Стандарт цифрового радиовещания DRM
Лекция №5. «Примеры практической реализация передачи цифрового сигнала по радиоканалам»
5.1. Принципы функционирования спутниковых сетей телевизионного вещания
Спутниковое телевизионное вещание является сегодня одним из самых экономичных и надежных способов передачи телевизионных сигналов высокого качества в любую точку обширной территории нашей страны. К преимуществам спутникового телевизионного вещания относятся: возможность приема сигнала практически неограниченным числом приемных установок, высокая надежность ИСЗ (искусственных спутников Земли) связного типа, независимость затрат на приемную установку от расстояния между источником телевизионного сигнала и абонентом (в пределах зоны обслуживания), незначительное влияние атмосферы и географических особенностей местности на устойчивость приема.
Эти преимущества обусловили исследования и создание во многих странах мира современных систем спутникового телевизионного вещания, обслуживающих сотни миллионов абонентов. Некоторые системы рассчитаны на прием телевизионных сигналов непосредственно на простые индивидуальные или коллективные приемные установки с малой антенной, рассчитанные на небольшое число абонентов. Число точек стояния ИСЗ на геостационарной орбите и соответственно радиочастотных каналов относится к ограниченным ресурсам, которыми располагает человечество и которые в соответствии с международными соглашениями являются его собственностью. Органом, регулирующим эти ресурсы, включая распределение частот, является Всемирная административная конференция по радио (ВАКР). При этом вся текущая работа ведется через МСЭ.На заседаниях ВАКР-2000 был принят новый план, по которому Россия получила по 16 радиоканалов, полностью защищенных от влияния других сигналов, в каждой из четырех орбитальных позиций 36°, 56°, 86°, 140° и 10 спутниковых радиоканалов в позиции 110° восточной долготы (всего 74 радиоканалов). Российский ресурс спутниковых радиоканалов представляет собой огромную ценность, поскольку позволяет обеспечить на всей территории страны многопрограммное спутниковое телевизионное вещание как центральных, так и региональных программ.
|
|
|
5.2. Цифровые стандарты спутникового телевизионного вещания
5.2.1. Стандарт DVB-S
Алгоритм обработки цифрового потока MPEG-TS для использования в спутниковом вещании детально рассмотрен в стандарте DVB-S (EN 300421). Последовательность этапов обработки цифрового потока можно проследить, анализируя рис. 5.1.
Пришедшие на вход модулятора транспортные пакеты длиной 188 байт содержат синхробайт и 187 байтов данных. В модуляторе формируется сигнал внутреннего цикла синхронизации, включающий 8 пакетов: первый пакет с инвертированной стартовой синхрогруппой, остальные – с неинвертированной. В данном случае цель синхронизации заключается в устранении неопределенности фазы при передаче данных.
|
|
|
Символьная синхронизация осуществляется сигналом тактовой частоты транспортных пакетов, цикловая синхронизация– инвертированными стартовыми синхрогруппами.
Для предотвращения несанкционированного приема транспортный поток поступает на скремблер, где происходит его суммирование с сигналом псевдослучайной последовательности.
После скремблирования данные транспортных пакетов подвергаются помехоустойчивому кодированию каскадным кодом, в котором в качестве внешнего используется код Рида-Соломона, в качестве внутреннего – сверточный код.
Код Рида-Соломона устойчиво работает при вероятности ошибок на входе декодера не выше 2×10–4, устраняя ошибки, с которыми не справился декодер сверточного кода. В результате выходная вероятность ошибок находится в пределах от 10–10…10–11.
Для защиты от пакетных ошибок большой длительности в кодере осуществляется сверточное перемежение данных. В декодере производится деперемежение, то есть восстанавливается первоначальный порядок следования данных.
|
|
|
Стандарт DVB-S предполагает использование сверточного кода с длиной кодового ограничения K = 7 и следующими значениями относительной
скорости кодировании: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. Переключение с базовой скорости 1/2 на другие значения осуществляется выборочным вычеркиванием – перфорированием – некоторых символов. Это несколько снижает корректирующую способность кода, но одновременно уменьшает и его избыточность, позволяя увеличить скорость передачи данных системой DVB-S.
Декодер сверточного кода осуществляет первый уровень кодозащиты и должен работать при коэффициенте ошибок входного сигнала 10–1…10–2, снижая коэффициент ошибок в выходном сигнале до значения 2×10–4, необходимого для работы кода Рида-Соломона.
Основным видом модуляции в системе DVB-S принята QPSK, хотя в отдельных случаях при ограниченном частотном ресурсе могут использоваться восьмипозиционная фазовая манипуляция (ФМ-8) и даже QAM-16(например, в перевозимых репортажных станциях). Применение опережающей коррекции ошибок, то есть FEC-кодирования, позволяет значительно снизить требуемое для работы QPSK-демодулятора отношение энергии, приходящейся на один бит, к спектральной плотности мощности шума (Eб/N0) (рис.5.2).
|
|
|
Рис.5.2. Зависимости вероятности ошибки Рош от отношения Еб/N0 для
QPSK-модуляции при разных относительных скоростях кодирования
5.2.2. СтандартDVB-S2
Это второе поколение стандарта для спутникового цифрового вещания, разработанное Консорциумом DVB Project в 2003 году. В Европейском институте стандартов электросвязи (ETSI) он зарегистрирован под номером EN 302307.
Целью разработки нового стандарта было создание системы связи, которая бы позволяла повысить эффективность использования спутникового канала связи, то есть предоставить возможность передавать в заданной полосе частот поток данных с более высокой скоростью при минимальных затратах на приемной стороне. Чтобы увеличить использование спектра на 30% в системе DVB-S2 применены самые последние разработки в области канального кодирования(LDPC-коды) в сочетании с разными способами модуляции.
Стандарт DVB-S2предусматривает применение четырех видов модуляции – QPSK, 8PSK, то есть ФМ-8, 16APSK (16 Adaptive Phase Shift Keying – 16 позиционную адаптивную фазовую манипуляцию) и 32APSK (Рис.5.3).
Рис.5.3. Полные квадратурные диаграммы для модуляцийQPSK, 8PSK,16APSKи 32APSK
Первые два способа модуляции используются в вещательных телевизионных сетях, в которых передатчики транспондеров работают в нелинейных режимах, близких к насыщению. В случае применения в телевизионном вещании двух последних типов модуляции требуется более высокое отношение сигнал/шум на приеме, а на передающей стороне должно осуществляться предыскажение сигнала, чтобы компенсировать нелинейность транспондера. И хотя эти типы модуляции требуют бόльших затрат энергии, зато они обеспечивают более высокую спектральную эффективность (удельная скорость передачи данных соответственно равна: 4 бит/с/Гц и 5 бит/с/Гц).
5.3. Стандарты цифровых систем кабельного телевидения
5.3.1. Стандарт DOCSIS
Первым стандартом, предназначенным для передачи пакетных данных по сетям СКТВ, был DOCSIS 1.0, разработанный в США в 1998 г. консорциумом CableLabs в сотрудничестве с отраслевой группой MCNS (MultimediaCableNetworkSystem), объединяющий широкий круг производителей оборудования кабельных сетей. Данный стандарт был жестко ориентирован на использование Интернета. Вследствие этого стандарт DOCSIS предусматривает в основном использование стандартных кадров Ethernet. Кроме того, стандарт DOCSIS 1.0 учитывал параметры телевизионных каналов, действующих в Северной Америке (ширина полосы частотного канала 6 МГц; диапазон частот, отведенный для передачи сигналов в обратном направлении, 5…42 МГц).
В 1999 г. был разработан модернизированный стандарт DOCSIS1.1.
Для использования в европейских странах оборудования, изготовленного в США по стандарту DOCSIS 1.1, была создана версия EuroDOCSIS, которая является приложением к DOCSIS 1.1. В этой версии учтены отличия европейских сетей СКТВ от американских: ширина телевизионных каналов принята равной 8 МГц.
Затем в США был разработан стандарт DOCSIS 2.0, принятый для внедрения в Северо-Американском регионе. Основным преимуществом стандарта DOCSIS 2.0 по сравнению с предыдущей версией DOCSIS 1.0 стала более высокая (до 30 Мбит/с) скорость передачи данных в обратном канале. В целом стандарт DOCSIS определяет, что для предоставления услуг передачи данных используются модуляция QAM-64 или QAM-256 в прямом канале и QAM-16 или QPSK в обратном канале. Следовательно, максимальная скорость, которую можно получить в прямом канале составляет около 39 Мбит/с. Европейской разновидностью стандарта DOCSIS является EuroDOCSIS, в соответствии с которой на европейский рынок должны поставляться кабельные модемы, использующие для организации прямого канала полосу 8 МГц вместо 6 МГц. Соответственно, в этом случае при использовании модуляции QAM-64 можно достичь скорости 38,3 Мбит/с, а модуляция QAM-256 позволяет добиться скорости 52,8 Мбит/с (эффективные скорости цифрового потока ниже). С технической точки зрения в частотном канале с полосой 6 МГц можно с помощью известных многопозиционных методов модуляции передавать данные и с более высокой скоростью, но это ухудшает распознаваемость передаваемых символов на приеме и повышает вероятность ошибочного декодирования данных. Поэтому при необходимости повысить скорость в прямом направлении передачи оператор СКТВ должен выделить полосу частот еще одного телевизионного канала. В обратном канале кабельные модемы позволяют передавать данные со скоростью от 290 кбит/с до 9,2 Мбит/с в зависимости от отведенной полосы и используемого способа модуляции. С целью повышения помехозащищенности в прямом и обратном каналах предусмотрено помехозащитное кодирование кодом Рида-Соломона. Значение скоростей цифрового потока в прямом и обратном каналах СКТВ, достигаемые при использовании разных типов модуляции, приведены в табл. 5.1 и 5.2.
Таблица 5.1
Скорости, достигаемые в прямом частотном канале СКТВ шириной 6 МГц, при различных типах модуляции согласно DOCSIS 1.0/1.1
| Тип модуляции | Символьная скорость, Мсимв/с | Скорость передачи, Мбит/с | Эффективная скорость, Мбит/с |
| QAM-64 | 5,06 | 30,34 | 27 |
| QAM-256 | 5,36 | 42,88 | 39 |
Таблица 5.2
Скорости цифрового потока, достигаемые в обратном канале СКТВ
шириной 6 МГц, при различной ширине канала и разных типах модуляции согласно DOCSIS 1.0/1.1
| Символьная скорость, ксимв/с | Полоса канала, МГц | Скорость передачи для QPSK, кбит/с | Скорость передачи для QAM-16, кбит/с | Уровень входного сигнала, дБ×мВ |
| 160 | 0,2 | 290 | 580 | –6…+14 |
| 320 | 0,4 | 580 | 1160 | –13…+17 |
| 640 | 0,8 | 1150 | 2300 | –10…+20 |
| 1280 | 1,6 | 2300 | 4600 | –7…+23 |
| 2560 | 3,2 | 4600 | 9200 | –4…+26 |
Значения скоростей цифрового потока, представленные в данных таблицах требуют некоторого пояснения. Символьная скорость равна количеству состояний несущей (символов) в единицу времени. Символьные скорости различаются для разных видов модуляции. Скорость передачи цифрового потока – это общая скорость битового потока с учетом избыточных бит помехозащитного кодирования, дополнительных бит заголовка, преамбулы и защитного интервала. Эффективная скорость передачи – это скорость передачи полезной информации без учета избыточных бит, поэтому она всегда несколько ниже общей скорости битового потока. Скорости в обратном канале соответствуют его пропускной способности (максимальной скорости), но реальная скорость будет зависеть от количества одновременно функционирующих активных модемов, поскольку обратный канал является многопользовательским. При выборе метода модуляции из разрешенных стандартом способов оператор СКТВ должен исходить из физических характеристик своей кабельной сети, ее подверженности помехам. Следует помнить, что чем более информативен какой-либо способ модуляции, то есть, чем большую скорость передачи данных он обеспечивает, тем менее он защищен от помех, и наоборот.
Стандарт DOCSIS 1.1 определяет ряд дополнительных параметров, улучшающих качество сервиса. В частности, в нем реализованы механизмы фрагментации и сборки больших пакетов данных, организации виртуальных каналов и задания приоритетов, уменьшающие задержки при передаче речи и видео. В основном эти механизмы предназначены для поддержки IP-телефонии и видеоконференции.
Стандартами DOCSIS предусмотрены опережающая коррекция ошибок и криптозащита.
5.3.2. Стандарт DVB-C
Альтернативой группе стандартов DOCSIS является стандарт DVB-C, разработанный в Европе некоммерческой организацией ProjectDVB.
Стандарт DVB-C разрабатывался на основе использования ячеек АТМ как для передачи основных данных, то есть транспортных пакетов MPEG-2, так и для организации интерактивных услуг. При этом в стандарте предполагается применение стандартных для АТМ методов обеспечения качества услуг. В отличие от стандарта DOCSIS, передаваемые IP-пакеты сначала преобразуются в формат ячеек АТМ, которые и передаются по кабелю, что снижает требования к кабельному модему и сетевому оборудованию. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование. Эта процедура называется точечной инкапсуляцией. Гибкая и масштабируемая структура потока ячеек АТМ (с фиксированной длиной в 53 байта) позволяет передавать мультимедийную информацию с большими скоростями и увеличивает возможности СКТВ в плане роста емкости и интеграции услуг.
Для передачи сигналов в прямом направлении стандарт DVB-C предписывает использовать квадратную амплитудную модуляцию следующих видов: QAM-16, QAM-32, QAM-64, QAM-128, QAM-256. Достаточно высокое отношение сигнал/шум в распределительной сети СКТВ (по стандарту оно должно быть не ниже 43 дБ) снижает вероятность ошибок и позволяет обойтись одной ступенью помехоустойчивого кодирования. Однако пакетные ошибки не исключены, поэтому перемежение остается составной частью процесса канального кодирования.
Для обратной передачи доступа полоса частот 5…65 МГц, в которой могут выделиться каналы шириной 0,2; 1,0; 2,0 или 4,0 МГц. Стандарт DVB-C допускает применение двух видов модуляции сигналов восходящего потока (от абонентов), QPSK и QAM-16, и большое разнообразие скоростей передачи информации в обратном канале. Например, при использовании QPSK-модуляции битовые скорости составляют соответственно, 0,25; 1,54; 3,08 и 6,17 Мбит/с при модуляции QPSK и QAM-16 или 12,35 Мбит/с при модуляции QAM-16 разрешены к применению.
Структурная схема кодера стандарта DVB-C, используемого в цифровых кабельных сетях, показана на рис.5.4. Источником входного сигнала, как и в других кодерах семейства DVB, служит транспортный поток MPEG-2 с пакетами размером в 188 байт. В скремблере пакеты организуются в группы по восемь, синхробайт каждого первого пакета из группы инвертируется и служит в дальнейшем для цикловой синхронизации. Скремблирование, как и в стандарте DVB-S, осуществляется сложением по модулю 2 с псевдослучайной последовательностью (ПСП), порождаемой многочленом 
. На период следования каждого синхробайта скремблирование прерывается.
Учитывая относительно высокое отношение сигнал/шум внутреннее, то есть FEC-кодирование не используется. Дополнительное повышение помехоустойчивости достигается относительным кодированием двух старших битов каждого байта с выхода перемежителя.
5.3.3. Стандарт DVB-C2
Рост числа реализуемых в кабельных сетях телекоммуникационных сервисов требует значительно более высокой пропускной способности кабельных каналов. Разработанный стандарт передачи данных по СКТВ второго поколения DVB-C2 позволяет увеличить пропускную способность сети на величину 65% по сравнению с системой DVB-C при требуемом отношения сигнал/шум в 35 дБ, что в большинстве современных кабельных сетей вполне реализуемо.
Основным отличием DVB-C2 от DVB-C является применение способа модуляции OFDM в режиме 4k (4096 несущих) с продолжительностью полезного OFDM-символа 448 мкс вместо одной QAM-модулированной несущей. Существенное улучшение помехоустойчивого кодирования за счет одновременного использования кодов БЧХ и LDPC позволило в системе DVB-C2 применять более высокие размерности QAM-модуляции, например: QAM-256, QAM-1024, QAM-4096. Для более наглядной оценки информационных возможностей системы DVB-C2 в табл.5.3 представлены рассчитанные скорости передачи данных для канала связи с полосой частот 8 МГц.
Таблица5.3
Допустимые скорости передачи данных в системе DVB-C2
| Скорость внутреннего кода | Скорость передачи данных, Мбит/с | ||||
| Вид модуляции несущих | |||||
| QAM-16 | QAM-64 | QAM-256 | QAM-1024 | QAM-4096 | |
| 2/3 | 21 | 27,94 | 41,9 | 52,4 | 63,4 |
| 3/4 | 23,6 | 31,4 | 47,1 | 58,9 | 71,2 |
| 4/5 | 25,1 | 37,7 | 50,19 | 62,65 | 75,3 |
| 5/6 | 26,2 | 38,4 | 52,4 | 65,4 | 78,6 |
| 9/10 | 28,3 | 41,4 | 56,6 | 70,7 | 84,8 |
На рис.5.5 приведена упрощенная структурная схема передатчика DVB-C2. Как и в системах DVB-S2 и DVB-T2, в новом кабельном стандарте внутри одного физическогоканала предусмотрено выделение нескольких логических каналов, которые иногда носят название транспортных труб, то есть PLP. Фактически PLP – это логический канал, который может переносить обычный поток MPEG-2 TS или использоваться для передачи IP-данных с применением протокола GenericStreamEncapsulation (GSE), определяющего порядок формирования и формат транспортных пакетов переменной длины.
Рис.5.5. Упрощенная структурная схема передатчика системы DVB-C2
Данные каждого PLP пропускаются через блок входной обработки, за которым следует модуль помехоустойчивого кодирования и далее – распределитель QAM-символов. Данные одного или нескольких PLP могут укладываться в слои данныхDataSlices. Для повышения устойчивости к пакетным ошибкам или воздействия узкополосных помех эти слои затем подвергаются перемежению по времени и частоте. После этого они поступают в формирователь кадра, собирающий воедино все слои и добавляющий пилот-сигналы, а также преамбулу с сигнализацией первого уровня. На последнем этапе сформированный кадр поступает в OFDM-модулятор.
Рис5.6. Структура кадра DVB-C2, представленная
в частотно-временной плоскости
Другое преимущество применения PLP заключается в том, что разные потоки можно передавать с разным уровнем помехоустойчивости: размерность QAM-модуляции и режим помехоустойчивого кодирования для каждого PLP могут выбираться индивидуально. Следовательно, каждой телекоммуникационной услуге может назначаться свое качество обслуживания QoS (QualityofService).В отличие от эфирного стандарта, DVB-C2 не должен подчиняться жесткой частотной сетке. Так как кабельная сеть представляет собой закрытую экранированную среду, то нет необходимости координировать использование ее спектра с эфирными присвоениями. Напротив, можно гибко адаптировать полосу канала под свои конкретные потребности. Применение OFDM вместо одной модулированной несущей как раз и является ключевым фактором, обеспечивающим эту возможность. Ширина канала задается выделением ему определенного количество OFDM-несущих. А характеристики входного фильтра и системные часы остаются практически неизменными. Такой подход позволяет расширить полосу частот передаваемого сигнала для размещения в нем большего количества телекоммуникационных услуг. Чтобы не усложнять и не удорожать абонентское оборудование, предполагается сегментированный прием таких каналов. Этот подход уже используется в японской системе эфирного телевидения ISDB-T. Приемник со стандартной полосой пропускания может извлечь из широкого пакета только ту часть, которая содержит принимаемую в данных момент услугу, а полоса частот, занимаемая этой частью, никогда не превышает 8 МГц.
Структура кадра DVB-C2 показана на рис.5.6. Каждый кадр начинается с преамбулы, состоящей из одного или более OFDM-символов и выполняющей две основные функции. С одной стороны, она обеспечивает надежную временную и частотную синхронизацию OFDM-сигнала и самой кабельной структуры. Для этой цели в преамбулу вводится особая последовательность пилот-сигналов, модулирующая каждую шестую OFDM-несущую символов преамбулы. С другой стороны, преамбула содержит сигнализацию первого уровня (L1), необходимую для декодирования потоков данных и содержащейся в них полезной информации. Преамбула состоит из циклически передаваемых блоков сигнализации L1, повторяющихся в каждой полосе 7,61 МГц широкого канала. Фиксированное расположение блоков L1 и их повторение с шагом 7,62 МГц обеспечивают их прием при настройке тюнера на любые 8 МГц из занимаемого кадром диапазона.
Стандарт цифрового радиовещания DRM
Все физические радиоканалы, параметры которых зависят от состояния среды распространения сигналов (тропосферные, ионосферные и др.), по своей природе неоднородны. Неоднородную среду используют системы ДВ/СВ/КВ - диапазонов, ионосферные и тропосферные радиорелейные линии, наземные системы телевидения, радиовещания и радио- связи метрового и дециметрового диапазонов.
В системах цифрового радиовещания ДВ/СВ/КВ диапазонов, объединенных термином DRM (Digital Radio Mondiale), тропосфера и ионосфера являются основной средой, в которой распространяются сигналы. Внедрение техники DRM дает новую жизнь системам радиосвязи и вещания КВ-диапазона – они смогут на равных конкурировать по качеству и надежности с широко распространенными системами ЧМ-вещания (УКВ и FM), действующими лишь в ближней зоне (в пределах прямой видимости).
В системах DRM используется довольно сложный, но относительно легко регулируемый применительно к радиоканалу вид модуляции – COFDM. Он позволяет реализовать сигналы, оптимально адаптированные к состоянию радиоканала в процессе проведения сеанса связи (радиовещания) и обеспечить уверенный прием на большие расстояния.
Исследования показывают, что при разносе частот на 1,5–2 кГц замирания сигнала на них будут некоррелированными, а значит, одновременная передача информации на многих частотах, как это принято в системе DRM, может обеспечить «сохранность» информации. Общее количество несущих частот, на которых передается информация, в зависимости от режима работы может изменяться от 88 до 460.
Типовые РВ- каналы с традиционной амплитудной модуляцией (АМ) на частотах ниже 30 МГц используют полосу шириной 9; 10; 18 и 20 кГц. В однополосных передатчиках она сокращается вдвое (4,5; 5; 9 и 10 кГц). В системах DRM возможно применение одного передатчика для совместной передачи аналоговых сигналов с АМ и цифровых сигналов.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 419; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!