1.3. Режим модуляции OFDM, защитный интервал
OFDM представляет собой принципиально новый вид модуляции, при которой последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей в соответствии с рисунком 1.7.
Частотный разнос Δf между соседними несущими f1, f2, …, fn в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во- первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.
В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Δf > 2/TU , где TU – рабочий интервал информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой. Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц.
Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются. Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Δf = 1/TU, то есть на интервале TU должно укладываться целое число периодов разностной частоты f2 — f1. Пример сигнала COFDM в версии 8К в стандарте DVB-T показан в соответствии с рисунком 1.8.
Рисунок 1.8 — COFDM в версии 8К в стандарте DVB-T
Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.
Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется символом OFDM. Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных.
Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным. Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока TS делится на две части – защитный интервал TG, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа TU, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.
Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье в демодуляторе приемника приемопередающего устройства.
На физическом уровне OFDM является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных, ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания.
На практике сигналы OFDM получаются путем использования ОБПФ (обратное быстрое преобразование Фурье). Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является её способность противостоять сложным условиям в канале.
1.4 Максимальное расстояние между передатчиками в одночастотной сети
Для построения эффективно работающей одночастотной сети требуется выполнение нескольких условий:
Требуется синхронизации передатчиков одночастотной сети по частоте. Требуемая точность частоты зависит от частотного интервала между смежными несущими, для режима модуляции 8k стабильность частоты должна быть не менее 1,1 Гц, для режима 32k — примерно 0,25 Гц. Такая высокая стабильность достигается за счет использования синхронизации передатчиков от внешнего генератора с привязкой к синхросигналам GPS. Источник сигнала с высокой стабильностью по частоте – GPS приемник, подключенный к измерительному прибору.
Применение цифрового телевидения в наземном телевизионном вещании представляет новые технологические возможности одночастотных сетей (Single Frequency Network — SFN). Здесь, мы можем иметь множество передатчиков, которые покрывают смежные области, и работают на одной частоте, передавая одинаковые программы. При этом использование всего одного канала излучения происходит без взаимного влияния, значительно экономя частотный ресурс. Одночастотные сети используются в Англии, Швеции, Испании и Франции.
Цифровые одночастотные сети (SFN) построены следующим образом. Прежде всего, особые требования предъявляются к точности/стабильности частоты. Для передатчиков многочастотных сетей (MFN) нормой является отклонение в 100 Гц, а для передатчиков SFN точность должна быть намного больше. В сетях SFN все передатчики должны быть синхронизированы на одной частоте, что обычно обеспечивается сигналом спутниковой навигационной системы GPS. Сигнал, излучаемый спутниками GPS, может быть получен почти всюду в мире и содержит очень точную информацию времени. Точность/стабильность частоты при этом будет иметь порядок величины 1 Гц. Каждый передатчик SFN должен передать точно тот же самый Транспортный Поток (TS — цифровой поток данных, содержащий программы) и излучать его синхронно с другими передатчиками. Внутри Транспортного Потока, обычно при генерации в Мультиплексоре, цифровой поток данных разделяют на «Мегаструктуры», и в них добавляются данные MIP (Пакет Инициализации Мегаструктуры — MIP), чтобы синхронизировать излучение каждого передатчика в сети. Синхронизация достигается благодаря сигналу частотой 1 Гц (1pps — 1 импульс в секунду) принимаемый приемниками GPS. Теперь сигналы всех передатчиков излучаются синхронно на одной частоте и имеют одинаковые биты данных. Для одночастотной сети вещания главным достоинством цифровой модуляции СOFDM является успешная борьба с эхо-сигналами, которые могут возникать из-за отражений от окружающих предметов или при работе нескольких передатчиков на одном и том же радиочастотном канале. Собственно говоря, система COFDM способна использовать с выгодой некоторые виды эхо-сигналов (т.е. те, которые усиливают принимаемый сигнал) и игнорировать эхо-сигналы, которые сказываются отрицательно на полезном сигнале. Главная особенность, позволяющая в сети SFN избежать взаимного влияния в зонах, где накладываются сигналы – защитный интервал. Защитный интервал — временной интервал, после передачи каждого символа, в течение которого передатчик не излучает никакого полезного сигнала. Это позволяет приемнику, синхронизированному с передатчиком не принимать сигналы в течении защитного интервала. Таким образом, приемники, не подвержены возможным «наложениям» символов, которые могли бы сделать полученный сигнал невозможным для демодуляции, даже если его уровень будет достаточно хорошим. Чем длиннее защитный интервал, тем больше времени, чтобы гасить нежелательное эхо. Но при этом ниже количество данных, которые могут быть переданы (скорость передачи Bit rate — число и/или качество программ). Защитный интервал может быть установлен от нескольких микросекунд до, более чем 200 микросекунд, чтобы гасить отраженные сигналы, прибывающие от разных передатчиков, как близко расположенных, так и расположенных на расстоянии до 70 км. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света; то есть приблизительно 300 м. в 1 микросекунду.
В аналоговых системах, используя технологию смещения несущей частоты, теоретически можно уменьшить интерференцию в пределах зоны действия каждого передатчика по отношению к передатчикам, покрывающим смежную область. Однако, на практике появляются области существенного влияния, в которых качество сигнала ухудшается значительно, даже в случае чрезвычайно хорошо запланированных зон покрытия и применения направленных антенных систем.
Телевизионный сигнал может транспортироваться в цифровом формате (то есть в виде Транспортного Потока MPEG-2) или в аналоговом формате (то есть в виде несущей, модулированной согласно спецификации DVB-T).
Децентрализованная генерация сигнала DVB-T предполагает транспортировку цифрового Транспортного Потока MPEG-2 через первичную распределительную сеть и последующую обработку сигнала в каждом месте установки передатчика. В качестве первичной сети могут использоваться фиксированные наземные линии связи (например, оптическое волокно, беспроводная связь) или линии спутниковой связи. Для этой цели могут быть применены различные технологии или их комбинация (например, ATM, PDH, SDH, DVB и т. д.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), параметров движения (скорости, направления движения и т. д.) и временной синхронизации для наземных, водных и воздушных объектов. В настоящее время в эксплуатации находятся две ГНСС: американская NAVSTAR (GPS) и российская система ГЛОНАСС.
На рисунке 1.9 представлен расчет зоны видимости системы ГЛОНАСС для конкретной точки Земли (в частности, город Минск). Видим, что на протяжении всех суток видно не менее четырех спутников (минимальное количество, необходимое для расчета координат и высоты), а, как правило, число видимых спутников существенно больше.
Рисунок 1.9 – Зоны видимости системы ГЛОНАСС для заданной точки земной поверхности
Считается, что для определения с заявленной точностью необходимо, чтобы значение PDOP (позиционный трехмерный геометрический фактор) было меньше шести. Интегральная доступность рассчитывается на основе текущего альманаха для суточного интервала как процент времени, в течение которого это условие выполняется. В соответствии с рисунком 1.10 представлена интегральная доступность навигации наземного потребителя по системе ГЛОНАСС.
Рисунок 1.10 – Интегральная доступность навигации наземного потребителя по системе ГЛОНАСС
Спутниковая навигационная система включает в себя три сегмента:
- Космический. К нему относятся спутники, выведенные на орбиту Земли.
- Наземный сегмент управления. Он состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром группы контрольно-измерительных станций, и наземного эталона времени и частоты [29].
- Наземный сегмент потребителей. К нему относится приемное оборудование всех конечных пользователей ГНСС. Основная задача навигационной аппаратуры потребителей (НАП) — прием информации со спутников, ее интерпретация и вывод на дисплей либо в канал связи в надлежащем виде.
Глобальные навигационные спутниковые системы определяют местоположение, скорость и точное время. Однако существенным фактором, влияющим на точность работы наземного навигационного оборудования, является количество видимых на небосклоне спутников. Для гарантированной работы GPS необходимо открытое пространство, когда в поле зрения находится максимальное число спутников, и отсутствуют отраженные сигналы.
При наличии различных затенений радиовидимости, которые характерны для условий применения на наземном транспорте, а особенно в условиях современного городского ландшафта, возможности точного позиционирования значительно ухудшаются. Количество видимых спутников одной системы может быть недостаточным для решения навигационной задачи с требуемой точностью, и само решение часто становится невозможным. Использование двух навигационных систем улучшает и расширяет возможности для потребителей.
Характерным примером является работа навигационного приемника вблизи стены дома, когда физически половина небосвода закрыта. В таких условиях использование ГЛОНАСС совместно с GPS существенно (почти в два раза) повышает надежность и достоверность приемника по определению координат. Поскольку решение навигационных задач на наземном транспорте предполагает работу в условиях частичных и частых затенений радиовидимости, приемник ГЛОНАСС+GPS имеет значительные преимущества перед любым односистемным приемником GPS или ГЛОНАСС.
Система ГЛОНАСС, в отличие от GPS, позволяет осуществлять уверенный прием навигационного сигнала в северных и южных полярных широтах Земли.
Рассматривая ГЛОНАСС/GPS-приемники, предлагаемые отечественными производителями, ограничимся только одним классом, а именно OEM-приемниками, то есть законченными модулями, предназначенными для встраивания в качестве электронного компонента в законченные изделия различного назначения. Ряд производителей предлагают на рынок и законченные навигационные изделия для морских, авиационных, наземных носителей, и геодезическую аппаратуру, однако в основе этих изделий все равно лежат OEM-приемники.
КБ «ГеоСтар Навигация» предлагает на рынок два приемника: ГеоС-1 иГеоС-1м. ГеоС-1 представляет собой законченную плату, представленную в соответствии с рисунком 1.11.
Рисунок 1.11 – Совмещенный ГЛОНАСС/GPS-приемник ГеоС-1
Приемник использует сигналы со спутников обеих навигационных систем ГеоС-1, что позволяет определить точное местоположение объекта там, где это невозможно (или возможно с ограничениями — режим 2D) в случае использования систем по отдельности. Приемник ГеоС-1 способен получать данные местоположения, используя или только сигналы ГЛОНАСС, или только GPS, или работая по совмещенному созвездию ГЛОНАСС+GPS. Структурная схема приемника представлена в соответствии с рисунком 1.12.
Рисунок 1.12 – Структурная схема приемника ГеоС-1
Цифровая часть приемника ГеоС- 1 состоит из БИС процессора с архитектурой ARM-7 (AT91FR40162S компании Atmel) и коррелятора с акселератором (автомат быстрого поиска), выполненного на заказной БИС, являющейся разработкой ФГУП НИИМА «Прогресс». Применение специализированной микросхемы обеспечивает достижение высоких показателей по времени от подачи питания до первых координат и высокие показатели чувствительности приемника. За счет аппаратной реализации алгоритмов поиска ГеоС-1 обеспечивает получение навигационных данных в течение 36 секунд в «холодном» старте и в течение 4 секунд в «горячем» старте.
Точность определения координат (среднеквадратичное отклонение) в плане 3 м, по высоте 5 м. Точность определения скорости 0,05 м/с. Темп выдачи навигационной информации — пять раз в секунду. Приемник выдает импульс метки времени (1PPS — один импульс в секунду) с точностью 50 нс по отношению к шкале времени GPS-Time.
Чувствительность приемника в режиме обнаружения составляет -170 дБВт; в режиме слежения -180 дБВт. Требования к антенне: активная, с дополнительным усилением 10…35 дБ.
Питание 3,3 В ±5%; потребляемая мощность в режиме слежения 500 мВт, в дежурном режиме (питание от батарейного источника) 20…30 мкВт.
Каналы обмена данными: один канал USB 2.0, два дуплексных канала RS-232 (уровни сигналов LVTTL) с программно задаваемой скоростью передачи 4800…203400 бит/с. В зависимости от используемых каналов обмена (два канала RS-232 или один канал RS-232 + USB) и исполнения батарейного источника питания (установленный на плате или внешний) возможны четыре варианта исполнения, обозначаемые в заказе как суффикс «xx» в наименовании ГеоС-1хх. Габаритные размеры изделия 47х35х9 мм.
Фотография приемника Геос-1м представлена в соответствии с рисунком 1.13.
Рисунок 1.13 – Совмещенный ГЛОНАСС/GPS-приемник ГеоС-1м
В отличие от ГеоС-1, который устанавливается в аппаратуру пользователя автономно и соединяется с платами пользователя кабелями, приемник ГеоС-1м представляет собой модуль для поверхностного монтажа. Модуль непосредственно распаивается на пользовательскую печатную плату в рамках единого цикла ее монтажа. Габаритные размеры ГеоС-1м 35х35х3 мм (то есть на 47% меньше ГеоС-1). Вариант исполнения один — два канала RS-232 и внешний батарейный источник. Потребляемая мощность, по сравнению с ГеоС-1, также снижена и составляет 350 мВт в режиме слежения.
Технические характеристики модуля и его структура (за исключением отсутствия USB-порта) аналогичны приведенным для ГеоС-1.
Оба приемника являются изделиями гражданского назначения. Высокая чувствительность приемника и скорость определения координат в совокупности с малыми габаритами и низкой потребляемой мощностью обеспечивают их успешное применение в бортовой аппаратуре различных систем мониторинга транспорта.
Появление сигналов третьего диапазона L3 позволит более чем в два раза повысить точность определения местоположения.
Максимальное расстояние между передатчиками ограничено длительностью защитного интервала. При превышении определенного расстояния между передатчиками, происходит выход из защитного интервала сигналов передатчиков, т.е. передатчики будут создавать помехи друг другу. В системе Т в режиме 8к максимальное расстояние между передатчиками 67 км, в системе Т2 при 32 к – 159.6 км в таблице 1.4.
Таблица 1.4 – Интервалы и скорость цифрового потока сигнала
Требуется временная синхронизация группы передатчиков одночастотной сети для одновременного излучения сигнала. Для синхронизации передатчиков используется глобальная система позиционирования – GPS. Через спутниковый канал от T2 шлюза по интерфейсу Т2-МI на вход каждого передатчика поступает временная метка по которой выполняется привязка к сигналу GPS, и каждый передатчик вычисляет время излучения, что приводит к их совместимости.
Система синхронизации обеспечивает синхронность излучения в эфир сигналов передатчиков. Это обеспечивается привязкой излучения к сигналам 1 PPS (Pulse Per Second), получаемым из сети GPS.
DVB-T модулятор должен обеспечивать фиксированную задержку обработки сигнала, от входа, до его излучения. Информация, имеющаяся в MIP (modulator information packet), может быть использована для прямого управления работой передатчика (например, задержка излучения, уровень мощности передатчика, смещение рабочей частоты и т.д.).
Основное требование к модуляторам – все излучаемые сигналы различных передатчиков должны совпадать с точностью до бита с местной временной синхронизацией.
Интервал времени между последним импульсом 1 PPS , который предшествовал началу мегафрейма M+1 и временем действительного начала мегафрейма M+1 (первый бит первого пакета), называется STS (synchronization timestamp). Его величина записывается в MIP мегафрейма.
Максимальная задержка – это время между началом мегафрейма на входе SFN-адаптера и началом его излучения в антенне передатчика. Величина максимальной задержки должна быть больше суммы «наибольшая задержка в распределительной сети ++ задержка на обработку сигналов в модуляторе ++ время прохождения ВЧ сигнала через усилитель мощности + + время прохождения сигнала в антенном фидере».
Максимальная задержка, допустимая в сети SFN не должна превышать 1 сек. Максимальная задержка задается дискретно с шагом 100 нс.
Одновременное начало излучения передатчиков в эфир не является необходимым для сетей SFN. Главное чтобы эти излучения происходили синхронно! Поэтому в каждом передатчике заложена возможность менять время начала излучения сигнала индивидуально. Величина этой задержки обозначается td. Она также изменяется дискретно 100 нс. Использование возможности менять индивидуально начало излучения сигналов передатчиков позволяет варьировать геометрию областей приема.
Механизм доставки синхроинформации для DVB-T2 передатчиков несколько отличается от предшествующего стандарта. Здесь, для синхронизации применяется специальный пакет DVB-T2 timestamp.
Глава 2 Принципы синхронизации передатчиков в одночастотной сети dvb-т2
При пропадании сигналов gps от спутников устройство в течение нескольких часов удерживает синхронизацию, благодаря внутреннему термостабилизированному опорному генератору 10 МГц. Тем не менее потеря синхронизации в таких условиях – вопрос времени. По этой причине устанавливается интервал времени работы в режиме удержания синхронизации, после которого устройство автоматически выключается и генерирует сообщение об этом.
Этот интервал зависит от регулировок сети (величины защитного интервала) и от качества генератора.
После возвращения сигнала GPS большая часть устройств, представленных на рынке, синхронизирует работу генератора 10 МГц, однако модулятор SFN остается рассинхронизированным из-за накопленной к этому моменту времени ошибки.
На практике к накоплению ошибки приводит не отсутствие сигналов GPS в течение длительного времени, а периодическая многократная потеря спутниковых сигналов. ABE Elettronica разработала собственный алгоритм, называемый Holdover Error Recovery (“Исправление накопленной ошибки”), позволяющий компенсировать такие ошибки и предотвращать потерю синхронизации сети.
Можно устанавливать максимальное значение исправляемой ошибки. При его превышении устройство кратковременно выключает сигналы 1 pps, вызывая этим принудительный перезапуск модуляторов.
Алгоритм работает корректно также в случае, когда предыдущая ошибка полностью не скомпенсирована, а сигналы GPS вновь потеряны.
Алгоритм настроек передатчиков, предназначенных для работы в одночастотной сети цифрового ТВ вещания стандарта DVB-T2 в соответствии с рисунком 2.1.
Рисунок 2.1 – Алгоритм настроек передатчиков стандарта DVB-T2
Настройки передатчиков включают в себя следующие этапы: А1 Ввод исходных данных: GI – защитный интервал времени, соответствующий топологии размещения передатчиков в зоне обслуживания; S1; S2; S3;….Sn-1; Sn – временные задержки информационного сигнала (ИС) при его распространении от T2-шлюза Центра формирования мультиплексов (ЦФМ) до каждого из передатчиков; M1; M2; M3;…Mn-1; Mn – итоговые задержки ИС в модуляторах передатчиков. Здесь n – количество передатчиков в одночастотной сети SFN.
A2 Определение результирующей задержки ИС в каждом из передатчиков Ri = Si + Mi, где i = 1, 2, 3,…, n. А3 Определение максимальной задержки Rmax ИС в SFN сети. А4 Определение величины отклонения задержек в каждом из передатчиков SFN сети от максимального значения Ei = Rmax — Ri. А5 Ввод дополнительных задержек ИС в модуляторы передатчиков Ri = Ri + Ei . А6 Измерение значения метки времени Тм излучения передатчиков. А7 Проверка выполнения условия Ri <1 сек если условие не выполняется, идти к А10 А8 Проверка выполнения условия установления синхронизма на первой секунде 1 сек> Тм ≥ Ri если условие выполняется, идти к А14 А9 Установка метки времени излучения передатчиков Tм в T2-шлюзе ЦФМ, удовлетворяющей условию 1 сек> Tм ≥ Ri. Идти к А14 А10 Проверка выполнения условия 2 сек> Ri> 1 сек если условие не выполняется идти к А13. А11 Проверка выполнения условия установления синхронизма на второй секунде 2 сек> Tм +1 ≥ Ri. Если условие выполняется, идти к А14. А12 Установка метки времени излучения передатчиков Tм в T2-шлюзе ЦФМ, удовлетворяющей условию 2 сек> Tм +1 ≥ Ri. Идти к А14. А13 Устранение причин возникновения задержек, превышающих две секунды. Идти к А1.
А14 Проверка соответствия установленного защитного интервала в передатчиках SFN сети задержкам эхо-сигналов Zj в зоне обслуживания. Если GI > Zj , j = 1, 2, 3,…, k. Здесь k – номер контрольной точки измерений в зоне обслуживания. Если условие выполняется, идти к А16. А15 Установка защитного интервала, удовлетворяющего условию GI > Zj , j = 1, 2, 3,…, k. А16 Завершение настройки синхронной работы передатчиков SFN сети и переход к анализу качества ТВ вещания в зоне обслуживания.
Настройка передатчиков, входящих в состав одночастотной сети, должна обеспечить равенство временных задержек, не превышающих двух секунд, на всех передатчиках в полном соответствии с выбранной относительной меткой времени, устанавливаемой в формирователе транспортного потока T2-MI. Оценка сетевых задержек на входе возбудителя и итоговых задержек в модуляторах должна обеспечивается измерителем с визуальной индикацией результатов измерений. При большом разбросе задержек на программном или аппаратном уровне необходимо ввести дополнительные статические задержки, выровняв, таким образом, разброс задержек в модуляторах передатчиков.
Следует подчеркнуть, что методы обеспечения синхронизации SFN сети во многом определяются техническими характеристиками модуляторов передатчиков.
- возбудителям зарубежных передатчиков, например, передатчиков R&S
- Harris, входящих в состав SFN-сети, предъявляются жесткие требования по разбросу задержек при обработке информационного сигнала, а также по унификации управления этими задержками.
- сожалению, на практике приходится выбирать тип возбудителя по другим критериям качества. Поскольку эффективность управления нелинейностью тракта усилителя мощности также во многом зависит от технических характеристик возбудителя в передатчиках мощных и средней мощности могут быть применены возбудители с большим разбросом задержек, что требует принципиально других методов работ по обеспечению синхронизации передатчиков одночастотной сети.
Для проверки компенсации ошибок был проведен тест, при котором сигналы GPS отключались в течение 90% общего времени работы. Каждое отключение составляло около восьми часов и не превышало установленного порога накопленной ошибки, а интервалы включения сигналов GPS составляли десятки минут и были достаточны для необходимой компенсации ошибки. Тест дал положительный результат работы системы удержания синхронизации.
Временная синхронизация в соответствии с рисунком 2.2. Временной сдвиг между сигналами от соседних передатчиков одночастотной сети в точке приема должен лежать в пределах длительности защитного интервала. Исходя из данного требования, должно выбираться максимальное расстояние между соседними передатчиками в одночастотной сети. Все передатчики одночастотной сети должны излучать одни и те же Т2 — кадры синхронно.
Рисунок 2.2 — Временная синхронизация передатчиков
Синхронизация передатчиков, получающих контент по интерфейсу Т2 – МI, должна осуществляться с помощью пакетов временного штампа DVB-T2 типа 2016 в составе потока T2-MI.
Синхронизация передатчиков, получающих контент через эфир, должна осуществляться с помощью информационных пакетов модулятора T2-MIP в составе принимаемого ими транспортного потока. Пакеты временного штампа DVB-T2 и информационные пакеты модулятора Т2-М1Р должны содержать информацию о времени излучения согласно [1].
Под временем излучения должен приниматься момент, к которому в эфир излучено 50 % энергии первой временной выборки ОБПФ части ≪С≫ символа Р1 первого в суперкадре Т2-кадра [1].
Частотная синхронизация в соответствии с рисунком 2.3. Абсолютное отклонение центральной частоты канала передатчиков одночастотной сети для ширины канала 8 МГц.
Рисунок 2.3 — Частотная синхронизация
В зависимости от размерности БПФ недолжно превышать значений, приведенных в таблице 2.1.
Таблица 2.1 — Максимальное абсолютное отклонение центральной частоты канала передатчиков одночастотной сети для ширины канала 8 МГц
| Наименование показателя | Размерность БПФ | |||||
| 1К | 2К | 4К | 8К | 16К | 32К | |
| Максимальное отклонение частоты. Гц | 6 | 4 | 2 | 1 | 0,5 | 0,25 |
Для иных значений ширины полосы канала максимальное абсолютное отклонение центральной частоты канала должно быть пересчитано прямо пропорционально ширине полосы канала.
В сетях SFN все передатчики должны быть синхронизированы на одной частоте, что обычно обеспечивается сигналом спутниковой навигационной системы GPS. Сигнал, излучаемый спутниками GPS, может быть получен почти всюду в мире и содержит очень точную информацию времени. Точность/стабильность частоты при этом будет иметь порядок величины 1 Гц. Каждый передатчик SFN должен передать точно тот же самый Транспортный Поток (TS — цифровой поток данных, содержащий программы) и излучать его синхронно с другими передатчиками. Внутри Транспортного Потока, обычно при генерации в Мультиплексоре, цифровой поток данных разделяют на «Мегаструктуры», и в них добавляются данные MIP (Пакет Инициализации Мегаструктуры — MIP), чтобы синхронизировать излучение каждого передатчика в сети. Синхронизация достигается благодаря сигналу частотой 1 Гц (1pps — 1 импульс в секунду) принимаемый приемниками GPS. Теперь сигналы всех передатчиков излучаются синхронно на одной частоте и имеют одинаковые биты данных. Для одночастотной сети вещания главным достоинством цифровой модуляции СOFDM является успешная борьба с эхо-сигналами, которые могут возникать из-за отражений от окружающих предметов или при работе нескольких передатчиков на одном и том же радиочастотном канале. Собственно говоря, система COFDM способна использовать с выгодой некоторые виды эхо-сигналов (т.е. те, которые усиливают принимаемый сигнал) и игнорировать эхо-сигналы, которые сказываются отрицательно на полезном сигнале.
Главная особенность, позволяющая в сети SFN избежать взаимного влияния в зонах, где накладываются сигналы — защитный интервал. Защитный интервал — временной интервал, после передачи каждого символа, в течение которого передатчик не излучает никакого полезного сигнала. Это позволяет приемнику, Синхронизированному с передатчиком не принимать сигналы в течении защитного интервала. Таким образом, приемники, не подвержены возможным «наложениям» символов, которые могли бы сделать полученный сигнал невозможным для демодуляции, даже если его уровень будет достаточно хорошим. Чем длиннее защитный интервал, тем больше времени, чтобы гасить нежелательное эхо. Но при этом ниже количество данных, которые могут быть переданы (скорость передачи Bit rate — число и/или качество программ). Защитный интервал может быть установлен от нескольких микросекунд до, более чем 200 микросекунд, чтобы гасить отраженные сигналы, прибывающие от разных передатчиков, как близко расположенных, так и расположенных на расстоянии до 70 км. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света; то есть приблизительно 300 м. в 1 микросекунду.
В режиме 2K IFFT (модуляция OFDM с 1705 несущими), имеющем символьную скорость выше, чем в режиме 8 K IFFT (6817 несущих), возможные защитные интервалы имеют более короткую продолжительность, будучи всегда выраженными как доля продолжительности времени символа (1/4; 1/8; 1/16; 1/32). Поэтому в сетях SFN чаще используют режим 8 K IFFT с более длинными защитными интервалами. Различия между режимами 2К IFFT и 8К IFFT.
Выбор величины защитного интервала для одночастотной сети оказывает решающее влияние на топологию сети: поскольку длительность интервала определяет допустимую для данной сети величину задержки эхо-сигнала, то она и определяет максимальное расстояние между передатчиками. Резюме. Чтобы построить сеть одночастотную сеть цифрового вещания (SFN).
- Транспортный Поток должен быть сформирован мультиплексором, который, должен иметь приемник GPS (чтобы гарантировать точность частоты сгенерированных данных); и иметь возможность вставлять Пакеты Инициализации Мегаструктуры (MIP).
- Все передатчики должны быть синхронизированы приемниками GPS.
- Планирование сети (выбор мощности и местоположения передатчиков, диаграммы направленности антенных систем, и т.д.) должно быть выполнено, таким образом, чтобы уменьшить до минимума, возможные, области интерференции.
- Сеть должна быть «оптимизирована», регулировкой защитного интервала, чтобы свести интерференцию в зонах взаимного влияния передатчиков к минимуму.
Всегда, даже при самом тщательном планировании одночастотной сети на границе зоны уверенного приема имеются места, где прием сигнала затруднен или даже невозможен. Это могут быть низины ландшафта, местность за небольшим холмом или высотным зданием, пространство в туннеле или даже внутри здания.
Цифровые DVB-T2 в соответствии с рисунком 2.4 передатчики диапазона серии СТ — это новейшее поколение телевизионных устройств, в которых используются самые современные компоненты, технологические и конструктивные решения. Используемый в передатчиках OEM DVB-T/T2 модулятор разработан и производится компанией TeamCast (Франция) — он полностью интегрирован в передатчик, что улучшает эксплуатационные характеристики последнего.
Цифровые передатчики серии СТ полностью соответствуют стандартам EN 302 755 (DVB-T2), EN 300 744 (DVB-T), EN 302 304 (DVB-H)
Рисунок 2.4 – DVB-T2 передатчик СТ-001
Передатчики содержат систему внутреннего и внешнего АРМ и имеют интеллектуальную защиту от перегрузок: по напряжению сети; по превышению КСВ; по току потребления выходных транзисторов; по напряжению питания узлов; по превышению выходной мощности; по перегреву. Дополнительные опции: Эквивалент антенны НС-50-100 ; переключатель «антенна-эквивалент»; антенна ГЛОНАСС/GPS; синхронизатор ГЛОНАСС/GPS; выходной фильтр с критической маской; трансформатор сопротивлений 50/75 Ом в таблице 2.2, 2.3.
Таблица 2.2 – Состав передатчика:
| Формирователь СТ-001 | 1 шт. |
| Выходной фильтр | 1 шт. |
Основные параметры: | |
| Выходная мощность, Вт | 1 |
| Потребляемая мощность, Вт | не более 80 |
| Питание однофазное, В | 220 ± 15 % |
| Габаритные размеры | 450х482х88 (2U) |
| Масса, кг | 12 |
| Рабочий диапазон, °С | от +5 до +45 |
| Относительная влажность | 90% |
| Высота над уровнем моря, м | 2000 |
| Тепловыделение, Вт | 60 |
| Уровень акустического шума, дБА | 51 дБА |
| Охлаждение | воздушное |
| Гарантия, лет | до 3 |
| Срок службы, лет | 15 |
| Степень защиты по IP | IP30 |
| Наработка на отказ, час | 30 000 |
Таблица 2.3 –Технические характеристики:
| Диапазон рабочих частот, МГц | 174-230 и 470-860 |
| ТВ стандарт | DVB-T /H/ T2 |
| Ширина полосы, МГц | 5, 6, 7, 8 |
| Режимы модуляции | 1K, 2K, 4K, 8K, e8K, 16K, e16K, 32K, e32K |
| Типы модуляции | QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM |
| Защитный интервал | 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4 |
| Скорость кода | 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 |
| Поддержка SFN | есть |
| Поддержка MFN | есть |
| MER до фильтра маски, дБ | не хуже 35 |
| BER | не более 10-9 |
| цифровая коррекция | есть |
| предкоррекция АЧХ | есть |
| предкоррекция нелинейности AM-AM и AM-PM | есть |
| предкоррекция спектра в полосе 20 МГц | есть |
| Возможность синхронизации сигналов | ГЛОНАСС, GPS |
| Режим передачи | SISO, MISO |
| Поворот звездной диаграммы | 29°, 16,8°, 8,6°, arctg(1/16) |
| Количество PLP | 2, 4, 8 |
| Входной формат | TS (режим A, опция для 1 кВт и более), T2-MI (режим B, все мощности) |
В технике цифровой связи методы модуляции играют весьма значительную роль. Помимо своей основной функции – преобразования символ – сигнал – процесс модуляции является составной частью общего процесса согласования сигнала с характеристиками канала. Современные методы многопозиционной модуляции в полном соответствии с теоремой Шеннона могут рассматриваться и как способ кодирования данных сообщений в символы канала. Специфика выбора тех или иных методов модуляции в системах цифрового телевидения обусловлена заданностью сетки каналов эфирного вещания, т.е. использованием уже существующих частотных планов. В разных странах доступными являются радиоканалы с полосами частот 6, 7 или 8 МГц. Цифровой поток различных служб, который должен передаваться в этих полосах в нормальных условиях составляет в разных системах вещания около 20 Мбит/с и выше. Таким образом удельная скорость передачи должна составлять примерно 4 бит/(с·Гц) в полосе 6 МГц и 3 бит/(с·Гц) в полосе 7 или 8 МГц. Но включение в тракт передачи фильтров, задающих коэффициент скругления спектра 25-35%, а также необходимость повышения скорости передачи данных за счет ввода символов кодовой защиты от ошибок приводит к дополнительному повышению удельной скорости сверх приведенных теоретических значений. Теоретически спектральную эффективность до 4 бит/(с·Гц) могут обеспечить такие виды модуляции, как 16 QAM, 4 VSB или 16 PSK. Но по указанным причинам приходится поднимать кратность модуляции и применять модуляцию более высокого порядка, такую как 64 QAM и 8 VSP. В кабельных распределительных ТВ системах, где уровень помех существенно ниже, чем при наземном вещании, есть возможность еще более увеличить кратность модуляции и использовать 256 QAM и 16 VSB.
Одним из методов модуляции в системах цифрового ТВ вещания является многоуровневая амплитудная модуляция с частично подавленной нижней боковой полосой (АМ-ЧПБП, более известная как 8- и 16- VSB). Модулирующий сигнал представляет собой 8- или 16-уровневые импульсы, сглаженные формирующим фильтром. Протяженность нижнего и верхнего срезов спектра составляет 620 кГц при полной ширине спектра 6 МГц. Модуляция 8-VSB предназначена для применения в наземном цифровом вещании, a 16-VSB — для кабельных распределительных сетей. Обе разновидности модуляции VSB имеют одномерные созвездия с различным числом точек, из которых только половина используется для передачи полезной информации, а другая половина — для корректирующего кодирования. Поэтому по скорости передачи полезной информации модуляция 8- (16-) VSB фактически соответствует 4- (8-) VSB без кодирования. Скорость передачи символов при всех вариантах VSB практически в 2 раза выше численного значения занимаемой полосы частот. Помехоустойчивое кодирование практически важный вывод работ Шеннона состоит в том, что если скорость передачи информации меньше пропускной способности канала, то с использованием кодов, исправляющих ошибки, можно создать систему связи со сколь угодно малой вероятностью ошибки на выходе декодера канала. При этом адекватная система без корректирующего кодирования будет более сложной, дорогой и энергоемкой. Отсюда вывод: система, не имеющая корректирующего кодирования и работающая без ошибок, — это крайне неэффективная система. Наоборот, эффективная система должна иметь возможность работы в режиме с достаточно высокой частотой ошибок в потоке на входе декодера, а сам декодированный поток должен иметь крайне малую вероятность ошибки на бит.
Положительным эффектом помехоустойчивого кодирования является либо снижение вероятности ошибки, либо снижение энергетики передачи при той же вероятности ошибки, либо и то, и другое одновременно. Таким образом, кодирование расширяет возможности компромисса между полосой и энергетикой канала, присущего любой системе связи.
В качестве примера системных компромиссов рассмотрим возможности выбора между кратностью относительной фазовой модуляции К = lg2M, кодовой скоростью R и минимально необходимой полосой BN.
Положим, что кодер источника производит биты информации со скоростью
Vb=1/Тb, (2.1)
где Тb — длительность информационного символа (тактовый интервал) в системе без кодирования.
Тогда в зависимости от кратности модуляции М- позиционного сигнала ФМ требуется полоса Найквиста BN = 1/КТb. При кодировании кодом, исправляющим ошибки, скорость группового потока, состоящего из информационных и проверочных символов, возрастает в 1/R раз и становится равной у = 1/RTb, соответственно увеличивается и полоса Найквиста ВN=1/KRTb. Данные расчетов для ряда значений К и R приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Числовые позиции и скорость R
Из таблицы следует, что при передаче с неизменной скоростью Vb = const, одно и то же значение полосы Найквиста, например, BN = 1/2Тb, обеспечивается для сочетаний (К=2, R=1), (K=3, Д=2/3), (К=4, R=1/2). Какое же сочетание лучше? Ответ на этот вопрос дает параметр, называемый энергетическим выигрышем кодирования (ЭВК).