Фазовая синхронизация информационного сигнала в передатчиках одночастотных сетей цифрового ТВ вещания стандарта DVB-T2

Фазовая синхронизация информационного сигнала в передатчиках одночастотных сетей цифрового ТВ вещания стандарта УБ-Т2

Ключевые слова: сеть БГЫ, йУВ-Т2, поток Т2-М1, временные задержки, фазовая синхронизация, метки времени.

Статья посвящена актуальной проблеме синхронизации информационного сигнала в передатчиках одночастотных сетей цифрового ТВ вещания стандарта 0УБ-Т2. В настоящее время большинство радиотелевизионных центров РФ уже оснащено передатчиками отечественных и зарубежных производителей. Во многих регионах осуществляется тестовое вещание в стандарте второго поколения 0УБ-Т2. При переходе от локального вещания к вещанию в БРЫ сетях возникают проблемы, связанные с синхронизацией передатчиков. Показано что отсутствие фазовой синхронизации информационного сигнала передатчиков БРЫ сети цифрового ТВ вещания стандарта 0УБ-Т2 приводит к ее неработоспособности, поскольку задержки информационного сигнала при приеме в этом случае могут превышать защитный интервал времени, который выбирается исходя из топологии размещения передатчиков в зоне обслуживания в предположении синхронной и синфазной работы передатчиков. Показан механизм формирования метки времени передатчиков в пакетах потока Т2-М1, используемый для синхронизации времени излучения передатчиков стандарта ЭУБ-Т2. Предложен метод, обеспечивающий фазовую синхронизацию информационного сигнала в передатчиках БРЫ сети. Метод представлен в виде алгоритма настроек передатчиков, имеющих значительный разброс временных задержек информационного сигнала в модуляторах возбудителей передатчиков, а также при возможных его задержках в каналах связи от Центра мультиплексирования до входов возбудителей. Сформулированы требования к предлагаемому методу настройки передатчиков. 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 Т2-М1. Оценка сетевых задержек на входе возбудителя и итоговых задержек в модуляторах должна обеспечивается измерителем с визуальной индикацией результатов измерений. При большом разбросе задержек необходимо ввести дополнительные статические задержки на программном или аппаратном уровне для выравнивания разброса задержек в модуляторах передатчиков, а также возможного разброса задержек информационного сигнала в каналах связи. Отмечается, что в современных передатчиках БРЫ сетей стандарта ЭУБ-Т2 должен осуществляться визуальный контроль результирующих временных задержек, а также автоматизация управления этими задержками.

Карякин В.Л.,

действительный член академии Телекоммуникаций и информатики, д.т.н., профессор кафедры" Радиосвязи, радиовещания и телевидения" Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики, Самара, vt@karyakin.ru

Карякин Д.В.,

кт.н., специалист компании Juniper Networcs, Москва, dm@kaiyakin.ru

Морозова ЛА,

ктн, доцент кафедры"Экономики и организации производства" Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики, г. Самара, morozova@rcf.ru

Введение

В настоящее время большинство радиотелевизионна центров уже оснащено передатчиками отечественна и зарубежных производителей. Во многих регионах осуществляется тестовое вещание первого мультиплекса в стандарте второго поколения DVB-T2 (DVB system

for Terrestrial broadcasting). Однако при переходе от локального вещания к вещанию в SFN (Single Frequency Network) сетях возникают проблемы, связанные с синхронизацией передатчиков [1].

Для синхронизации работы передатчиков в одночастотных сетях цифрового вещания SFN используется Глобальная система позиционирования GPS (Global Positioning System), обеспечивающая высокостабильную опорную частоту возбудителей передатчиков 10 МГц и так-

товые импульсы сигнальных процессоров с частотой 1 Гц (Тррв) [2].

Важным требованием является обеспечение фазовой синхронизации информационного сигнала (ИС), т.е. обеспечение равенства задержек ИС от источника информации до антенн передатчиков (см. рис. 1, где РПД — радиопередатчик; РПУ — радиоприемник; РЧК — радиочастотный канал; N — номер радиопередатчика в сети; М — номер радиоприемника в сети; | — номер телевизионного канала).

Рис. 1. Функциональная схема одночастотной сети наземного цифрового телевизионного вещания

rfu bw T2_timesiamp utco

secondssi nce_2000 subseconds

<4 bits* *

Рис. 3. Формат пакета Т2-М1 с полями формирования метки времени

Отсутствие фазовой синхронизации информационного сигнала передатчиков SFN сети цифрового ТВ вещания стандарта DVB-T2 приводит к ее неработоспособности, поскольку задержки информационного сигнала при приеме в этом случае могут превышать защитный интервал времени, который выбирается исходя из топологии размещения передатчиков в зоне обслуживания в предположении синхронной работы передатчиков.

Цель работы — создание алгоритма настроек передатчиков, в которых модуляторы имеют значительный разброс временных задержек обработки ИС при возможном разбросе задержек ИС в каналах связи от Центра мультиплексирования до входов возбудителей, обеспечивающего синхронную и синфазную работу сети SFN.

1. Временные диаграммы задержек информационного сигнала

На рис. 2 представлены этапы прохождения ИС от Центра мультиплексирования (источник информации) до антенны передатчика.

Рассмотрим основные виды задержек ИС.

Сетевая задержка (Network Delau) — это время, необходимое для прохождения ИС от формирователя транспортных потоков T2-MI Центра мультиплексирования до входа возбудителя. В структуре транспортного потока T2-MI (T2-Modulator Interface) имеются символы синхронизации с информацией T2-MIP (T2-modulator information packet), позволяющей оценить сетевую задержку, которая зависит от используемого тракта передачи.

Задержка при обработке (Processing Delay) — это время обработки ИС в модуляторе переЦентр

мульти плексироеания

датчика. Задержка зависит от технической реализации модулятора и от параметров передаваемого сигнала.

Динамическая задержка (Dynamic Delay) — время, на которое искусственным образом задерживается обработка ИС для достижения требуемого времени передачи. Оценивается микроконтроллером возбудителя на основании времени обработки сигнала в модуляторе. Устанавливается в автоматическом режиме.

Итоговая задержка (Total Delay) — это время является суммой значений задержки при обработке и динамической задержки.

Статическая задержка (Static Delay) — положительное или отрицательное смешение, которое используется для компенсации расхождений между передающими системами различных производителей. В данном примере статическая задержка отрицательная. Устанавливается в ручном режиме.

На рис. 2 показана также максимальная задержка (Maximum Dtlay) — время необходимое ИС для прохождения от Центра мультиплексирования до антенны при автономной работе передатчика.

2. Методы обеспечения идентичности ИС в стандарте DVB-T2

Следует отметить, что механизм, обеспечи-ваюший идентичность информационного сигна-

Антснна передатчика

V

J О

ла, излучаемого передатчиками синхронной сети, примененный в стандарте DVB-T2, отличается от механизма, примененного в DVB-T [3].

В DVB-T2 отсутствуют SFN-адаптер и пакеты инициализации суперкадра MIP — Megaframe Initialization Packet. В этой связи методы синхронизации в одночастотной сети стандарта DVB-T, описанные в TR101 290, неприемлемы для SFN сетей стандарта DVB-T2.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что аббревиатура MIP в первом и втором поколениях DVB образована начальными буквами различных слов и, соответственно, имеет различный физический смысл. Учитывая принципиальные изменения в методах синхронизации передатчиков стандартов DVB-T и DVB-T2, консорциум DVB опубликовал документ [4], посвященный описанию интерфейса T2-MI, оформленный как дополнение к TR 101 290.

Пакеты потока T2-MI (рис. 3), предназначенные для синхронизации времени излучения передатчиков, имеют метку времени T2_time-stamp. Возможны два механизма формирования метки: абсолютной seconds_since_2000 и относительной subseconds.

Для формирования абсолютной метки предназначено поле seconds_since_2000 (40 бит). Абсолютная метка содержит количество секунд, прошедших с начала 2000 года.

В случае, когда поле seconds_since_2000 имеет значение 0000000000^, формируется относительная метка subseconds (27 бит).

Метка времени subseconds задается в формирователе транспортного потока T2-MI (T2-шлюзе). Значение метки после прихода очередного импульса 1pps равно количеству субсекундных единиц умноженному на Tsub.

Здесь Tsub = 1/64 мкс для стандартного канала 8 мГц. Значение относительной метки, не превышающей одной секунды, выбирается с учетом сетевых задержек и времени задержки в модуляторе.

Поле rfu (4 бита) зарезервировано для будущего использования.

Поле bw (4 бита) указывает на полосу пропускания канала. В данном случае 416, что соответствует стандартному каналу 8 мГц.

Поле utco (13 бит) задает смещение (в секундах) между текущим временем и временем по Гринвичу. Используется только при формировании абсолютной метки.

Максимальная задержка

Сетевая задержка

Динамическая задержка (Dynamic) I-

Задержка при ' обработке

Итоговая задержка

<о

Статическая задержка

>0

Время

T2-MIP

Вход Выход

передатчика модулятора

Выход передатчика в режиме SFN

Рис. 2. Временные диаграммы задержек информационного сигнала в БРИ сетях цифрового телевизионного вещания

3. Анализ работы отечественных

передатчиков в SFN сети

Следует подчеркнуть, что методы обеспечения синхронизации SFN сети во многом определяются техническими характеристиками модуляторов передатчиков.

К возбудителям зарубежных передатчиков, например, передатчиков R&S и Harris, входящих в состав SFN-сети, предъявляются жесткие требования по разбросу задержек при обработке информационного сигнала, а также по унификации управления этими задержками.

К 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.

В [5] проведен анализ работы отечественных передатчиков ООО "Триада" в SFN сети с модуляторами ProTelevision и TeamCast, который показал отсутствие синхронизации информационного сигнала из-за расхождения задержек в модуляторах. Проведенный анализ установил причину неработоспособности передатчиков в SFN сети и дал на конкретном примере количественную оценку величине расхождения задержек (рис.4).

Здесь введены следующие обозначения: задержка при обработке 1 — Proceccing; итоговая задержка 2 — Total; сетевая задержка — Network; время излучения задается временными метками в Т2-шлюзе (T2-Gateway); 1pps — один импульс в сек.

В этой же работе рассмотрен метод компенсации задержек ИС в модуляторах ProTelevision и TeamCast. С целью обеспечения

Ф

ProTelevision модулятор

синхронной работы передатчиков через веб-интерфейс блока системы дистанционного контроля введена задержка 1 ррв. Благодаря задержке 1ррв время излучения в передатчиках с модуляторами РгоТе!е^юп и TeamCast сдвигается на такой же интервал времени и, следовательно, в обоих передатчиках увеличится запас по времени.

Недостатком предложенного в [5] метода является сложность предварительных настроек передатчиков, предназначенных для работы в одночастотной сети, а также отсутствие унификации управления этими задержками.

Перейдем к рассмотрению метода обеспечения синхронной работы передатчиков, не требующзго введения дополнительных задержек 1 pps, позволяющего значительно упростить технологию пусконаладочных работ сетей БРЫ в стандарте РУВ-Т2.

Метод представлен в виде алгоритма настроек передатчиков, в которых модуляторы имеют значительный разброс временных задержек обработки ИС при возможном разбросе задержек ИС в каналах связи от Центра мультиплексирования до входов возбудителей, обеспечивающего синхронную и синфазную работу сети БРЫ.

4. Алгоритм настроек передатчиков, предназначенных для работы в одночастотной сети цифрового ТВ вещания стандарта ЭУВ-Т2

Алгоритм настроек передатчиков представлен на рис. 5.

Настройки передатчиков включают в себя следующие этапы:

А1 Ввод исходных данных Э! — защитный интервал времени, соответствующий топологии размещения передатчиков в зоне обслуживания;

Б^ Б2; Бз;....Бп_1; Бп — временные задержки ИС при его распространении от Т2-шлюза

1 ,, л ¡lili 1 1 1 1 1 Время,"к

lili 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 *

0,0 0,1 р.! 0,3 0,4 0.S 0,6 0,7 0.0 0.S 1,0 1,1 1,1 1,3 1,4 1.S

TeamCast модулятор

1 1 1 т. . . . 1 1 1 1 Время, сек

lili i 0,1 £ 0.2 0.3 0 4 4 1 СЧ л: I fe I 1 1 1 I 1 1 I 1 0.6 0.7 0,8 0,0 и 1,1 1.г 1.3 1.4 Г 9

I

Рис. 4. Анализ работы передатчиков в SFN сети с модуляторами ProTelevsion и TeamCast

Рис. 5. Алгоритм настроек передатчиков стандарта DVB-T2

Центра формирования мультиплексов (ЦФМ) до каждого из передатчиков;

Mi M2; Мз;...Мп_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 + М, где i = 1, 2, 3,., n.

A3 Определение максимальной задержки Rmax ИС в SFN сети.

А4 Определение величины отклонения задержек в каждом из передатчиков SFN сети от максимального значения

E= R - R.

1 max 1

А5 Ввод дополнительных задержек ИС в модуляторы передатчиков

Ri=Ri + E .

А6 Измерение значения метки времени Тм излучения передатчиков.

А7 Проверка выполнения условия Ri < 1 с.

Если условие не выполняется, идти к А10.

А8 Проверка выполнения условия установления синхронизма на первой секунде

1 сек > Т >R..

м — I

Если условие выполняется, идти к А14

А9 Установка метки времени излучения передатчиков Tм в T2-шлюзе ЦФМ, удовлетворяющей условию 1 сек > Tw >R

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 > Т +1 >Ri.

м — I

Если условие выполняется, идти к А14.

А12 Установка метки времени излучения передатчиков Тм в Т2-шлюзе ЦФМ, удовлетворяющей условию 2 сек > Тм +1 > R .

Идти кА14.

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 > Z, 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.

Требования к предлагаемому методу

настройки передатчиков

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 Т2-М1.

Оценка сетевых задержек на входе возбудителя и итоговых задержек в модуляторах должна обеспечивается измерителем с визуальной индикацией результатов измерений.

При большом разбросе задержек необходимо ввести дополнительные статические задержки на программном или аппаратном уровне, выровняв, таким образом, разброс задержек в модуляторах передатчиков, а также возможный разброс задержек информационного сигнала в каналах связи.

Заключение

1. Рассмотрены! виды1 задержек информационного сигнала и метода обеспечения синхронной работы передатчиков в БРЫ сетях цифрового телерадиовещания второго поколения.

2. Представлен механизм формирования метки времени в пакетах потока Т2-М1, используемый для синхронизации передатчиков стандарта РУВ-Т2.

3. Предложен метод, обеспечивающий фазовую синхронизацию информационного сигнала в передатчиках одночастотных сетей

цифрового ТВ вещания стандарта DVB-T2, не требующий введения дополнительных задержек 1pps, позволяющий значительно упростить технологию пусконаладочных работ сетей SFN в стандарте DVB-T2.

4. Метод представлен в виде алгоритма настроек передатчиков, имеющих разброс временных задержек информационного сигнала.

5. В современных передатчиках SFN сетей стандарта DVB-T2 должен осуществляться визуальный контроль результирующих временных задержек, а также автоматизация управления этими задержками с использованием систем фазовой синхронизации информационного сигнала.

Литература

1. Корякин ВЛ. Технология эксплуатации систем и сетей цифрового телевизионного стандарта DVB-T2: монография. — М: Солон-Пресс, 2014. — 158 с.

2. Корякин ВЛ. Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов, 2-е изд., переработанное и дополненное. — М.: Солон-Пресс, 2013. — 448 с.

3. Сычевский Е., Фокин Н. Технологии канального кодирования и модуляции DVB-T и DVB-T2 // ТелеСпутник. №12, 2011. — С. 76-79.

4. Measurement guidelines for DVB systems; Amendment for T2-MI (Modulator Interface); DVB DocumentA14-1, VI, 2012. — 16 p. / h«p://wwwdvb.ag/ resources/public/standards/ A14-1 _Measurement_ Guide_T2-MI.pdf (дата обращения 12.05.2014).

5. Колиновский ДА, Корякин ВЛ, Корякин Д.В., Сидоренко О.И. Синхронизация передатчиков одно-частотной сети стандарта DVB-T2 // Инфокоммуника-ционныю технологии, Том 11, №4, 2013. — С. 86-90.

Phase synchronization information signal In single-frequency networks transmitters of digital TV broadcasting DVB-T2 standard

Vladimir Karyakin, member of the Academy of Telecommunications and Informatics, Doctor of Technical Sciences., professor Department of "Radio communication, broadcasting and television", Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics, Samara, vl@karyakin.ru Dmitry Karyakin, candidate of Technical Sciences, a specialist company Juniper Networcs, Moscow. dm@karyakin.ru Lyudmila Morozova, candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Economics and Organization of Production" Povolzhskiy State Universtty

of Telecommunications and Informatics, Samara. morozova@rcf.ru

Abstract. Article is devoted to the problem of synchronization information signal transmitters in single frequency networks for digital TV broadcasting DVB-T2 standard. Currently, the majority of radio and tele^sion centers in Russia already equipped with transmitters domestic and foreign manufacturers. In many regions is performed of test broadcasts in standard second-generation DVB-T2. However, at the transition from local broadcast to broadcast in SFN synchronization problems transmitters. It is shown that a lack of phase synchronization information signal SFN transmitter network of digital broadcasting standard DVB-T2 resulting in an inoperable because delays when receiving the information signal in this case may exceed the guard interval, which is selected on the basis of the topology placement of transmitters in the coverage area, assuming synchronous and phase operation of transmitters. Mechanism of formation of the timestamp in the packets flow transmitters T2-MI is shown, used for time synchronization of transmitters radiation standard DVB-T2. Proposed a method of prodding a phase synchronization information signal network SFN transmitters. The method presented in the form of an algorithm settings transmitters having a significant time delay spread information signal transmitters in the modulators exciters, as well as its possible delays in the communication channels from the Center to the multiplexing in the inputs of exciters. Requirements formulated in the proposed method transmitters settings. Setting transmitters belonging to the SFN should ensure equality of time delay not exceeding two seconds, on all transmitters in full accordance with the selected relative timestamp installed in the shaper traffic T2-MI. Evaluation of network delays at the input exciter and the outcome of delays modulators must provided meter provided with a visual indication of the measurement results. At large variation of delay necessary to introduce additional delays static hardware or software aligning thus delay spread modulators transmitters and possible delay spread information signal in the communication channels. It is noted that in the current SFN transmitters networking standard DVB-T2 should be carried out a visual inspection of the resulting time delays, as well as the automation of the management of these delays using systems of phase synchronization.

References

1. Karyakin V. Technology exploitation of systems and networks of digital television standard DVB-T2: monograph. Moscow: Solon Press, 2014. 158 p.

2. Karyakin V. Digital television: a textbook for universities, 2nd ed., Revised and supplemented. Moscow: Solon Press, 2013. 448 p.

3. Sychevsky E., Fokin N. Technology channel coding and modulation of DVB-T and DVB-T2/ Black Cat Bone. No12, 2011. Pp. 76-79.

4. Measurement guidelines for DVB systems; Amendment for T2-MI (Modulator Interface); DVB Document A14-1, VI, 2012. 16 p. http://www.dvb.org/resources/public/standards/ A14-1_Measurement_Guide_T2-MI.pdf (date accessed 05.13.2014).

5. Kalinowski D. Synchronization SFN transmitters standard DVB-T2/ D. Kalinowski, V Karyakin, D. Karyakin, O. Sidorenko/ Information and Communication Technologies, Vol 11, No4, 2013. Pp.86-90.