Системы цифрового телевизионного вещания

В настоящее время в мире разработаны и находятся в эксплуатации три системы цифрового телевизионного вещания. Система ATSC (Advanced Television Systems Commitettee) разработана американскими специалистами с целью передачи высококачественного изображения (ТВЧ), звука и дополнительных данных в полосе частот соответствующей ширине канала аналогового телевидения. DVB (Digital Video Brodcasting) разработана специалистами ведущих европейских фирм производителей профессионального видео оборудования. ISDB( ) разработана специалистами японской фирмы NHK.

У всех трех систем есть много общего. Каждая из них использует транспортные пакеты данных MPEG-2, т.е. цель каждой из систем – согласование цифровых данных с параметрами канала связи. Сигналы этих систем должны некоторое время сосуществовать с сигналами аналоговых передатчиков, работающих на тех же частотах (необходимо абонентам дать некоторое время для обновления парка телевизионных приемников). Полосы частот, занимаемые цифровыми сигналами, должны соответствовать полосам частот, занимаемыми аналоговыми, а этот параметр зависит от стандарта вещания, принятого в стране (в противном случае надо перекраивать сетку частот, а это приведет к невозможности выполнения предыдущего условия).

Выполнение условия одновременного сосуществования аналоговых и цифровых сигналов возможно при минимизации взаимных помех между ними. Минимизация влияния цифровых сигналов на аналоговые решается за счет предания их спектрам шумоподобной формы (спектр равномерен во всей полосе частот). При этом наиболее эффективно используется вся полоса частот, отводимая цифровому сигналу, и мощность передатчика. Для этого данные транспортных пакетов MPEG-2 проходят операцию рандомизация (сложение цифровых данных с квазислучайной последовательностью). У этой операции есть еще одно достоинство – цифровой сигнал после нее имеет частые перепады уровней, что при приеме может обеспечить самосинхронизацию (возможность выделения из цифровых данных тактовой частоты).

Условие одинаковых полос занимаемых частот аналоговыми и цифровыми сигналами выполняется выбором параметров системы. Так, система ATSC разрабатывалась для каналов шириной 6 МГц и может быть использована только в странах в которых принята соответствующая сетка частот. Система DVB разрабатывалась специалистами Европы, на территории которой в разных странах действуют различные сетки частот 6,7,8 МГц. Кроме того, на территории одной страны в метровом и дециметровом диапазонах могут использоваться разные сетки. По этому в этом отношении система DVB более гибкая и может быть использована в любой стране мира. Изменение режима работы происходит за счет изменения системной тактовой частоты. Система ISDB появилась самой последней и впитала в себя все самое лучшее из системы DVB. Можно сказать, она является логическим продолжением системы DVB.

Все три системы имеют похожие алгоритмы помехоустойчивого кодирования, которые должны обеспечить борьбу, как с одиночными, так и с пакетными ошибками (см. коды произведения).

Система ATSC

Модуляция

Система ATSC координально отличается от остальных используемой модуляцией. Применяется амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой VSB (Vestigial Sideband). Возможно использование как двухуровневых модулирующих сигналов так и многоуровневых. Сравним двухуровневый сигнал с восьмиуровневым (рис. 15.1)

Рис. 15.1 Двухуровневые и восьмиуровневые модулирующие сигналы

При двухуровневом модулирующем сигнале, он полностью повторяет сигнал передаваемых данных. При высоком уровне - +1, при низком - -1. Таким образом один уровень может переносить информацию только одного бита. При восьмиуровневом, модулирующий сигнал на интервале одного символа может принимать один из восьми уровней, а значит переносить информацию сразу о трех битах. Ясно, что при одинаковой скорости передачи символов (что соответствует одинаковой полосе занимаемых частот) пропускная способность восьмиуровневой модуляции в три раза больше. Модуляция VSB может работать с разными модулирующими сигналами: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 16-VSB,…N-VSB. Число показывает количество уровней модулирующего сигнала N=2ⁿ, где n – количество бит, влияющих на выбор уровня модуляции. Итак, использование многоуровневой модуляции приводит к увеличению скорости передаваемых данных при той же полосе частот, или к уменьшению полосы частот при той же скорости данных.

Но нельзя бесконечно увеличивать количество позиций модулирующего сигнала. Ведь на приемном конце демодулятор должен сделать выбор между этими разрешенными уровнями. Сигнал будет искажен и насыщен шумами, а детектировать сигнал необходимо точно. Ясно, что чем больше позиций у модулирующего сигнала, тем труднее приемнику будет сделать правильный выбор. По этому необходимо согласовывать выбор модуляции с характеристиками канала связи. В системе ATSC для кабельных сетей, где ниже уровни шума и отраженных сигналов используется модуляция 16-VSB, а для наземного вещания – 8T-VSB. Буква Т означает использование внутреннего сверточного (трилисного) кодирования со скоростью 2/3. К двум информационным битам добавляется один проверочный, и именно эти три бита влияют на уровень модуляции.

И так в кабельных сетях (16-VSB) передается 4 бита информации на интервале одного символа, а в наземном вещании (8T-VSB) передается 2=3-1 бита. Таким образом, при одинаковой скорости передачи символов в той же полосе частот, в кабельных сетях система ATSC позволяет передавать в два раза больше информации 2*19,39 Мбит/с, чем в наземном вещании 19,39 Мбит/с.

Частота следования символов в обоих случаях равна F_S=10,76 МГц, что обеспечивает высокую эффективность использования полосы частот канала и мощности передатчика (рисунок 15.2).

Рис. 15.2 Спектр сигнала ATSC

Пределу Найквиста для такой скорости передачи символов соответствует полоса частот 10,76/2=5.38 МГц. Полоса частот, занимаемая сигналом ATSC, всего на 0,62 МГц больше теоретического предела.

Как отмечалось выше, входные данные подвергаются рандомизации, благодаря чему спектр сигнала ATSC имеет шумоподобную форму. Но появляется проблема: в цифровых данных после этой операции будет отсутствовать постоянная составляющая, что превратит амплитудную модуляцию в балансную (амплитудную модуляцию без несущей). Балансная модуляция намного сложнее для приема, поэтому в спектр сигнала ATSC вводят пилот сигнал (Р). Он добавляет к мощности передатчика всего 0,3 дБ. Формируется пилот сигнал введением в модулирующие сигналы постоянной составляющей уровнем 1.25 единицы. Пилот сигнал позволяет восстановить несущую на приемном конце даже при отношении сигнал/шум 0дБ.