Стандарт цифрового телевидения DVB-T2

Стандарт цифрового телевидения DVB-T2

В настоящее время в мире проводятся разработки более совершенных алгоритмов канального кодирования и модуляции для передачи сигнала в спутниковой, кабельной и эфирной средах. На международных выставках демонстрируется оборудование, разработанное по проектам данных стандартов. Одной из самых перспективных технологий цифрового вещания является проект стандарта ЭУВ-Т2.

Стрюк Я.Г.,

МТУСИ

В настоящее время в мире проводятся разработки более совершенных алгоритмов канального кодирования и модуляции для передачи сигнала в спутниковой, кабельной и эфирной средах. На международных выставках демонстрируется оборудование, разработанное по проектам данных стандартов. Одной из самых перспективных технологий цифрового вещания является проект стандарта DVB-T2. Ниже перечислены наиболее важные отличия последнего по сравнению с классическим стандартом DVB-T:

• увеличение количества несущих до 27 841

• отказ от классической схемы FEC-кодирования

• добавление нового режима модуляции 256QAM

• более "экономная" передача служебной информации

Как видно из таблицы, данная спецификация по сравнению с классической еще более адаптивна к задачам, решаемым операторами эфирного вещания, — покрытие определенной территории наибольшим количеством телерадиопрограмм, цифровое вещание на территории со сложным рельефом, вещание на движущиеся объекты, где скорость передачи информации не является основным требованием. Кроме этого можно сделать вывод, что даже в режимах 2 К и 8К новая технология вещания не обеспечивает совместимости с приемными устройствами стандарта DVB-T и при ее внедрении в перспективе замене подлежит весь приемный парк. Сочетание но-

вой технологии канального кодирования DVB-T2 и MPEG-4 существенно повышает привлекательность цифрового ТВ для операторов многопрограммного эфирного ТВ-вещания, так как это позволяет значительно увеличить количество передаваемых программ в одном частотном канале шириной 8 МГц. Это особенно важно для увеличения темпов внедрения в Российской Федерации цифрового эфирного вещания, учитывая существующие трудности с частотным обеспечением.

При применении комбинации MPEG-2/DVB-T в полосе частот 8 МГц можно передать пакет из 9-11 ТВ-программ стандартной четкости или 2-3 программ высокой четкости. При этом максимальное количество ТВ-программ в пакете зависит от типа контента (новости, спорт, анимация, фильмы и др.) и от эффективности применения функции статистического демультиплексирования. При использовании стандарта компрессии MPEG-4 и стандарта DVB-T количество программ стандартной четкости в пакете увеличивается до 15-16.

Новое поколение оборудования компрессии обеспечивает решение следующих задач:

• обеспечение вещательного качества изображения при низких скоростях цифрового потока;

• снижение скорости цифрового потока при передаче ТВ-про-грамм высокой четкости;

• обеспечение передачи аудиовизуальной информации, компрессированной по новым алгоритмам, в транспортных потоках MPEG/DVB в системах цифрового вещания DVB-S, -S2, -T, -H, -C; IPTV, MMDS.

Базовые принципы

Основной принцип разработки стандартов семейства DVB заключается в том, что они должны, максимально, быть совместимы друг с другом. То есть преобразование сигнала при его переводе из одного формата в другой (например, из DVB-S2 в DVB-T2) должно быть максимально простым. Соответственно, при разработке новых стандартов, по возможности, должны использоваться те же механизмы, что и в существующих стандартах.

Поэтому две ключевые технологии T2 позаимствованы из стандарта DVB-S2. Это:

1. Системная архитектура транспортных потоков, в первую очередь, инкапсуляция данных в низкочастотные Base Band (BB) пакеты (рассмотрены в следующем разделе).

2. Использование помехозащитного кода с низкой плотностью проверок на четность Low Density Parity Check Codes — LDPC.

Таблица 1

Параметр DVB-T эувтг

РЕС Сверточный код ICK) * Код Рида-Соломона (КРС) 1/2, 2/3,3/4, 5/6, 7/8 ШРС ♦ вен 1/2, 3/5,2/3, 3/4, 4/5, 5/6

Режимы модуляции несущих QPSK, 160АМ, 64QAM ОРвК, 160АМ. 640АМ, 2560АМ

Защитные интервалы 1/4,1/8,1/16,1/32 1/4,19/256,1/8,19/128,1/16,1/32.1/128

Размер ДПФ 2К, 8К 1К, 2К. 4К. 8К. 16К, 32К

Кол-во несущих 1705,6817 853,1705, 3409, 6817 {6 9134, 13 633 (13 921*1,27 265 (27 841*1

Тип модуляции C0FDM СОРОМ

Относительное количестю служебных распределенных пилот-сигналов 8% от общего количества несущих 1,2,4, 8% от общего количества несущих

Относительное количество служебных повторяющихся пилот-сигналов 2,6% от общего количества несущих 0,35% от общего количества несущих

Скорость передачи, Мбит/с 24,1 35,9

Рис. 1. Структура НН (ВЧ) кадра

Большая часть решений, использованная при разработке Т2, была направлена на максимальное увеличение пропускной способности каналов. Ряд опций — новые размерности FTT и защитных интервалов, а также новые режимы введения пилот-сигналов, были введены для возможности оптимизации параметров в зависимости от характеристик конкретного канала.

Схемы помехоустойчивого кодирования (FEC) и Base Band (BB) кадры

Как показано на рис. 1, передаваемые данные пакетируются в BB-кадры, заголовок которых содержит информацию о характере данных. Затем данные закрываются LDPC FEC, аналогичным тому, который применяется в DVB-S2. Для устранения ошибок, оставшихся после LDPC-декодирования, данные дополнительно защищаются коротким кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) BCH.

Полная длина кадра с наложенным помехозащитным кодированием составляет 64800 бит. Этот кадр является базовым блоком системы T2. В рамках стандарта T2 доля контрольных бит помехозащитных кодов может колебаться от 15 до 50%. В качестве опции допускается и более короткий вариант FEC-кадра — длиной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема низкоскоростных услуг.

Данные, передаваемые внутри ВВ-кадра, как правило, представляют собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2. В то же время, поля сигнализации в заголовке BB-кадра полностью совместимы с системой инкапсуляции IP-пакетов по новому DVB-протоколу под названием Generic Stream Encapsulation.

Тестовая имитация работы помехозащиты на базе LDPC показала существенное повышение помехозащищенности по сравнению с защитой, используемой в DVB-T, то есть сверточным кодированием в сочетании с кодом Рида-Соломона. Выигрыш в уровне С/N за счет нового FEC может составлять до 3 дБ для типичного уровня ошибок и при одинаковой доле контрольных символов. По существу, это улучшение позволяет повысить пропускную способность канала примерно на 30% (например, за счет применения более высокого уровня констелляции).

Модуляция

При разработке Т2 проводились сравнения нескольких вариантов модуляции с одной или множественными несущими. В результатe был выбран вариант OFDM с защитными интервалами (GI-OFDM), который используется в DVB-ТВ GI-OFDM каждый символ передается на большом количестве ортогональных несущих, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде. В частности, DVB-T предусматривает два режима — 2К и 8К. Эти цифры отражают размерность FFT (быстрого преобразования Фурье), используемого для формирования сигнала с множественными несущими. Фактическое количество несущих, используемых для передачи данных, несколько меньше. Для защиты сигналов (то есть каждой несущей, используемой для передачи данного символа) от искажения в условиях многолучевого

распространения введено дублирование конца каждого символа в защитном интервале, предшествующем передаче этого символа.

Длина защитного интервала выбирается в зависимости от расчетной протяженности эфирного тракта и других параметров сети передачи. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, где сигналы с соседних передатчиков могут приходить на приемник со значительным запаздыванием относительно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой надстройку, съедающую долю транспортного ресурса. В DVB-T эта надстройка может занимать до 1/4 общего объема передаваемых данных. Для возможности удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме данных в Т2 были введены два новых режи-ма — 16К и 32К — с соответствующем увеличением числа ортогональных несущих. Рисунок 3 иллюстрирует переход к режиму с большим числом поднесущих. В данном случае абсолютная величина защитного интервала сохраняется, но его доля в общем объеме снижается.

Максимальная длительность защитного интервала в Т2 достигается в режиме 32К при отношении GI и длины всего символа 19/128. Длительность GI при этом превышает 500 мкс, чего вполне достаточно для строительства крупной общегосударственной одночастотной сети.

Таким образом, Т2 предлагает более широкий ряд размерностей FFT и защитных интервалов. А именно:

• размерности FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K;

• относительная длительность защитных интервалов: 1/128,

1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.

Рис. 2

U2

щ

V ш

ш

W •

•

W ф §

-ф •

#—я п со>* 7#: "г

• *1 «

♦— »

UI

Рис. 3

Как уже отмечалось, в OFDM каждая несущая модулируется по фазе и амплитуде. Высшая модуляция стандарта DVB-T, 64 QAM, обеспечивает передачу 6 бит одним символом (модулируемым элементом одной несущей!).

Высшая модуляция в Т2 увеличена до 256 QAM, она позволяет передавать одним символом 8 бит. Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом, тестовая имитация показала, что LDPC FEC обеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования канала по сравнению с DVB-T при типовых условиях передачи.

Появившиеся в Т2 новые режимы — 16К и 32К — имеют значительно более крутой спад внеполосных составляющих, чем режим 2К. Как показано на рис. 4, это обстоятельство позволяет размещать несущие ближе к стандартной спектральной маске, которая накладывается на сигналы DVB-Т в полосе 8 МГц. Это расширение полосы позволяет передать еще 2% дополнительных данных. Распределенные пилот-сигналы

В системах OFDM используются распределенные пилот-сигналы. Они представляют собой модулированные элементы, определенным образом разнесенные по несущим и во времени. Приемнику известны параметры модуляции пилот-сигналов, и он может использовать их для оценки состояния канала.2 В DVB-T каждый двенадцатый модулированный элемент является пилот-сигналом, то есть они занимают 8% в общем объеме данных. Эта пропорция используется при любых вариантах защитных интервалов, и размещения пилот-сигналов должно быть таковым, чтобы позволить выровнять сигналы с защитным интервалом 1 \4. Однако для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8% оказывается избыточной. Поэтому в T2 введены восемь разных вариантов размещения. Каждому варианту относительной длительности защитного интервала соответствует несколько возможных опций размещения пилот-сигналов. Они динамически выбираются в зависимости от текущего состояния канала, что позволяет оптимизировать их количество. На рис. 5 показаны два возможных варианта размещения. Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для снижения требуемого уровня С/N на входе приемника или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной последовательностью.

Поворот констелляционного созвездия

В Т2 используется новаторская техника поворота констеляцион-ного созвездия на определенный круговой угол. Такой поворот может существенно повысить устойчивость сигнала при типичных проблемах эфира. За счет поворота диаграммы на точно подобранный угол каждая точка созвездия приобретает уникальные координаты (u1 и u2), не повторяемые остальными точками.

Каждая координата точки обрабатывается в модуляторе отдельно, и они передаются в OFDM-сигнале отдельно друг от друга, замешиваясь с u2 и u1 другого символа (то есть u2 и u1 могут передаваться на разных OFDM-несущих и в разных OFDM-символах).

В приемнике u2 и u 1 опять объединяются, формируя исходное

констеляционное созвездие, сдвинутое по кругу.Таким образом, если одна несущая или символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, это позволит восстановить символ, хотя и с более низким уровнем сигнал/шум. При использовании симметричного (не повернутого) констелляцио-ного созвездия разнесение и2 и и1 смысла не имеет потому, что символ может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание. Тестовая имитация показала, что выигрыш в С/N за счет применением этой техники может доходить до 5 дБ.

Пропускная способность системы

Т2 будет определяться выбором целого ряда системных параметров. Для этой цели предусмотрено множество опций, и о конкретной конфигурации приемники будут информироваться с помощью сигнализации. Выбор параметров представляет собой процедуру оптимизации работы системы, например, поиск компромисса между долей служебной информации и временем переключения с канала на канал или между пропускной способностью и устойчивостью к помехам.

Широкий набор конфигурируемых параметров также усложняет сравнение с другими системами. Так, например, если сравнивать Т2 с УВ-Т, то для первого могут быть выбраны параметры, обеспечивающие такое же поведение сигнала в стандартном гауссовском канале, но предполагающие большую устойчивость Т2 в условиях сложного приема. Такой вариант уже соответствует значительно более высокой пропускной способности канала Т2 по сравнению с УВ-Т. Однако можно выбрать и вариант с немного более низкими показателями для гауссовского канала, но по-прежнему (как ожидается) с несколько более высокими для каналов, со сложными условиями приема. В этом случае прирост пропускной способности будет еще больше.

Заключение

В этом материале изложены основные положения нового стандарта УВ-Т2. Он разрабатывался на базе не только УВ-Т, но также и УВ^2 технологии, которые уже подтвердили свою эффективность на практике. Дополнительно, в УВ-Т2 появилось несколько новых механизмов, учитывающих особенности эфирной передачи. Кроме того, была расширена линейка базовых параметров, что позволяет оптимизировать размер служебно-контрольной надстройки кадров. Ожидается, что все это в комплексе приведет к значительному увеличению пропускной способности и одновременно повысит устойчивость системы. То есть позволит построить оптимальную сеть для передачи ТВЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Журнал Теле-Спутник '^УВ-Т2-цифровое телевидение второго поколения" Александр Серов №7 2009 г.

2. Безруков В.Н. Система передачи сигналов цифрового телевидения и данных на мобильные устройства по стандарту УВ-Т2 Учебное пособие/ МТУСИ. — М.,2007. — 40 с.