривошейкин,

С.П.Кучеров, В.Н.Лукинов

Кабельное телевидение в цифре. Опыт разработки Постановка задачи

Цифровая форма представления сигнала давно уже перестала быть объектом для обсуждений и споров. Эта форма используется практически на всех этапах создания, консервации и транспортирования телевизионного сигнала.

Система телевизионного вещания предназначена для доставки телевизионных программ от источника программ к абоненту. Она включает в себя студийное оборудование, оборудование канала передачи и абонентские устройства. Студийное оборудование осуществляет преобразование, обработку, консервацию и кодирование аудио и видеоинформации. Так как это оборудование является источником программ, то именно в нём было впервые использовано цифровое представление сигнала. Первоначально цифровое студийное оборудование участвовало только во внутреннем цикле создания в студии телевизионной программы. Оно обеспечивало широкие возможности работы с аудио и видеоматериалом, недоступные аналоговым методам. Однако сигналы, выходящие со студии для подачи в систему телевизионного вещания были аналоговыми, так как сама система вещания оставалась аналоговой.

Телевизионный сигнал в цифровой форме имеет спектр частот в десятки раз шире, чем аналоговый. Поэтому реальный переход к цифровому телевизионному вещанию оказался возможным только после разработки методов цифрового сжатия (компрессирования) видео и аудиосигналов в соответствии со стандартом MPEG2 [1]. Этот стандарт предусматривает организацию элементарных программных потоков (ПП), соответствующих одной телевизионной программе и мультиплексирование нескольких ПП в единый транспортный поток (ТП). Таким образом, входным сигналом в

системе цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) является стандартизованный транспортный поток в формате MPEG2, который поступает в эфирный, спутниковый или кабельный канал передачи.

Несмотря на использование компрессии ширина спектра ТП значительно шире полосы частот, выделяемой в системе ЦТВ для его передачи. Поэтому в канале передачи предусматривается многоуровневая модуляция сигнала несущей радиочастоты цифровым сигналом, которая обеспечивает согласование ширины спектра цифрового сигнала ТП с шириной канала передачи.

Организация системы ЦТВ, т.е. состав и правила выполнения операций над сигналом ТП определяется стандартами DVB (Digital Video Broadcasting) и, в частности, DVB – T для эфирного вещания [2], DVB – S для спутникового вещания [3], DVB – C для кабельного вещания [4,5].

Структура и принципы реализации цифрового кабельного телевизионного вещания (цктв)

Совершенно ясно, что введение в эксплуатацию ЦТВ имеет явные преимущества для компаний, предоставляющих услуги телевизионного вещания. Это обусловлено, в частности, тем, что на одной несущей частоте может быть передано сразу несколько ТВ программ, что значительно снижает затраты на организацию вещания.

Качество видео-и аудиосигналов, доставляемых абоненту в системе ЦТВ, выше чем для аналоговых систем вещания. Однако простое улучшение качества телевизионного изображения по сравнению с достаточно высоким качеством для современных аналоговых систем ТВ вещания вряд ли является привлекательным стимулом для абонентов. Тем более что для приёма программ в системе ЦТВ абонент должен приобрести новый цифровой телевизионный приёмник или приставку к аналоговому ТВ приёмнику.

Только предоставление дополнительных услуг может обеспечить рентабельность ЦТВ. Именно поэтому стандарт предусматривает построение интерактивной сети ЦКТВ, предоставляющей абонентам возможность подключения к скоростному INTERNET, пользование услугами электронной почты, возможность проведения игр между абонентами, банковские услуги на дому и т.д. И всё это происходит на фоне получения абонентами полного набора ТВ программ. Стандарт ETSI ES 200 800 [4] описывает структуру передающего и абонентского оборудования и операции над сигналами, предусмотренные при организации вещательного канала. Стандарт

ETSI EN 300 429 [5] описывает организацию интерактивного канала.

На рис.1 представлена структурная схема интерактивной сети ЦКТВ.

Входящие в её состав передатчик вещательной сети (ПВС), приёмник обратного канала (ПОК), контроллер сети и программное обеспечение образуют адаптер интерактивной сети.

Интерактивная сеть ЦКТВ является наложенной на кабельную распределительную сеть (КРС) с прямым и обратным каналами. Смысл наложения состоит в том, что нисходящие к абоненту (down stream) и восходящие от абонента (up stream) потоки передаются одновременно и в одной и той же среде распространения, т.е. по одному и тому же кабелю, что и сигналы КРС. Поэтому сопряжение адаптера интерактивной сети с КРС должно удовлетворять требованиям стандарта на КРС [6]. Разделение сигналов обеих сетей производится в частотной области путём выделения из частотного плана КРС части ТВ каналов для интерактивной сети ЦКТВ.

Рис.1

По определению [6] сеть КРС и интерактивная сеть ЦКТВ простираются от точек подключения источников вещательных услуг (программ) и интерактивных услуг до абонентской розетки, к которой подключаются абонентские устройства – ТВ приёмник или/и абонентский модем. На рис.2 представлены источники цифровых сигналов, поступающих в сеть ЦКТВ. К ним относятся:

• Сигналы ЦТВ, получаемые из эфира и/или со спутника. В этом случае соответствующие демодуляторы обеспечивают на своём выходе ТП формата MPEG2;

• Сигналы ЦТВ, получаемые из удалённых студий по сетям синхронной (SDH) и плезиохронной (PDH) иерархий. В этом случае используется конвертор SDH (PDH) – MPEG;

• Аналоговые сигналы местной студии, которые кодерами MPEG студийного оборудования преобразуются в ТП формата MPEG2.

Рис.2

Интерактивная сеть ЦКТВ может работать в режиме вещания, в интерактивном режиме и одновременно в обоих режимах.

В режиме вещания упомянутые выше цифровые ТП формата MPEG2 от источников вещательных услуг поступают на передатчик вещательной сети. Последний в соответствии с требованиями стандарта [4] производит преобразования цифрового сигнала и модуляцию несущей методом 64QAM. Полученный модулированный сигнал поступает в прямой канал КРС.

В интерактивном режиме на передатчик вещательной сети поступают цифровые потоки от источников интерактивных услуг через контроллер сети. Эти цифровые потоки также представляют собой ТП формата MPEG2.

Таким образом, передатчик вещательной сети является многоканальным устройством, инвариантным к типу сети, из которой поступают транспортные потоки. Каждый из транспортных потоков модулирует свою несущую и переносится по кабельной распределительной сети в групповом многочастотном радиосигнале. В передатчике вещательной сети имеется сумматор, на вход которого поступают модулированные сигналы несущих, а на выходе образуется групповой многочастотный радиосигнал.

Интерактивный режим обеспечивает адресное поступление к абоненту аудио, видео и иной информации от источников вещательных и интерактивных услуг. Кроме того, в этом же режиме абонент имеет возможность передать информацию в сеть источников интерактивных услуг, например, подключиться к INTERNET, воспользоваться услугами электронной почты и т.д.

Передача восходящих цифровых потоков от абонента по обратному каналу кабельной распределительной сети производится в диапазоне частот

5 – 30 МГц. Для каждого абонента или группы абонентов выделяется одна частота сигнала несущей. Цифровой сигнал, поступающий от каждого абонента, в соответствии со стандартом [5] преобразовывается и модулирует сигнал несущей методом QPSK. Для передачи восходящих цифровых потоков от всех абонентов используется принцип множественного доступа с разделением по времени TDMA (Time Division Multiplex Access). В соответствии с этим принципом каждому абоненту предоставляется отрезок времени для передачи своей информации.

Управление работой интерактивной сети ЦКТВ осуществляет контроллер, в котором реализован протокол управления сетью MAC (Media Access Control), предусмотренный стандартом [4]. Более подробное изложение принципов реализации интерактивного режима выходит за рамки данной статьи.

Ниже мы остановимся на основных процедурах, выполняемых передатчиком вещательной сети, и рассмотрим результаты натурных испытаний.

Передатчик вещательной сети

На рис.3 изображена последовательность операций, выполняемых по стандарту [5] над сигналом каждого из транспортных потоков формата

MPEG2.

.

Рис.3

В абонентском устройстве выполняются обратные операции для выделения транспортного потока и последующей обработки его декодером MPEG. Мы не будем изучать алгоритмы реализации каждой из операций и рассмотрим только содержание этих операций и обоснуем необходимость их выполнения.

Транспортный цифровой поток формата MPEG2, поступающий на вход ПВС, может быть последовательным асинхронным стандарта ASI и параллельным синхронным стандарта SPI. Скорость потока может изменяться в широких пределах от нулевой – отсутствие потока до значения v_ТП = 38.1 Мбит/с. Между тем операции в ПВС выполняются с внутренней скоростью v_ГС = 41.34 Мбит/с [4]. Поэтому операция «Физический интерфейс MPEG2» предназначена для автоматического распознавания вида цифрового потока MPEG2, его приёма и выравнивания внешней и внутренней скоростей.

Цифровой поток, передаваемый по сети ЦКТВ, является двуполярным, т.е. логическому нулю соответствует уровень сигнала минус единица, а логической единице – плюс единица. Если количество разнополярных сигналов не одинаково, то в среднем цифровой поток содержит постоянную составляющую. Чем больше её значение, тем больше ошибок совершает абонентское устройство, принимающее цифровой поток. Для уменьшения постоянной составляющей используется операция рандомизации, иногда называемая скремблированием. При её выполнении входной цифровой транспортный поток суммируется с генерируемым в ПВС цифровым потоком псевдослучайной последовательности, в котором количество разнополярных сигналов примерно одинаково.

Сигнал, передаваемый по кабельной распределительной сети подвержен воздействию шумов и помех. Поэтому абонентский приёмник при выделении полезного сигнала совершает ошибки. Значительное количество ошибок может быть исправлено, если при передаче цифрового сигнала использовать помехоустойчивое кодирование. Эта операция, осуществляемая кодером Рида – Соломона, выполняется в ПВС.

Однако исправляющая способность кода Рида – Соломона зависит от вида ошибок. Ошибки могут быть единичными, т.е. разрознёнными и не расположенными рядом друг с другом в цифровом потоке. Они могут быть пакетными, т.е. поражёнными оказываются подряд идущие элементы цифрового потока. Такая ситуация возникает при длительной помехе индустриального или погодного характера, воздействующей на кабельную сеть. Это явление схоже с тем, которое наблюдается в аудио и видеомагнитофонах когда, из-за плохого контакта лента – головка или из-за осыпания магнитного слоя ленты, в считывающей головке происходит выпадение целого фрагмента сигнала. Помехоустойчивые коды легко справляются с единичными ошибками. Однако их исправляющая способность резко падает при наличии пакетных ошибок.

Операция свёрточного перемежения предназначена для предотвращения попадания пакетных ошибок, неизбежно возникающих в тракте передачи, на вход абонентского приёмника цифрового потока. С этой целью в ПВС осуществляется случайная перемена местами (перемежение) подряд идущих элементов цифрового потока. В абонентском приёмнике происходит обратное восстановление порядка следования элементов цифрового потока. Поэтому пакетные ошибки в перемежённом цифровом потоке, возникающие на пути следования, превращаются в единичные в восстановленном цифровом потоке и исправляются декодером Рида – Соломона.

Последующие операции вплоть до операции «Фильтрация по Найквисту» являются подготовительными для модуляции сигнала несущей радиочастоты методом 64QAM.

Для передачи ТП по кабельной распределительной сети используется синусоидальный сигнал U(t) = A sin (2πf_нt + φ ), параметрами которого являются амплитуда A, несущая частота f_н, и фазовый угол φ. Если зафиксировать 64 варианта сочетаний параметров A_i, φ_i I=1,…64, то получим 64 различных сигналов U_i(t) = A_i sin (2πf_нt + φ_i ), I=1,…64. Разделим ТП на фрагменты из шести последовательно расположенных элементов ТП. Число таких фрагментов, отличающихся друг от друга, равно 2⁶ = 64. Каждому фрагменту, который называется символом, поставим в соответствие один из 64 различных сигналов U_i (t). Таким образом реализуется процесс 64 уровневой модуляции сигнала несущей частоты сигналом ТП.

Получить 64 варианта сочетания параметров A_i, φ_i I=1,…64 можно множеством способов. Один из вариантов, т.е. один из методов модуляции, является наиболее помехоустойчивым и называется квадратурно-амплитудным методом 64QAM.

Представим сигнал U_i (t) в виде суммы двух составляющих:

U_i(t) = A_i sin (2πf_нt + φ_i) = (A_i cos φ_i ) sin 2πf_нt + (A_i sin φ_i ) cos 2πf_нt

Первая составляющая образует сигнал, называемый синфазным с амплитудой I_i = A_i cos φ_i. Вторая составляющая, сдвинутая относительно первой на угол 90⁰, называется квадратурным сигналом и имеет амплитуду

Q_i = A_i sin φ_i. Рассмотрим плоскость с осями координат I и Q. На этой плоскости, называемой полем или созвездием сигналов (constellation), каждый сигнал изобразим в виде точки с координатами I_i, Q_i. На рис. 4 изображено созвездие сигналов 64QAM, характерное тем, что расстояние между соседними точками (сигналами) одинаково. Это и определяет наибольшую помехоусточивость сигналов 64QAM по сравнению с другими 64 уровневыми сигнала

Рис.4

Длительность символа в 6 раз больше длительности элемента ТП, и, следовательно, скорость следования символов v_симв равна

v_симв = v_ГС /6 = 6.89 Мбод. Тем не менее спектр цифрового потока символов шире полосы ТВ канала 8МГц, выделяемого для передачи потока. В результате прохождения потока символов по каналу с ограниченной полосой сигналы соседних символов накладываются друг на друга. Возникает так называемая межсимвольная интерференция, порождающая ошибки в приёмнике абонентского устройства, Для борьбы с этими ошибками Найквист ещё в 1928 году [7] предложил пропускать поток символов через фильтр, известный в последствии под именем автора и имеющий специальную форму амплитудно-частотной характеристики. На выходе фильтра Найквиста в момент времени, равный середине длительности символа, присутствует только сигнал текущего символа и равны нулю сигналы соседних символов. Этот сигнал поступает на модулятор 64QAM.

При выполнении операции «Формирование группового радиосигнала» происходит суммирование модулированных сигналов нескольких ТП и усиление группового радиосигнала до уровня, необходимого для передачи по КРС.

Для проведения натурных испытаний был изготовлен базовый блок ПВС, внешний вид которого представлен на рис.5. Базовый блок обеспечивает передачу ТП в трёх каналах ТВ. Имеется возможность наращивания количества передаваемых ТП путём цепочечного соединения базовых модулей.

Рис.5

Реализация операций над сигналами осуществляется двумя блоками. В одном из них выполняются все операции вплоть до модуляции 64QAM на промежуточной частоте. Во втором производится перенос сигнала с промежуточной частоты в полосу канала ТВ, выделенного для цифрового ТВ. Формирование группового радиосигнала происходит в блоке сумматора, на входы которого поступают модулированные сигналы трёх ТП. Выходной групповой сигнал передаётся либо непосредственно в КРС, либо на радиовход следующего по цепочке базового модуля.

Параметры работоспособности

Для любой системы и, в частности, для системы DVB-C должны быть определены параметры и установлены требования к ним, выполнение которых свидетельствует о работоспособности системы.

Стандарт ETSI TR 101290 [8] посвящён методам измерения большого количества параметров для систем DVB.

Часть из них определяет либо долговременное качество полной системы передачи от кодера MPEG2 до точки измерения (system availability), либо фрагмента (link availability). Эти параметры базируются на понятии времени неработоспособности (unavailable time) и численно равны следующему отношению:

(общее время - время неработоспособности)/(общее время).

Время неработоспособности может определяться различным образом. В частности, оно может быть равно отрезку времени, в течение которого происходит потеря синхронизации или самого сигнала, либо отрезку времени, в течение которого число “поражённых секунд” более заданной величины и т.д. Понятие “поражённая секунда” является распространённым в системах передачи и определяется как отрезок времени в одну секунду, в течение которого наблюдается одна и более ошибок, не исправленных помехоустойчивым кодированием. Параметры качества являются предметом соглашения между оператором связи, т.е. оператором сети ЦКТВ и и провайдером программ (вещательных услуг).

Основным техническим параметром, который определяет качество цифровой линии связи является коэффициент ошибок BER (bit error rate) на входе декодера Рида – Соломона (before RS decoder). Значение этого коэффициента не должно превышать величину 10^-3, в противном случае декодер Рида – Соломона переполняется, т.е. перестаёт исправлять ошибки. В системе DVB-C в качестве номинального значения принята величина

BER = 10^-4

. При этом рассматриваются два технических параметра – запас по шумам (margin) и потери шумозащищённости END (Equivalent Noise Degradation).

Параметр “запас по шумам” определяется следующем образом. Система DVB-C подвержена воздействию шумов и помех, возникающих как в КРС так и в ПВС и в приёмнике абонента. Отношение сигнал/шум на выходе абонентской розетки КРС нормировано и для аналоговых сигналов должно быть не менее 43дБ. Цифровые сигналы имеют уровень сигнала на 10дБ меньше аналоговых [6]. Поэтому отношение сигнал/шум в этой же точке для цифровых сигналов должно быть не менее 33 дБ. Коэффициент BER зависит от отношения S/N сигнал/шум (Signal/Noise). Пусть реальное значение равно (S/N)_actual. Ему соответствует значение (BER)_actual. Подадим на вход абонентской розетки такой дополнительный шумовой сигнал, чтобы значение BER стало бы равным 10^-4. Получающееся при этом отношение сигнал/шум, которое обозначим (S/N)_margin, будет меньше чем значение (S/N)_actual на величину запаса по шумам “ margin”.

Параметр потеря шумозащищённости END определяется следующим образом. Существует теоретическая кривая помехоустойчивости, т.е. предельная зависимость BER от S/N для метода 64QAM. Теоретическое значение (S/N)_theor при BER = 10^-4 является минимально возможным и , следовательно оно меньше чем (S/N)_margin., полученное выше. Разность между этими величинами равна потери шумозащищённости:

(S/N)_margin - (S/N)_theor = END.

Запас по шумам определяет удалённость системы от критической точки потери работоспособности. Потери шумозащищённости в практически реализованной системе DVB – C определяет её удалённость от теоретически возможной реализации, т.е. определяет качество оборудования и кабельной распределительной сети.

Точность реализации созвездия сигналов (IQ Constelation) определяется параметром MER – относительная ошибка модуляции (Modulation Error Ratio), равная выраженному в дБ отношению среднего значения модуля точек поля сигналов к среднему значению погрешности модуля.

Транспортный поток формата MPEG2 представляет собой последовательность пакетов каждый длиной 4632 элементов (бит) потока. Усреднение производится на множестве реализаций пакетов.

Остальные параметры ПВС, приводимые ниже по результатам испытаний не требуют пояснений.

Необходимо отметить, что состав параметров и ограничения на их значения должны явиться предметом специального рассмотрения. Такая попытка для системы DVB-T сделана в [9].