Способ трансляции информационного узкополосного цифрового мультимедийного радиовещания
METHOD OF TRANSMISSION OF INFORMATIONAL NARROW-BAND DIGITAL MULTIMEDIA BROADCASTING

Изобретение относится к области телевизионного и звукового радиовещания, в частности к технике передачи/приема телевизионного сигнала стандартной и/или высокой четкости и стереофонического и/или многоканального звукового радиовещания, и может найти применение в системах наземного распределения информационных программ и может быть использовано для организации мультимедийного информационного узкополосного телерадиовещания в I-III диапазонах очень высоких частот (ОВЧ) при расположении приемника в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах.
Известно много способов цифровой передачи телевизионных программ стандартной и высокой четкости, звуковых стереофонических и многоканальных вещательных программ.
Распространенный способ цифрового наземного телевизионного вещания по стандарту DVB-T2 (см. ETSI EN 302 755 V1.4.1 (2015-07) Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). European Standard) включает при передаче цифровое сжатие сигналов изображения и звукового сопровождения достаточно большого числа программ телевидения стандартной и высокой четкости, их мультиплексирование, помехозащищающее канальное кодирование, модуляцию несущих ОЧРК с введением пилотных несущих, преобразование в аналоговый сигнал, усиление мощности сигнала и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих, канальное декодирование, разделение цифровых сигналов изображения и звукового сопровождения, их декодирование и воспроизведение.
Недостатком этого способа является широкая полоса частот, занимаемая цифровым телевизионным сигналом, что затрудняет его применение на мобильных средствах в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью распространения и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом и в горной местности.
Близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ трансляции информационного телевидения (патент РФ №2219676), включающий при передаче цифровое сжатие сигналов изображения и звукового сопровождения, их мультиплексирование с получением сжатого сигнала информационного телевидения, помехозащищающее канальное кодирование, модуляцию несущих с применением ОЧРК и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих сигналов, канальное декодирование, разделение цифровых сигналов изображения и звукового сопровождения, их цифровое декодирование и воспроизведение.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности передачи дополнительных данных с повышенной помехоустойчивостью, что ограничивает возможности его применения, например, для оповещения населения в случае чрезвычайных ситуаций и пр.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ цифрового радиовещания по стандарту РАВИС (патент РФ №2441321. Способ мобильного узкополосного цифрового мультимедийного радиовещания; ГОСТ Р 54309-2011. Аудиовизуальная информационная система реального времени (РАВИС). Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ-диапазоне. Технические условия; Report ITU-R ВТ. 2295-1 (07/2015). Digital terrestrial broadcasting systems), включающий при передаче цифровое сжатие звуковых многоканальных сигналов или видеосигналов, передаваемых в канале ОС, использование двух низкоскоростных информационных каналов, раздельное помехозащищающее канальное кодирование сигналов каналов ОС и сигналов низкоскоростных информационных каналов, модуляцию несущих ОЧРК с введением пилотных несущих и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих сигнала, разделение сигналов ОС и низкоскоростных каналов, канальное декодирование, разделение цифровых звуковых сигналов канала ОС, их цифровое декодирование и воспроизведение.
Недостатками такой системы являются использование только одной из трех полос излучаемого сигнала (100, 200 или 250 кГц), что не позволяет обеспечить передачу видеоинформации высокого качества, отсутствие возможности уменьшения пик-фактора сформированной информации с помощью резервных несущих, повышения эффективности синхронизации приема, особенно в условиях наличия помех большого уровня, а также возможности значительного уменьшения нелинейности и коррекции искажений боковых полос излучаемого радиосигнала.
Целью изобретения является организация мультимедийного информационного узкополосного телерадиовещания в I-III диапазонах очень высоких частот (ОВЧ) при расположении приемника в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях телерадиовещание с известными на сегодня системами не может обеспечить удовлетворительного качества передачи и приема телевидения стандартной/высокой четкости и стереофонического/многоканального звукового вещания.
Задача изобретения заключается в обеспечении устойчивого приема цифровой телевизионной программы стандартной/высокой четкости и/или звукового стереофонического/многоканального вещания в движущемся транспорте в условиях пониженной напряженности поля при наличии многолучевости распространения радиосигнала, узкополосности канала передачи и быстрой смены фазовой структуры поля при движении транспорта.
Поставленная задача решается посредством способа мобильного узкополосного цифрового радиовещания, включающего при передаче цифровое сжатие звуковых, видео и дополнительных сигналов, их мультиплексирование с получением мультимедийного сигнала канала основного сервиса (ОС), цифровое кодирование дополнительной информации низкоскоростных каналов надежных данных (НД), раздельное помехозащищающее канальное кодирование данных канала ОС и данных каналов НД, модуляцию несущих с применением ортогонального частотного разделения каналов (ОЧРК), содержащего последовательности символов с активным и защитным интервалами, с введением служебных несущих, включающих пилотные несущие и несущие, определяющие параметры передачи сигналов (ППС), преобразование в аналоговый сигнал, его усиление до необходимой мощности и излучение, а на приеме - аналого-цифровое преобразование сигнала, демодуляцию несущих сигнала, разделение цифровых сигналов канала ОС и сигналов каналов НД, их цифровое декодирование и воспроизведение, причем на передаче в зависимости от возможности использования полос радиочастотного спектра I-III диапазонов ОВЧ применяют полосы радиоканала 50×n кГц, где n=1, …, 20, при заданном разносе между несущими ОЧРК, при этом в процессе модуляции производят уменьшение пик-фактора сформированного сигнала в определенной последовательности: сначала реализуют метод резервных несущих, рассеянных случайным образом между несущими каналов ОС и НД и составляющих порядка 5% от общего числа несущих, а затем применяют алгоритм адаптивного активного расширения созвездия, обеспечивающий преобразование области отсечения в шумовую составляющую в возможной области расширения сигнального созвездия и удаление внеполосных искажений путем фильтрации.
Также на передаче в составе служебных несущих включено несколько синусоидальных сигналов, частота которых кратна частоте последовательности символов с активным и защитным интервалами, так что эти синусоидальные сигналы оказываются непрерывными в выделенных приемниками сигналах ОЧРК и могут дополнительно эффективно использоваться для синхронизации принимаемого сигнала и коррекции фазочастотных характеристик приемного устройства.
2
2
3
3
2
3
2
3
1
1
2
3
Способствует решению поставленной задачи и то, что на передаче после преобразования цифрового сигнала U(t) в радиосигнал и усиления в аналоговой форме до необходимой мощности, его дополнительно суммируют со взвешенными значениями этих сигналов, задержанных и возведенных в степень: α⋅U(t+τ), α⋅U(t+τ), …, где α, α, … - коэффициенты взвешивания, а τ, τ - задержки составляющих аналогового сигнала в усилителе мощности, подбираемые таким образом, чтобы на выходе усилителя выделялся неискаженный сигнал α⋅U(t+τ).
Сущность изобретения заключается в способе, включающем на стадии передачи цифровое сжатие телевизионного изображения стандартной или высокой четкости, стереофонической или многоканальной звуковой и дополнительной информации, их мультиплексирование с получением сжатого мультимедийного сигнала канала основного сервиса (ОС), цифровое кодирование дополнительной информации низкоскоростных каналов надежных данных (НД), раздельное помехозащищающее канальное кодирование данных каналов ОС и каналов НД, модуляцию несущих с применением ортогонального частотного разделения каналов (ОЧРК), содержащего последовательности символов с активным и защитным интервалами, с введением служебных несущих, включающих пилотные несущие и несущие, определяющие параметры передачи сигналов (ППС), преобразование в аналоговый сигнал, его усиление до необходимой мощности и излучение, а на стадии приема - аналого-цифровое преобразование сигнала, демодуляцию несущих сигнала, разделение цифровых сигналов канала ОС и каналов НД, их цифровое декодирование и воспроизведение.
Кодирование каналов включает рандомизацию, помехозащищающее кодирование и несколько видов перемежения (битовое, ячеечное, частотное и временное).
На стадии передачи в зависимости от возможности использования полос радиочастотного спектра I-III ОВЧ диапазонов применяют полосы радиоканала 50×n кГц, где n=1, …, 20, при заданном разносе между несущими ОЧРК. При n=1, …, 4 предусматривается возможность трансляции от одной до 10 стереофонических звуковых программ, при n=5, …, 10 - соответственное увеличение числа передаваемых стереофонических звуковых программ, либо передача телевидения стандартной четкости (число отсчетов в строке - 720, число строк - 576, число кадров - 25 кадров/с), и до шести программ звукового сопровождения, при n=11, …, 15 - телевидение повышенной четкости (1280×720, 25/50 кадров/с) с рядом звуковых сопровождений и рядом стереофонических звуковых программ, при n=16, …, 20 - телевидение высокой четности (1920×1080, до 60 кадров/с) с многоканальным звуковым сопровождением и рядом многоканальных звуковых программ.
При этом в процессе канального кодирования производят уменьшение пик-фактора сформированной информации в определенной последовательности: сначала реализуют метод резервных несущих с применением рассеянных случайным образом несущих порядка 5% от общего числа несущих ОЧРК, а затем используют алгоритм адаптивного активного расширения созвездия, обеспечивая преобразование области отсечения в шумовую составляющую в возможной области расширения сигнального созвездия и удаление внеполосных компонент путем фильтрации.
На стадии передачи дополнительно к существующим служебным несущим включают несколько несущих, частота которых кратна частоте последовательности символов с активным и защитным интервалами, так что эти синусоидальные сигналы оказываются непрерывными в выделенных приемниками сигналах и могут дополнительно эффективно использоваться для синхронизации принимаемой информации и коррекции частотных характеристик приемного устройства.
2
2
3
3
2
3
2
3
1
1
2
3
При передаче после формирования цифрового сигнала U(t), его преобразования в аналоговую форму и усиления до необходимой мощности его дополнительно суммируют с взвешенными значениями возведенного в степень и задержанного сигнала - α⋅U(t+τ), α⋅U(t+τ), где α, α, … - коэффициенты взвешивания степенных функций, а τ, τ, … - задержки искаженных составляющих аналогового сигнала в усилителе мощности, подбираемые таким образом, чтобы на выходе усилителя выделялся неискаженный сигнал α⋅U(t+τ), который затем излучается передатчиком.
При приеме производится усиление, перенос сигнала на низкую частоту и аналого-цифровое преобразование сигнала. Затем проводится синхронизация сигнала ОЧРК (поиск начала символа ОЧРК и начала кадра ОЧРК) и дискретное преобразование Фурье (ДПФ) для каждого символа ОЧРК, причем данные корректируются в соответствии с информацией пилотных и непрерывных служебных несущих. Поиск начала кадра ОЧРК осуществляется с помощью нахождения двух символов ОЧРК одинакового типа (по маске пилотных несущих), идущих подряд. По информации несущих ППС определяются режимы канального кодирования и модуляции сигнала, а также наличие данных каналов НД. При использовании разнесенного приема производится адаптивное сложение или коммутация принятых сигналов. Далее проводится демультиплексирование данных каналов ОС и НД, их раздельное декодирование. Декодирование каналов включает блоковое деперемежение, деперемежение ячеек, битовое деперемежение, канальное декодирование и дерандомизацию. Затем данные канала ОС демультиплексируются, видео и звуковые данные декодируются и воспроизводятся.
На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов передающего устройства для реализации способа.
Это устройство содержит формирователь контента 1, включающий видеокодеры 2, на входы которых подаются сигналы изображения, аудиокодеры 3, также формирующие цифровые сигналы от внешних входных звуковых сигналов. Сформированные цифровые кодированные сигналы изображений и звука, а также, возможно, дополнительные цифровые данные подаются на мультиплексор 4, на выходе которого выделяется цифровой сигнал контента канала ОС. Управление переключением кодирующих устройств и выбором их параметров осуществляется блоком управления и формирования синусоидальных несущих сигналов 5. Сформированные таким образом кодированные сигналы, а также внутренние и внешние входные сигналы каналов надежного доступа НД подаются на входы формирователя кадров ОЧРК и корректора пик-фактора 6, содержащего соответственно блоки 7 и 8 обработки, канального кодирования и перемежения данных каналов ОС и НД.
Созданные цифровые последовательности канала ОС и каналов НД поступают в блок 9 отображения данных на несущие ОЧРК, который обеспечивает требуемую ширину полосы радиоканала при заданном интервале между несущими ОЧРК. В этом блоке при формировании символа осуществляется также частотное перемежение несущих, ввод служебных несущих (пилотных несущих во всей полосе канала, несущих ППС и непрерывных несущих), введение задержки (при использовании системы разнесенной передачи) и введение защитного интервала. Период непрерывных служебных несущих кратен периоду следования символов ОЧРК, так что они могут выделяться в приемном устройстве весьма узкополосными фильтрами и использоваться для эффективной синхронизации и коррекции его частотных свойств.
Затем данные поступают на схему коррекции пик-фактора, состоящую из блока 10 выделения ряда заданной случайной последовательности несущих (порядка 5% из используемого набора несущих ОЧРК), блока 11, реализующего метод резервных несущих (Tone reservation - TR) с итерационным процессом формирования «ядра», обеспечивающего последовательный поиск наибольшего пика сигнала ОЧРК и уменьшения такого выброса, и, наконец, блока 12, использующего метод адаптивного активного расширения созвездия (Adaptive АСЕ) (Madhuri P., Dr Malleswari В.L. Peak-To-Average Power Ratio Reduction by CB-ACE and Adaptive Ace Algorithms // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 2, February 2012).
Алгоритм использования метода резервных несущих реализуется последовательностью нижеследующих операций.
Исходно сигнал символа ОЧРК, содержащий ряд синусоидальных сигналов со случайными размахами и фазами, представим распределением, соответствующим нормальному закону, и исходно соответствующая коррекция пиков  на всех точках n сигнала равна нулю , 0≤n≤N, где N - число отсчетов в символе ОЧРК.
Далее производится итерационный процесс.
1. Присваивается начальный номер итерации i=1.
(i)
(i)
n
2. Находится максимальное значение модуля сигнала y и его положение m: , , где x - необработанное значение сигнала в точке n=0, 1, …, N-1.
(i)
Если y<Vc, где Vc - заданный уровень отсечки, то i уменьшается на 1 и производится переход к 7-му шагу.
Выбор Vc играет очень важную роль в оптимизации алгоритма с резервными несущими. Если выбирается слишком большая или слишком малая величина Vc, то выигрыш оказывается незначительным. Выбор «оптимального» значения Vc зависит от количества пиков ОЧРК в символе и скорости их обработки.
3. Вычисляется отклонение уровня сигнала в найденном на предыдущем шаге экстремуме:
(i)
(i)
(i)
4. Находится величина отклонения α=y-Vc. Если α≈0, то i уменьшается на 1 и производится переход к шагу 7.
5. Значение вектора  изменяется следующим образом:
I
TR
(i)
где  - формируемое комплексное ядро с использованием резервных несущих S, N - число резервных несущих, используемых при реализации алгоритма, R=(n-m) mod N.
6. Если номер итерации i<N-1, то его величина увеличивается на 1 и производится переход к шагу 2, в противном случае происходит переход к шагу 7.
7. Вычисляется итоговое значение сигнала:
Таким образом, итерационный алгоритм последовательно находит максимальный экстремум в сигнале ОЧРК и обеспечивает его подавление до величины Vc. Этот алгоритм реализован с применением двух критериев оптимизации, основанных на выборе оптимального или квазиоптимального ядра и наиболее подходящего значения Vc.
Алгоритм весьма эффективен, когда при построении ядра выбираются случайные частоты. Существует много методов выбора оптимального ядра, которое обеспечивает максимальное уменьшение пик-фактора. У такого ядра все выбросы, кроме главного, должны иметь минимальные и примерно одинаковые по величине вторичные пики.
Метод адаптивного активного расширения созвездия используется для коррекции пик-фактора сигнала символа ОЧРК путем преобразования области отсечения в шумовую составляющую в возможной области расширения сигнального созвездия и обеспечения удаления внеполосного искажения путем фильтрации. Алгоритм стоит из следующих шагов.
a
1. Выбирается значение уровня отсечки V и число итераций.
(0)
(0)
2. Устанавливаются исходные данные: i=0, x=x, Va=Va.
3. Находятся значения отклонений:
Если никакие части сигнала не ограничены уровнем отсечки Va, то алгоритм завершен и полученный сигнал сформирован.
4. Вычисляется матрица передачи T анти-пика :
*(i)
(i)
где Q - матрица, сопряженная с Q,
5. Вычисляется значение коэффициента ограничения и обновляется :
6. Обновляется уровень ограничения:
P
a
a
(i+1)
(i)
где N - число пиков выше уровня отсечения, V=V+μ⋅Δ.
7. Увеличивается счетчик итераций i и происходит переход к шагу 2.
Особенностью предлагаемого способа является использование комбинированного метода в последовательности TR + Adaptive АСЕ, обеспечивающего лучший вариант уменьшения пик-фактора последовательности символов ОЧРК при применении выделенной случайной последовательности 5% несущих. При этом всегда реализуется уменьшение пик-фактора примерно на 5 дБ (фиг. 2) и соответствующее повышение мощности радиопередающего устройства.
Цифровой сигнал U(t) с выхода формирователя кадров 6 поступает на усилитель мощности и схему коррекции его нелинейности 13, содержащую последовательно включенные цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14 и аналоговый усилитель радиосигнала 15, а также систему, формирующую дополнительные сигналы коррекции этого усилителя.
Если этот усилитель не обладает резким ограничением уровня сигнала, форма его амплитудной характеристики и выходного сигнала может быть определена суммой взвешенных степеней составляющих:
вых
1
1
2
2
3
3
4
4
U(t)=αU(t+τ)+αU(t+τ)+αU(t+τ)+αU(t+τ)+…,
1
1
2
3
4
1
2
3
4
где α - коэффициент усиления входного сигнала и обычно выполняются неравенства: α>>α>α>α …, τ, τ, τ, τ, … - сдвиги составляющих выходного сигнала за счет искажений фазовой характеристики усилителя.
2
3
Практически можно ограничиться лишь квадратичной и кубической составляющими U(t) и U(t), которые вычисляются схемами соответственно 16.1 и 16.2. Далее эти две составляющие каждая подаются соответственно на последовательно соединенные схемы 17.1, 18.1 и 17.2, 18.2. При этом схемы 17.1 и 17.2 обеспечивают смещение составляющих соответственно на интервалы  и , а схемы 18.1 и 18.2 реализуют изменение уровней этих сигналов на величины  и .
вых
1
1
1
1
Таким образом, на входах цифроаналоговых преобразователей ЦАП 19.1 и 19.2 оказываются сформированными два сигнала -  и , а на выходах ЦАП - их аналоги, которые поступают на входы сумматора 20. В случае, если , , а , , на выходе этого сумматора выделяется скорректированный сигнал U(t)-αU(t+τ), соответствующий сигналу на входе усилителя радиосигнала и корректора нелинейности 13, но смещенный на интервал τ и взвешенный по уровню на величину α.
Аналоговый сигнал сумматора 20 является выходным сигналом передатчика, одновременно он подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21 и далее - на один из входов вычитателя 22, на второй вход которого подается исходный сигнал с входа схемы 13 через преобразователь 23, формирующий цифровой эквивалент сигнала . Если  и , то на выходе вычитателя 23 выделяется сигнал, равный нулю, что означает эффективное подавление нелинейных искажений усилителя радиосигнала. Если этот сигнал не равен нулю, то он может использоваться для коррекции нелинейных искажений усилителя, в том числе автоматической, путем регулировки сигналов в схемах 17.1, 18.1 -  и 17.2, 18.2 - .
Следует особо отметить, что рассмотренный вариант коррекции нелинейных искажений усилителя радиосигнала обеспечивает также устранение внеполосных помех. Это свойство позволяет упростить или не использовать соответствующие выходные фильтры.
На фиг. 3 приведены форма спектра радиосигнала при наличии внеполосных помех на выходе усилителя 15 (а) и после их коррекции на выходе сумматора 20 (б). Таким образом, регулируя коэффициенты и задержки квадратичной и кубической функций и анализируя форму спектра внеполосных излучений, можно эффективно корректировать нелинейные искажения усилителя радиосигнала.
На фиг. 4 изображен один из возможных вариантов приемного устройства для реализации способа.
Это устройство содержит антенные усилители/преобразователи 24.1 и 24.2, последовательно включенные вслед за ними блоки синхронизации ОЧРК 25.1 и 25.2, использующие также передаваемые в составе радиосигнала непрерывные синусоидальные сигналы для эффективной синхронизации приемника и коррекции его частотных свойств в условиях наличия значительных уровней помех, блоки быстрого преобразования Фурье (БПФ) 26.1 и 26.2, демультиплексоры каналов ОС и НД 27.1 и 27.2, на выходах которых выделяются сигналы ОЧРК каналов ОС и каналов НД, демодуляторы каналов основного сервиса ОС и низкоскоростных каналов надежного доступа НД с мягким выходом 28.1, 28.2, 28.3 и 28.4, блока адаптивного сложения/коммутации мягкого выхода демодуляторов при разнесенном двухканальном приеме 29.1 и 29.2 (при использовании одноканального приема задействуется одна ветка от усилителя/преобразователя 24.1 до демодуляторов 28.1, 28.2).
Сигналы выхода блока адаптивного сложения/коммутации канала ОС 29.1 поступают на последовательно соединенные канальный декодер 30 и демультиплексор 31, разделяющий цифровые видеосигналы, аудиосигналы и информацию о передаваемых данных и дополнительной информации.
Видеоинформация через декодер 32 поступает на соответствующий экран, а аудиосигналы через мультиплексор 33 и аудиодекодер 34 воспроизводятся звуковым воспроизводящим устройством.
Данные от блока адаптивного сложения/коммутации канала НД 29.2 подаются через канальные декодеры 35 и демультиплексор 36 на входы блока 33 и воспроизводятся через блок 34.
Каждая из структурных схем канальных декодеров сигналов ОС и НД 30 и 35 содержит последовательно соединенные схемы блочного деперемежения, деперемежения ячеек, битового деперемежения, канального декодирования и дерандомизации.
В результате удалось получить качественный прием цифровой передачи телевизионных программ стандартной и высокой четкости, звуковых стереофонических и многоканальных вещательных программ при расположении приемника в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах.