Анализ принципов построения одночастотных сетей в цифровом эфирном телевидении DVB-Т2

1  2  3

---

Содержание

 

Введение

Глава 1 Принципы формирования сигнала в стандарте dvb-т2

1.1 Общая структурная схема передающей и приемной части

1.2 Методы модуляции и кодирования

1.3. Режим модуляции OFDM, защитный интервал

1.4 Максимальное расстояние между передатчиками в одночастотной сети

Глава 2 Принципы синхронизации передатчиков в одночастотной сети dvb-т2

Глава 3 Расчетная часть и методика определения зоны обслуживания передающей станции НЦТВ стандарта DVB-T2 для фиксированного приема

3.1.1. Определение границы зоны покрытия передающей станции НЦТВ стандарта DVB-T2 для фиксированного приема

3.1.2. Порядок выполнения, обработки и представления результатов измерений

3.2. Выполнение измерений параметров принимаемого сигнала

3.3. Обработка результатов измерений

Глава 4 Рекомендации по выбору малых зон и мест приема для проведения измерений параметров сигнала передающей станции наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T2

4.1. Выводы и рекомендации по выбору малых зон и мест приема

Заключение

Библиографические ссылки

 

Введение

 

Цифровое телевидение — это отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются с его преобразованием в цифровую форму. Преимущества цифрового телевидения по сравнению с аналоговым телевидением: повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов; повышение качества изображения и звука в телевизионных приемниках с обычным стандартом разложения (625 или 525 строк); создание телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (в том числе телевидение высокой четкости – ТВЧ); расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры, используемой при подготовке н проведении телевизионных передач; передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приемника в многофункциональную информационную систему. Эти достоинства обусловлены как самими принципами цифрового телевидения, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств. В своем развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов.

Первый из этих этапов – использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналогового канала связи. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного оборудования.

Другое направление использования цифровой техники, характерное для первого этапа развития цифрового телевидения, введение цифровых блоков в телевизионные приемники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов и для подавления эхо–сигналов, возникающих при отражении радиоволн от поверхности Земли и различных объектов. Широко известны также устройства для перехода от чересстрочной развертки к квазипрогрессивной, реализации функций «стоп–кадр» и «кадр в кадре», декодирования и воспроизведения на экране дополнительной информации, передаваемой по системе «Телетекст» и т. д. Все эти усовершенствования не затрагивают стандарт разложения и принципы передачи телевизионного сигнала по каналу связи.

Второй этап развития цифрового телевидения – создание гибридных аналого–цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения. Можно выделить два основных направления изменений телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче и увеличение количества строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления связана с необходимостью сжатия спектра телевизионных сигналов для обеспечения возможности его передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот. Примерами гибридных телевизионных систем могут служить японская система телевидения высокой четкости MUSE и западноевропейские системы семейства MAC. Во всех этих системах в передающей и приемной частях сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме.

Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых телевизионных систем. Значительный шаг вперед в решении этой задачи был сделан в 1990 – 1993 годах и связан в первую очередь с работами, выполненными в США и завершившимися принятием весной 1994 года Национального стандарта на системы наземного цифрового телевизионного вещания.

Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются:

1. Высокая степень сжатия спектра цифрового телевизионного сигнала, достигаемая путем последовательного применения нескольких методов эффективного кодирования изображений и позволяющая передавать программы ТВЧ по стандартным наземным каналам телевизионного вещания с шириной полосы частот 6 МГц.
2. Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различным разрешением: видеотелефон с уменьшенной четкостью, стандартный сигнал NTSC, ТВЧ с количеством строк 1050.
3. Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи

 

Глава 1 Принципы формированиясигнала в стандарте dvb-т2

 

Одночастотная сеть (SFN) — является сетью передающих станций, осуществляющих вещание на одной частоте. Использование такой технологии дает возможность применения множества передатчиков, которые работают на одной частоте и покрывают смежные области. При этом использование одного частотного канала происходит без существенного взаимного влияния передатчиков друг на друга из-за технологических особенностей системы DVB-T.

В настоящее время успешно проходит развертывание первого слоя наземного цифрового телевизионного вещания (НЦТВ) стандарта DVB-T, ведется разработка второго и третьего мультиплексов, в июне этого года завершена опытная эксплуатация сети стандарта нового поколения DVB-T2. Результаты опытной эксплуатации подтвердили основное преимущество стандарта второго поколения – увеличение пропускной способности на 30–40 % по сравнению со стандартом DVB-T. Это позволяет использовать радиочастотный ресурс более рационально: в одном радиочастотном канале передавать до 16–20 программ стандартной четкости или до 4–6 программ высокой четкости (вместо 8–12 и 2–3 соответственно в системе DVB-T), а также дает возможность организации 3D-вещания и трансляции множества мультимедийных потоков. Анализ мирового опыта показывает, что в зарубежных странах (Англия, Финляндия, Швеция, Испания) стандарт DVB-T2 применяется для организации вещания программ высокой четкости, что связано с потребительским спросом на данный вид услуг.

Стандарт нового поколения является наиболее перспективным для дальнейшего развития НЦТВ, поэтому здесь будут рассмотрены особенности построения одночастотной сети стандарта DVB-Т2. В настоящее время цены на приставки, поддерживающие стандарт DVB-T2, снижаются. Так, например, в Англии в феврале 2010 г. цена на приставку достигала порядка 250 дол. США, к августу она снизилась до 155, и уже в июне 2011 г. составила 125 дол. США. Ожидается, что к моменту внедрения DVB-T2 цены на приставки будут соизмеримы с ценами на приставки DVB-T.

Россия, переходит к цифровому телевизионному вещанию. Изначально признали рациональность внедрения европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video Broadcasting). В 2011 года вышла новая версия стандарта DVB-T2 ETSI EN 302 755 (Digital VideoBroadcasting — Second Generation Terrestrial) — второе поколение европейского стандарта эфирного цифрового вещания DVB-T.

Прогрессивный стандарт DVB-T2 позволил как минимум на 30% увеличить емкость телевизионных сетей по сравнению с предшественником при той же инфраструктуре сети и частотных ресурсах. Скорость передачи сигнала, устойчивость к помехам, качество картинки и другие показатели в стандарте DVB-T2 примерно в полтора раза выше, чем в DVB-T.

В системе DVB-T2 по сравнению с DVB-T изменены такие параметры, как число несущих, длительность защитного интервала и размещение пилотсигналов. Новый метод, названный «поворот сигнального созвездия», обеспечивает существенный прирост устойчивости в сложных эфирных условиях

Принципиальное отличие стандарта DVB-T2 – это изменение магистральных потоков физического уровня (PLP). Если стандарт DVB-T был предназначен исключительно для передачи пакетов MPEG-2, то сеть DVB-T2 способна транслировать самые разные по природе и структуре информационные потоки [11]. Система DVB-T2 способна передавать несколько независимых мультимедийных потоков, каждый со своей схемой модуляции, скоростью кодирования и временными интервалами. Возникает относительно сложная кадровая структура, как на логическом, так и на физическом уровне. Соответственно в системе DVB-T2 появляется новая функция – предварительная обработка входных потоков. В целом, общая схема обработки сигналов в системе DVB-T2 существенно усложняется. В стандарте различаются три основных типа потоков – транспортный (TS), обобщенный инкапсулированный (GSE) и обобщенный непрерывный (GCS). Каждый поток представляет собой последовательность пользовательских пакетов (UP).

Пакеты каждого магистрального потока объединяются в потоковые кадры (ВВ) – отдельно для каждого потока: ВВ-заголовок, поле данных, поле выравнивания и/или внутриканальная синхронизация. ВВ-кадр содержит ВВ-заголовок (80 бит), поле данных и поле выравнивания. В последнем можно передавать данные внутриканальной сигнализации. В заголовке пакета содержится информация о типе транспортного потока, размере пользовательского пакета (при необходимости) и всего поля данных, наличии режимов удаления пустых пакетов и дополнительных синхропакетов, используется постоянная/переменная модуляция и т. п. Размер поля данных и выравнивающего поля определяется параметрами сверточного кодера (в сумме не более 53770 бит).

Стандарт DVB-T2 ориентирован на передачу телевизионных потоков, в которых зачастую используются пустые пакеты (для выравнивания скорости потока), разного рода задержки и т. п. для сохранения постоянной скорости потока. Поэтому в DVB-T2 предусмотрены средства удаления этой избыточной информации, но с возможностью ее восстановления на приемном конце. Кроме того, опционально предусмотрен и механизм сверточного кодирования CRC-8 на уровне пользовательских пакетов. Сформированный ВВ-кадр скремблируется (рандомизируется путем перемножения на псевдослучайную последовательность) и подвергается корректирующему кодированию [10, 11].

Предусмотрен механизм раздельной настройки устойчивости сигнала в пределах канала для каждой предоставляемой службы (табл. 1). В целом, все эти нововведения позволяют создать гибкую и эффективную систему трансляции мультимедийных потоков. При этом максимальная скорость входного транспортного потока после предварительной обработки может превышать 50 Мбит/с.

Стандарт DVB-T2 – это мощный инструмент мультимедийного вещания, в который заложены огромные возможности по расширению функциональности.

Таблица 1.1 — Сравнение режимов, применяемых в стандартах DVB-Т и DVB-Т2 [10, 11, 13]

 

Среди других преимуществ DVB-T2:

• возможность увеличения количества каналов в мультиплексе;
• возможность организации регионального вещания («региональной врезки»);
• экономия частотного ресурса;
• возможность внедрения эфирного вещания в форматах высокой и сверхвысокой четкости, объемного звука, а также интерактивного гибридного телевидения на платформе HbbTV, объединяющей возможности интернета и цифрового телевидения.

 

1.1 Общая структурная схема передающей и приемной части

 

При использовании стандарта DVB-T2 в значительной степени расширятся возможности наземного цифрового телевидения, при этом не возникнет необходимости в изменении уже существующей инфраструктуры сети НЦТВ РУП «Белтелеком» и РУП «БРТПЦ». Однако новая система DVB-T2 неизбежно потребует внедрения нового оборудования. Структура одночастотной сети НЦТВ стандарта DVB-T2 представлена в соответствии с рисунком 1.1.

 

Серым цветом на схеме отмечены элементы (модулятор и T2-шлюз), отличие от используемых в сети стандарта DVB-T. Поступающие на вход системы транспортные потоки инкапсулируются в Baseband-кадры (BB-кадры), являющиеся наименьшей структурной единицей логического уровня сигнала DVB-T2. Т2-шлюз представляет собой связующее звено между выходом мультиплексора и распределительной сетью и может выполнять следующие функции:

• инкапсуляцию MPEG TS потоков, приходящих от типовых DVB-T мультиплексоров, в BB-кадры;
• формирование T2-MI пакетов, содержащих информацию, необходимую модулятору для дальнейшего формирования структуры сигнала DVB-T2;
• синхронизацию радиопередатчиков одночастотной сети;
• формирование T2-MIP (DVB-T2 Modulator Information Packet – информационный пакет для модулятора DVB-T2) при использовании ретрансляторов в сети;
• поддержку MISO (multi input – single output);
• управление PLP (physical layer pipes – каналы физического уровня).

Поскольку все функции – опциональные, конфигурация Т2-шлюза зависит от требуемых функциональных возможностей проектируемой сети. При построении многочастотных сетей Т2-шлюз может не использоваться, тогда функцию инкапсуляции данных в ВВ-кадры выполняет модулятор.

Применение Т2-шлюза обязательно при:

• организации одночастотных сетей;
• использовании технологии MISO;
• использовании режима передачи нескольких PLP

На выходе Т2-шлюза формируются T2-MI пакеты, формат которых представлен в соответствии с рисунком 1.2 [1].

Рисунок 1.2 – Общий формат T2-MI пакетов

Содержимое полезной нагрузки зависит от типа Т2-MI пакета, определяемого полем packet_type. В поле payload («полезная нагрузка») может передаваться полезная (BB-кадр) или служебная информация. Например, если поле packet_type содержит значение 0016, то в поле полезной нагрузки передается BB-кадр, если значение 2016 – метка времени (DVB-T2 timestamp), необходимая для обеспечения синхронизации всех радиопередатчиков одночастотной сети НЦТВ стандарта DVB-T2. Другие значения поля packet_type отражают наличие служебной информации, нужной для формирования физической структуры кадра сигнала DVB-T2 в мо дуляторе. Посредством передаваемой служебной информации также осуществляется конфигурация модуляторов DVB-T2.

Сформированные Т2-MI пакеты посредством интерфейса ASI (Asynchronous Serial Interface – асинхронный последовательный интерфейс) или IP (Internet Protocol) передаются через распределительную сеть (ВОЛС) к модуляторам.

Система нового поколения обладает рядом особенностей высокочастотной обработки сигнала: используются новые алгоритмы кодирования, дополнительные виды модуляции, размерности быстрого преобразования Фурье (БПФ), относительные скорости кодирования, защитные интервалы и др. Высокочастотная обработка осуществляется в модуляторе радиопередатчика DVB-T2, где BB-кадр вместе со своим заголовком подвергается кодированию LDPC и BCH. В результате образуются последовательности длиной 64800 или 16200 бит, которые называются FEC-кадром. Полученные биты перемежаются в FEC-кадре (битовое перемежение) и в зависимости от выбранного вида модуляции разбиваются на слова (например, 6 бит для созвездия 64QAM, 8 бит для 256QAM). На векторной диаграмме определенному набору бит в слове соответствует свой вектор, а каждому вектору – свое комплексное число (Re(z)  jIm(z)). Совокупность элементов Re(z) и Im(z) называется COFDM ячейкой. Последовательность ячеек COFDM, соответствующих одному FEC-кадру, и называется FEC-блоком в соответствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3 – Процесс формирования FEC-блока

В стандарте DVB-T2 дополнительно введено временное перемежение, обеспечивающее защиту от импульсных помех. Завершающей структурной единицей логического уровня сигнала DVB-T2, «заключающей в себе» закон перемежения, является кадр перемежения. Он и определяет расположение отдельных потоков PLP в суперкадре.

Кадр перемежения состоит из целого числа TI-блоков, которые в свою очередь состоят из FEC-блоков в соответствии с рисунком 1.4.

Рисунок 1.4 – Последовательность формирования сигнала DVB-T2 на логическом уровне

Рекомендуется использовать комбинацию «один TI-блок в одном кадре перемежения». Именно в этом случае перемежение будет выполняться в течение более длительного периода времени [2]. Каждый кадр перемежения на физическом уровне проецируется на один или несколько Т2-кадров. Назначение T2-кадра заключается в переносе потоков PLP, P1- и L1-сигнализации, т. е. T2-кадр содержит в себе услуги DVB-T2 и связанную с ними служебную информацию. P1-сигнализация предназначена для первичной инициализации сигнала DVB-T2. L1-сигнализация необходима для:

• быстрого обнаружения приемником полезного сигнала;
• доступа к потокам PLP в рамках текущего (или последующего) Т2-кадра.

Завершающей структурной единицей сигнала DVB-T2 на физическом уровне является суперкадр, который включает Т2-кадры и FEF-кадры (Future Extension Frame – кадры перспективного расширения) в соответствии с рисунком 1.5.

Рисунок 1.5 – Физический уровень сигнала DVB-T2

FEF-кадры являются резервными и предназначены для будущего использования. В одном суперкадре может содержаться до 255 T2-кадров.

Сформированный на выходе модулятора сигнал DVB-T2 усиливается и передается в эфир. Таким образом, для организации одночастотных сетей вещания в стандарте DVB-T2 следует в тракте формирования программ установить T2-шлюз, а в тракте передачи – модуляторы (радиопередатчики) стандарта DVB-T2.

 

1.2 Методы модуляции и кодирования

 

Модификация DVB-T2 является идеальным решением, предоставляющим высокий уровень устойчивости сигнала и обеспечивающая необходимое увеличение пропускной способности, при сохранении существующей инфраструктуры антенн. Еще одна принципиальная особенность стандарта DVB-T2 – механизм защитного кодирования. В качестве корректирующего кода используется каскадный код. В качестве внешнего кода в нем применен блоковый кодер (БЧХ, ВСН). В качестве внутреннего – низкоплотностный код с проверкой на четность (LDPC). В зависимости от скорости кодирования LDPC размер входного блока данных для БЧХ-кодера может различаться, однако выходной размер кодового слова после LDPC всегда составляет 64800 бит. Перед модуляцией (кроме BPSK и QPSK) кодовые слова подвергаются побитному перемежению и распределяются по модуляционным символам. В VB-T2 добавлена модуляция 256-QAM (8 бит на символ), что повышает емкость канала передачи на 33 % (относительно схемы 64-QAM в DVB-T). Обычно переход от 64-QAM к 256-QAM требует увеличения соотношения сигнал / шум на поднесущей на 4–5 дБ. Однако благодаря применению корректирующих кодов BCH-LDPC, эффективность которых гораздо выше традиционных кодов исправления ошибок (в т. ч. Рида – Соломона), в DVB-T2 скорость кодирования может быть намного выше и общая пропускная способность канала существенно возрастает. Это улучшение позволяет повысить пропускную способность канала примерно на 30 % [10–11].

Стандарт DVB-T2 поддерживает полосы пропускания канала 1,7; 5; 6; 7; 8 и 10 МГц (таблица 1.2).

Таблица 1.2 — Значения ширины полосы пропускания канала и ширины полосы сигнала стандарта DVB-T2

 

В стандарте DVB-T2 используются такие виды модуляции, как QPSK, 16-QAM, 64-QAM и 256-QAM. Кроме того, сигнальное созвездие может быть повернуто в I/Q системе координат (повернутое созвездие). За счет поворота диаграммы на точно подобранный угол каждая точка созвездия приобретает уникальные координаты (u1 и u2) в соответствии с рисунком 1.6 и таблицей 1.3.

Таблица 1.3 — Значения углов поворота констеляционной диаграммы [10–11]

 

Каждая координата точки обрабатывается в модуляторе передается в OFDM-сигнале отдельно, смешиваясь с координатами u2 и u1, другого символа (т. е. u2 и u1 могут передаваться на разных OFDM-несущих и в разных OFDM- символах). В приемнике u2 и u1 опять объединяются, формируя исходное констеляционное созвездие, сдвинутое по кругу.

Рисунок 1.6 — Построение точек сигнала в системе координат u2 и u1

Таким образом, перед началом вращения квадратурная Q координата каждого модуляционного символа циклически сдвигается в рамках одного кодового слова (т. е. берется из предыдущего символа этого слова, Q-компонента первого символа становится равной Q-компоненте последнего). В результате этого, если одна несущая или символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, это позволит восстановить символ, хотя и с более низким уровнем соотношения сигнал/шум. При использовании симметричного констеляционного созвездия разнесение u2 и u1 смысла не имеет, потому что сигнал может быть распознан только по сочетанию этих двух координат. Каждая из них в отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание.

---

1  2  3