Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

Поскольку средний уровень информационных сигналов близок к 0, амплиту­да несущей при амплитудной модуляции также была бы нулевой. Но несущая в качестве пилот-сигнала необходима в данной системе для восстановления син­хронизации в приемнике, поэтому вводят смещение уровень каждого сигнала данных увеличивают на 1,25 единицы. Это соответствует появлению маломощ­ного периодического сигнала несущей, добавляющего лишь 0,3 дБ к общей мощности сигнала. Данною уровня достаточно для детектирования несущей даже при отношении сигнал/шум 0 дБ.

Кодирование по алгоритму Рида Соломона защищает информацию от кратковременных помех (до 10 ошибочных байт на 207-байтное слово). В случае дли­тельных помех этот механизм сам по себе бессилен. Поэтому в VSB введено меж­сегментное перемежение после кодера Рида-Соломона все байты одного пакета распределяются по 52 сегментам одного поля данных. Таким образом, даже если сегмент пропал, после деперемежения в каждом пакете окажется незначитель­ное число поврежденных байтов, которые восстановятся декодером. Механизм перемежения используется и после решетчатого кодирования (в 8T-VSB), в ре­зультате которого последовательные символы оказываются отстоящими друг от друга на 12 символов - внутрисегментное перемежение. После внутрисегмент­ного перемежения в сегменты вводят синхросигналы и добавляют синхропакеты полей, после чего смещают на 1,25 уровень сигналов данных для включении пилотной несущей. Столь сложным сигналом модулируется несущая на проме­жуточной частоте (ПЧ) 44 МГц, которая затем переносится непосредственно в полосу заданного телеканала.

К сожалению, имея лучшие теоретические показатели пороговых соотноше­ний сигнал/шум и энергетической эффективности сигнала (на бит информа­ции) [10], ATSC недостаточно надежен при многолучевом распространении сиг­налов, что неизбежно в условиях городской застройки. При этом отраженный сигнал, пришедший с задержкой, уже является помехой по отношению к основ­ному. И если уровень отраженного сигнала менее чем на 15 дБ отличается от прямого, приемник теряет работоспособность — появляются помехи. То же са­мое относится и к приему сигналов от двух передатчиков. Поэтому заявленный выигрыш систем ATSC по отношению к DVB по показателю сигнал/шум в 4 - 6 дБ может проявиться разве что в лабораторных условиях. Практика же показывает, что в Нью-Йорке передатчик ATSC мощностью 350 кВт не обеспечивает 100% приема в радиусе 10 км, тогда как в Лондоне достаточно передатчика DVB-T мощностью 10 кВт для уверенного приема в радиусе 114 км [5]. Приходится усложнять антенные системы, что, очевидно, пользователей не радует.

3. Стандарт dvb

DVB, принятый в Европе, - это набор спецификаций, охватывающий кабельное DVB-0 (cable), спутниковое DVB-S (sattelite) и наземное DVB-T (terrestrial) ве­щание. Наиболее сложный алгоритм в DVB-T, поскольку условия работы и требовании к передаче при наземном вещании наиболее жесткие. Очень кратко остановимся на наиболее примечательных особенностях DVB.

Предварительная обработка пакетов в DVB в принципе аналогична 8-VSB, хо­тя механизмы реализации функций различны. На вход кодера поступают транс­портные пакеты MPEG-2 по 188 байт (1 синхробайт (всегда 4716) + 187 байтов данных) (рис. 55). Прежде всего они рандомизируются посредством сложения но модулю 2 с двоичной псевдослучайной последовательностью (генератор 15 разрядный сдвиговый регистр). Генератор инициализируется через каждые восемь пакетов одним и тем же числом (4B8016). Синхробайты не рандомизируют, каждый восьмой синхробайт инвертируют.

После рандомизации пакеты защищают кодом Рида-Соломона, в результате чего к 188 байтам добавляются 16 проверочных возможно исправление до 8 ошибочных байт на кодированный 204-байтиый пакет. Затем байты перемешива­ются внутри кодированных пакетов, причем так, что синхробайты остаются на своих местах, что внешнее перемежение. Затем следует внутреннее сверхточное кодирование. Его реализует сдвиговый регистр из шести триггеров, прекращаю­щий каждый входной бит в два выходных (скорость кодера 1/2). В DVB можно выбирать скорость сверхточного кодировании (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8), используя но оба элемента выходных нар, а лишь один. До сих пор функционально все бы­ло аналогично системе 8-VSB. Дальше начинаются принципиальные различии, спя чанные с модуляцией радиосигнала.

Рис. 55. Формирование сигнала в системе DVB-T

В стандарте использовала модуляция COFDM (Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) вариант мультиплексирован и посредством ортогональ­ных несущих (OFDM) с предварительным кодированием сигнала. Модуляция OFDM подразумевает, что весь диапазон канала вещания (в Европе 8 МГц) разбит на множество ортогональных поднесущих. Ортогональность означает, что усредненное по времени произведение двух несущих равно нулю. Частоты поднесущих задаются как fn(t) = соs2π(f0+n/τ)t, где fо- нижняя частота диапазона, n- номер поднесущей (n = 0..N — 1; N - число поднесущих), τ — временной интервал передачи одного символа. Поток данных разбивается на N субпотоков, несущая каждого из которых модулируется с гораздо меньшей скоростью. Разнос несущих по частоте равен 1/τ.

Поскольку в отдельном субканале скорость передачи невелика, перед каждым символом можно ввести защитный интервал - временной отрезок до 0,25τ, в течение которого транслируется фрагмент уже переданного символа (для сохра­нения ортогональности несущих). Основное назначение защитных интервалов — борьба с межсимвольными помехами, вызванными в том числе и переотражениями сигналов. Действительно, поскольку скорость символов мала, переотражен­ный сигнал в приемнике «накладывается» на прямо распространяющийся сигнал в интервале одного символа, а не следующего, попадая в защитный интервал

Независимая (ортогональная) многочастотная передача с защитными интер­валами позволяет успешно противостоять как мощным узкополосным помехам, так и переотраженным сигналам, причем методами цифровой обработки. В си­стеме передачи с одной несущей VSB основное средство борьбы с аддитивными помехами эквалайзер, однако при полном подавлении несущей сигнал вос­становить уже невозможно. При многочастотной передаче «пропадут» только сигналы, попавшие в полосу помехи. Поскольку сигнал кодирован, информацию можно восстановить по данным из других субканалов.

В DVB в одном канале (при принятой в Европе ширине ТВ-канала 8 МГц) может быть до 8 тыс. несущих (учитывая требования алгоритмов обработки, 8 х 1024 = 8192 или 8К). Реально задействовано 1705 (режим 2К COFDM) или 6817 (резким 8К) несущих. Каждая несущая модулируется посредством 4-пози­ционной квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Соответственно, на каждой несу­щей один модуляционный символ определяет от двух до шести бит.

Напомним, что при квадратурной модуляции выходной тишал формирует­ся сложением двух смещенных друг относительно друга на 90° гармонических колебаний на одной частоте / синфазного SI(t) = A S cosωt и квадратурно­го SQ(t)=-AQ sinωt) (ω=2πf). Их сумма - исходное колебание с фазо­вым сдвигом на угол φ= arctan (AQ/As): As cos ωt – AQ sin ωt = A cos (ωt + φ);

(14)

В соответствии с числом уровней модуляции исходный поток данных разби­вается на n субпотоков по числу бит в модуляционном символе. Для QPSK таких субпотоков два, для 16-QAM - четыре. Демультиплексирование происхо­дит побитно скажем, при модуляции 64-QAM (п=6) первый бит попадает в первый субпоток, шестой в шести, седьмой снова в первый и т.д. В DVB в каждом субпотоке биты переставляются по определенному правилу (своему для каждого субпотока) в пределах блока в 12G бит внутреннее перемежение. Параллельные выходы устройств перемежения формируют модуляционный сим­вол: 2-, 4- или 6-разрядныЙ. На одной несущей OFDM передается один символ, поэтому в режиме 8К одновременно транслируется 48 групп по 126 символов — всего 48 х 126 = 6048 информационных несущих (или 12 групп по 126 симво­лов на 1512 несущих в режиме 2К). Одновременно передаваемые QAM-символы входят в ODFM-символ. Они распределяются по субканалам OFDM не последовательно, а опять-таки перемежевываются по определенному закону. Поэтому, если OFDM-символ пропадает, его данные можно восстановить, поскольку биты одного кодированного пакета оказываются распределенными но многим OFDM-символам.

Очевидно, что реализовать метод передачи OFDM «в лоб», т.е. использовать несколько тысяч генераторов модулированных поднесущих, весьма проблематич­но. А на приемной стороне это и вовсе неразрешимая задача. Однако современ­ные методы цифровой обработки сигнала позволяют существенно упростить ее решение, используя отработанные алгоритмы прямого и обратного быстрого пре­образования Фурье (БПФ и ОБПФ). Как это происходит?

Рассмотрим для примера векторную диаграмму модуляции 16-QAM (рис. 56). Каждая точка на ней соответствует четырем битам символа и определяет ампли­туды синфазного (абсцисса) и квадратурного (ордината) колебаний. Складыва­ясь, эти колебания задают соответствующий символу сигнал. Если применить математический аппарат комплексных чисел, ось квадратурных амплитуд будет соответствовать оси мнимых чисел (Im) ось синфазных амплитуд — оси действи­тельных чисел (Re). Тогда любой символ можно представить как комплексное число z = As + iAq или, по формуле Эйлера, z =Aeiφ . В DVB используют не сами z, а их значения, нормированные на среднюю амплитуду суммарного колебания при выбранном виде модуляции. Это необходимо для усреднения ам­плитуд сигналов при различных режимах модуляции (очевидно, что при QPSK нормирующий множитель , тогда как при 16-QAM ).

Рис. 56. Векторная диаг­рамма 16-QAM

Запишем в комплексном виде модулированный символом Ck(t) сигнал на k-й несущей (без ее перено­са в диапазон вещания): Sk(t) = Ck(t)ei2πkt/τ. Учи­тывая, что сигнал изменяется дискретно, т. е. t = nT, где Т — длительность дискретного интервала, n — номер отсчета, получим Sk(nT) = Ck(nT)ei2πknT/τ.

Тогда общий сигнал OFDM-символа:

(15)

Математически это аналогично вычислению дис­кретных значений функции по дискретным значе­ниям амплитуд (Ck) ее гармонических составляю­щих (с частотами к/τ). Данную процедуру описы­вает ОПФ:

(16)

где N - число гармонических составляющих, в нашем случае - число несу­щих.

Если длительность интервала дискретизации Т выразить как τ/N, выра­жение (15) станет аналогичным ОПФ (16). Алгоритмы БПФ, как прямого, так и обратного, достаточно хорошо проработаны, в том числе и с точки зрения их аппаратной реализации. Они наиболее эффективны при N вида 2m . Поэтому в 8K-COFDM число несущих условно принято равным 213 = 8192 просто не все из них используются. Величина 1/T=N/τ — это так называемая системная так­товая частота, для полосы канала в 8 МГц она равна 64/7 МГц. При переходе к другому частотному плану, например с полосой ТВ-канала 7 или 6 МГц, доста­точно изменить системную тактовую частоту, сохраняя неизменной всю структу­ру обработки сигнала (а вместе с ней основные функциональные устройства). Отметим, что системная тактовая частота одинакова в режимах 2К и 8К, т.е. от числа несущих скопить передачи напрямую не зависит, изменяется только надежность.

Таким образом, посредством ОБПФ из входного массива модуляционных сим­волов численно формируется выходной OFDM-символ. Временной интервал его передачи складывается из собственно времени передачи символа г и защитно­го интерната длительностью до т/4, в течение которого «повторно» передается часть символа (заключено в кавычки, поскольку защитный интервал следует перед информационным). Отметим, что кроме 6048 (в режиме 8К) информаци­онных субканалов он включает еще пилотные сигналы, а также сведения о пара­метрах передачи - всего 6817 модулированных несущих. Пилотные сигналы — это фиксированные псевдослучайные последовательности с точно известными значениями фаз и амплитуд сигналов. Одна часть пилотных сигналов — непре­рывные передается на фиксированных несущих в каждом OFDM-символе, Другая распределенные случайным образом (но равномерно) в произволь­ные моменты времени распределяется по спектральному диапазону передачи. Назначение пилотных сигналов синхронизации и оценка параметров канала передачи.

Синтезировать OFDM-символы недостаточно, необходимо еще сформировать радиосигнал в заданной частотной области (с нижней частотой fо). Перенос сим­вола в необходимый диапазон это ею смещение на частоту fо, что в ком­плексной форме эквивалентно умножению на комплексное (в виде квадратурных слагаемых) представление несущей fо. При этом амплитуды перемножают­ся, а аргументы складываются. Выделяя действительную (синфазную) и мнимую (квадратурную) составляющие S(n) и умножая их соответственно на cos(2πfot) и - sin(2πfot), после суммирования получим полный сигнал одного OFDM-символа.

Описанные механизмы позволяют очень гибко выбирать необходимый режим вещания, а также совмещать два потока пакетов MPEG-2 с высокой и низкой скоростью. Возможную скорость определяют вид модуляции, скорость сверхточного кодирования (СК), величина защитного интервала Т3 (τ/4, τ /8, τ /16, τ /32). Учитывая, что при 8K-OFDM τ = 896 мкс, скорость изменяется в пределах от 4,98 Мбит/с (QPSK, СК = 1/2, Т3 = г/4) до 31,67 Мбит/с (64-QAM, СК - 7/8, Т3 = τ /32).

Мы чрезвычайно схематично рассмотрели принцип передачи сигнала в DVB-T. Однако сигнал надо еще принять, демультиплексировать и декодировать, что сложнее, чем синтезировать его в передатчике. Дня этого дополнительно к ал­горитмам передатчика применяют корреляционные детекторы, декодеры с алго­ритмом Витерби и т.д. Причем приемное устройство должно быть компактным и недорогим иначе кто же его купит. Транспортные пакеты MPEG-2 также надо декодировать и сформировать ТВ-сигнал цифровой или аналоговый, в зави­симости от типа телевизора. Поэтому ЦТВ-приемник- это достаточно слож­ный программно-аппаратный комплекс, и только технологические достижения последних лет позволяют делать его недорогим при массовом выпуске.

На рынке уже появились DVB-T ресиверы в однокристальном исполнении, пример тому ИС DVB-T-ресивера SQO 6100 компании Infineon. Данная НС поддерживает практически все режимы DYB-T (2К/8К-СОК1)М; ТВ-канал в, 7 и 8 МГц, все скорости сверхточного кодирования и методы модуляции). Ее примене­ние делает приемник DVB-T конструктивно простым (см. рис. 57). Аналоговый сигнал с антенны принимает ИС тюнера типа TUA 60хх. Он усиливает, филь­трует нужный ТВ-канал и преобразует его сигнал к первой IIЧ (36,125 МГц). После ПАB-фильтра сигнал преобразуется смесителем (например. TDA 6190) ко второй ПЧ (7,225 МГц) и далее попадает на демодулятор SQG 6100. На выходе эта НС формирует поток транспортных пакетов MРEG-2.

Рис. 57. DVB-T приёмник на базе ресивера SQC 6100

Первые наземные передачи ЦТВ и ТВЧ в США начались ещё в 1997 го­ду. По требованию Федеральной комиссии по связи (FCC) к маю 2002 года все коммерческие станции должны были прейти на передачи с использованием цифровых сигналов, для некоммерческих станций этот срок сдвигали на один год. К концу 2006 года нее станции должны прекратить аналоговое вещание. Так наложено на бумаге. В действительности в США с цифровым телевидением ситуация не слишком радужная.

В отличие от происходившего в 60-е годы переходя на цветное телевидение, сигналы которого можно было принимать и на черно-белые приемники, сигнал ЦТВ аналоговый телевизор не воспринимает - необходим либо новый цифровой ТВ-приемник, либо цифровая принимающая приставка к аналоговому. Устрой­ства эти, даже по американским меркам, не дешевые, например крупный магазин бытовой техники в Нью-Йорке предлагает приемники ТВЧ Panasonic по цене от 1500 до 2800 долл. Около 650 долл. стоит ЦТВ-приставка Thomson. И хотя в прайс уже более 170 телевизионных станций вещают в стандарте ATSC, про­дано всего лишь около 625 тыс. ЦТВ-приемников. И это несмотря на то, что производством и поставками ЦТВ-приемников в США занимаются свыше 30 фирм, а парк аналоговых телевизоров в стране оценивают на уровне 300 млн. Поэтому телекомпании как эфирного, так и кабельного вещания не спешат переходить на цифровой формат. А еще более усугубляет ситуацию конкуренция и видимые преимущества европейского стандарта DVB, который уже давно вышел за пределы Старого света.

Проблема усложняется и тем, что телезрители так и не получили обещанного высокого качества. Вернее, качество картинки высокое, однако надежность ее доставки оставляет желать лучшего. В этой святи в 1999 году представители 761 ТВ-станции США высказали озабоченность по поводу относительно низко­го качества передаваемых ТВ-сигналов. Американская вещательная компания Sinclair Broadcasting Group владелец наибольшего в США числа лицензий на ТВ-вещание направила в FCC доклад с призывом отказаться от принятой в ATSC модуляции 8-VSB и принять европейскую систему модуляции COFDM. Уже более 400 компаний объявили о поддержке этого доклада. Более того, Ми­нистерство обороны США высказало свою обеспокоенность низким (по сравне­нию с COFDM) качеством приема на портативные приемники 8-VSB-cm нала, что может оказаться существенным при объявлении общенациональной тревоги и в других чрезвычайных ситуациях. Поэтому Пентагон настаивает на внедрении COFDM в стандарт ATSC. Затянувшееся состояние неопределенности отнюдь не способствует развитию ЦТВ в США.

В Великобритании ситуация с цифровым телевизионным вещанием иная. Все­го через два года после начала в ноябре 1998 года внедрения системы DVB 8 из каждых 10 домов уже находились в зоне действия наземного передатчика ЦТВ и могли принимать сигналы на антенну на крыше дома. Адаптеры — пристав­ки для имеющихся телевизионных приемников гораздо дешевле телевизоров стандарта ATSC, поэтому операторы платного телевидения предоставляют их те­лезрителям бесплатно. Около шести миллионов домов порядка 20% общего их количества в Великобритании принимают сигналы цифрового телевидения как от наземных станций платного телевидения (1 млн домов), так и от спутниковой системы BskyB (5 млн домов). Прекращение аналогового ТВ-вещания в Велико­британии может начаться уже в 2006 году и закончиться к 2010 году. Однако, по мнению независимой телевизионной комиссии IТС, хоти страна и является ми­ровым лидером в данной области, даты перехода от аналогового телевизионного вещания к цифровому пока еще называть рано.

Переход к цифровому телевизионному вещанию в других странах мира. В развитии наземного цифрового телевизионного вещания остальная Европа от­стает от Великобритании. Практически вес европейские страны выражают на­мерение начать Запуск DVB-систем в ближайшие два года. DVB-T вещание уже развертывается в Швеции, Испании, Финляндии и Дании, однако с меньшим успехом, поскольку адаптеры DVB-T там бесплатно не предоставляют. В Нидер­ландах внедрению DVB-T препятствует широко развитое кабельное телевидение.