Принципы функционирования стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T

Структурные схемы передающего и приемного устройств стандарта DVB-Т представлены на рис. 8.22, 8.23 [38].

Стандарт DVB-Т разрабатывался для цифрового вещания, но он должен встраиваться в существующее аналоговое окружение, поэтому в стандарте следует обеспечить защиту от интерференционных помех соседнего и совмещенного каналов, обусловленных действующими передатчиками PAL/SECAM. Поскольку речь, идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность использования частотного диапазона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных передатчиков, много частотных и одночастотных сетей. Следует учитывать высокий уровень промышленных шумов в канале наземного телевидения. Стандарт DVB-Т должен успешно бороться с типичными для наземного телевидения эхо-сигналами, вызванными как статическими объектами, например зданиями, так и динамическими объектами, например самолетами, и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распространения радиоволн, обусловленного рельефом местности.

Рис. 8.22. Структурная схема устройства преобразования сигналов и данных в передатчике DVB-T

Рис. 8.23. Структурная схема устройства преобразования сигналов и данных в приемнике DVB-T

Является желательным создание условий для приема в движении и на комнатные антенны. Все эти требования были выполнены в DVB-Т благодаря применению новой системы модуляции OFDM. Причем способ модуляции OFDM с кодированием включает в себя внешнее и внутреннее кодирование и перемежение с целью коррекции возникающих в канале ошибок.

OFDM отличается передачей сигнала с использованием большого количества несущих колебаний, частоты которых кратны некоторой основной частоте. Причем каждая несущая переносит поток данных, уменьшенный в число раз, равное количеству несущих. Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию модулированных колебаний даже в условиях частичного перекрытия боковых полос отдельных модулированных несущих.

Применение какой-либо одной системы кодирования не дает желаемого эффекта в условиях наземного телевидения, для которого типично проявление разнообразных шумов, помех и искажений, приводящих к возникновению ошибок с разными статистическими свойствами. В таких условиях необходим более сложный алгоритм исправления ошибок. В стандарте DVB-Т используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически безошибочную работу (такой подход типичен и для других сфер, например, для цифровой видеозаписи). Если благодаря работе внутреннего кодирования частота ошибок на выходе внутреннего декодера (см. рис. 8.23) не превышает величины 2x10^-4, то система внешнего кодирования доводит частоту ошибок на входе демультиплексора MPEG-2 до значения 10^-11, что соответствует практически безошибочной работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).

Кодирование обязательно связано с введением в поток данных некоторой избыточности и соответственно с уменьшением скорости передачи полезных данных, поэтому наращивание мощности кодирования за счет увеличения объема проверочных данных не всегда соответствует требованиям практики. Для увеличения эффективности кодирования, без снижения скорости кода, применяется перемежение данных. Кодирование позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, а перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

Защитный интервал. В системе OFDM данные передаются с использованием некоторого количества несущих колебаний. Если таких несущих много, то поток данных, переносимых одной несущей, характеризуется сравнительно небольшой скоростью, т.е. частота модуляции каждой несущей невелика. Однако межсимвольные искажения проявляются и при малой скорости следования модуляционных символов. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым символом вводится защитный интервал. Но надо отметить, что защитный интервал - это не просто пауза между полезными символами, достаточная для угасания сигнала символа до начала следующего. В защитном интервале передается фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности несущих принятого сигнала (но только в том случае, если эхо-сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность защитного интервала).

Концепция защитного интервала не является принципиально новой, но использование защитного интервала требуемой величины в цифровом телевидении возможно лишь при использовании частотного уплотнения с большим числом несущих.

Оценка параметров. Выбор параметров системы OFDM связан с обеспечением работы в одночастотных сетях телевизионного вещания, а также с возможностью использования заполнителей пробелов и мертвых зон в области охвата вещанием. Однако на начальном этапе развития цифрового телевидения одночастотные сети найдут небольшое применение из-за необходимости сосуществования с аналоговыми передатчиками и ограничений в распределении частотных диапазонов. Кроме того, в некоторых странах вообще не планируется использование одночастотной сети. Следовательно, система вещания должна допускать наиболее эффективное использование частотного диапазона в рамках уже существующих сетки частот и сети передатчиков.

Величина защитного интервала зависит от расстояния между передатчиками в одночастотных сетях вещания или от задержки естественного эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением частотных каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длительность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен быть как можно короче. Одна четвертая часть от величины полезного интервала является, видимо, разумной оценкой максимального значения длительности защитного интервала. Предварительные исследования показали, что если одночастотные сети будут строиться в основном с использованием существующих передатчиков, то абсолютная величина защитного интервала должна быть около 250 мкс. Это позволяет создавать большие одночастотные сети регионального уровня.

Принцип иерархической передачи. Особенность стандарта DVB-Т - возможность иерархической передачи и приема. Данные на выходе мультиплексора транспортного потока расщепляются на два независимых транспортных потока MPEG-2 (см. рис. 8.22), которым присваиваются разные степени приоритета. Поток с высшим приоритетом кодируется с целью обеспечения высокой помехозащищенности, поток с низшим приоритетом (обозначен на рис. 8.22 пунктиром) - с целью обеспечения высокой скорости передаваемых данных. Затем оба кодированных потока объединяются и передаются вместе. Таким образом, появляется возможность передачи по одному каналу двух различных программ или одной телевизионной программы в двух версиях. Первая версия характеризуется высокой помехозащищенностью, но ограниченной четкостью, вторая - высокой четкостью, но ограниченной помехозащищенностью. Это дает новые возможности. На стационарную антенну с помощью высококлассного приемника может быть принята версия с высокой четкостью. Но эта же программа будет принята простым и дешевым приемником в варианте с ограниченной четкостью. Помехозащищенная версия будет также приниматься в тяжелых условиях приема, например, в движении, на комнатную антенну. При меняющихся условиях приема возможно переключение приемника с одной версии на другую.

Стандарт DVB-Т был создан не просто для цифрового наземного телевидения, а для удовлетворения самых разнообразных требований, которые выдвигаются в странах, переходящих к цифровому наземному вещанию. Это вынуждает предусмотреть работу системы в различных режимах, но для сохранения сложности приемников на приемлемом уровне - обеспечить максимальную общность различных режимов.

Для работы одиночных передатчиков и сетей могут использоваться режимы работы с различным количеством несущих. Это обусловлено тем, что одни страны изначально планируют введение больших одночастотных сетей, а другие не предполагают этого делать. Стандарт DVB-Т допускает два режима работы: 2k и 8k. Режим 2k подходит для одиночных передатчиков и малых сетей, 8k соответствует большим сетям, хотя он может использоваться и для отдельных передатчиков.

Стандарт DVB-Т для достижения гибкости должен допускать обмен между скоростью передачи данных и помехозащищенностью. Введение защитного интервала позволяет эффективно бороться с неблагоприятными последствиями многолучевого приема. Однако платой за большой защитный интервал является уменьшение скорости передачи полезных данных. Для того чтобы сохранить большую скорость передачи данных в ситуациях, где не требуются большие одночастотные сети или не проявляется многолучевое распространение, предусмотрен целый набор возможных значений защитного интервала (1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от длины полезного интервала). Скорость внутреннего кода, обнаруживающего и исправляющего ошибки, может быть установлена равной одному из значений следующего ряда: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. В стандарте DVB-Т предусмотрена также возможность изменения числа позиций модулирующего сигнала от 4 до 64.

Поскольку распределение частотных каналов осуществляется в разных странах с различным шагом сетки частот, то переход от одного шага к другому в стандарте OVB-T выполняется путем замены системной тактовой частоты при сохранении всей структуры обработки сигналов. Разный шаг сетки частот обусловлен тем, что в отдельных странах стандартизованы различные номинальные полосы частот радиоканалов, предназначенных для передачи модулированных телевизионных сигналов, например, 8, 7 или 6 МГц.

Выбором комбинации параметров, относящихся к способу модуляции и числу несущих колебаний, скорости внутреннего кода и величине защитного интервала, можно создать систему наземного вещания, работающую в самых разных условиях передачи и приема и обеспечивающую заданную область охвата.

Важным фактором является высокая степень общности стандарта наземного телевизионного вещания DVB-Т с другими стандартами цифрового телевидения: кабельного (DVB-С) и спутникового (DVB-S).

Обработка данных и сигналов в стандарте DVB-Т. Рандомизация. Рандомизация данных является первой операцией, выполняемой в стандарте DVB-Т (см. рис. 8.22). Ее цель - превратить цифровой сигнал в квазислучайный и тем самым решить две важные задачи. Во-первых, это позволяет создать в цифровом сигнале достаточно большое число перепадов уровня и обеспечить возможность выделения из него тактовых импульсов (такое свойство сигнала называется самосинхронизацией). Во-вторых, рандомизация приводит к более равномерному энергетическому спектру излучаемого радиосигнала (как известно, спектральная плотность мощности случайного шума постоянна на всех частотах, поэтому превращение сигнала в квазислучайный способствует выравниванию его спектра). Благодаря равномерному спектру повышается эффективность работы передатчика и минимизируется мешающее действие радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому телевизионному сигналу, излучаемому другим передатчиком в том же канале.

Рандомизации предшествует операция адаптации цифрового потока, представляющего собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2 (рис. 8.24). Пакеты, имеющие общую длину 188 байтов (синхробайт, записываемый как число 47 в шестнадцатеричной форме или 01000111 - в двоичной, и 187 байтов передаваемых данных), объединяются в группы по восемь пакетов. Синхробайт первого пакета группы инвертируется, образуя число 10111000₂ = В8₁₆. Собственно рандомизация осуществляется путем сложения по модулю 2, т.е. посредством логической операции «исключающее ИЛИ» (XOR) цифрового потока данных и двоичной псевдослучайной последовательности PRBS (Pseudo Random Binary Sequence).

Генератор последовательности PRBS построен на базе 15-разрядного регистра сдвига, охваченного цепью обратной связи (рис. 8.25). Для того чтобы формируемая последовательность лишь походила на случайную и в приемнике можно было бы восстановить передаваемые данные, в начале каждого восьмого пакета производится инициализация генератора PRBS путем загрузки в него числа

Рис. 8.24. Адаптация транспортных пакетов MPEG-2

Рис. 8.25. Структурная схема устройства рандомизации данных

100101010000000. Первый после инициализации бит псевдослучайной последовательности PRBS складывается с первым битом первого байта транспортного потока, следующего за инвертированным байтом синхронизации. Байты синхронизации транспортных пакетов не должны рандомизироваться. Для упрощения работа генератора PRBS не прекращается во время всех восьми пакетов, но в интервале синхробайтов сложение с псевдослучайной последовательностью не производится (для этого используется сигнал разрешения) и синхробайты остаются нерандомизированными. Таким образом, длительность псевдослучайной последовательности оказывается равной 1503 байтам (187 + 188 х 7 = 1503).

Восстановление исходных данных на приемной стороне осуществляется с помощью такого же генератора PRBS, который инициализируется в начале каждой группы из восьми пакетов адаптированного транспортного потока (на начало группы указывает инвертированный синхробайт пакета).

Внешнее кодирование и перемежение. В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов (рис. 8.26). При декодировании на приемной стороне это позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта.

Внешнее перемежение осуществляется путем изменения порядка следования байтов в пакетах, защищенных от ошибок. В соответствии со схемой, показанной на рис. 8.27, перемежение выполняется путем последовательного циклического подключения источника и получателя данных к двенадцати ветвям, причем за одно подключение в ветвь направляется и из ветви снимается 1 байт данных. В одиннадцати ветвях включены регистры сдвига, содержащие разное количество ячеек (каждая ячейка хранит байт данных) и создающие увеличивающуюся от ветви к ветви задержку. Входной и выходной ключи синхронизированы.

Рис. 8.26. Формирование пакетов данных с защитой от ошибок

Рис. 8.27. Структурная схема устройства внешнего перемежения данных с памятью внешнего кода Рида-Соломона RS (204,188)

Интересно, что предложенная схема не нарушает периодичность и порядок следования байтов синхронизации. Первый же синхробайт направляется в ветвь с номером 0, которая не вносит задержки. После семнадцати циклов коммутации ключей через устройство пройдет 204 байта (12x17 = 204, что совпадает с длиной кодового слова, в которое превращается пакет данных после кодирования Рида-Соломона). Следовательно, следующий байт синхронизации опять пройдет через ветвь с нулевой задержкой.

Перемежение является временным перемешиванием байтов данных, в приемнике исходный порядок следования байтов данных восстанавливается. Полезным в перемещении является то, что длинные пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами в канале связи и искажающие последовательно идущие байты данных, в результате обратного перемежения в приемнике разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным кодовым словам кода Рида-Соломона. В каждое кодовое слово попадает лишь малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме проверочных данных.

Прямое и обратное перемежения могут выполняться с помощью, практически одинаковых схем, но только порядок изменения задержки в ветвях схемы обратного перемежения в приемном устройстве должен быть изменен на противоположный (см. рис. 3.23). Синхронизация устройств прямого и обратного перемежения осуществляется путем направления первого же обнаруженного байта синхронизации через ветвь с номером 0.

Внутреннее кодирование. Внутреннее кодирование в стандарте вещания DVB-Т основано на сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым в процессе кодирования добавляется некоторое количество Проверочных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других. При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но гораздо меньшей длины, их называют «кадрами информационных символов». Обычно кадр включает в себя лишь несколько битов. К каждому информационному кадру также добавляются проверочные символы, в результате чего образуются кадры кодового слова, но кодирование каждого кадра производится с учетом предыдущих информационных кадров. Для этого в кодере всегда хранится некоторое количество кадров информационных символов, доступных для кодирования очередного кадра кодового слова (количество информационных символов, используемых в процессе сверточного кодирования, часто называют «длиной кодового ограничения»). Формирование кадра кодового слова сопровождается вводом следующего кадра информационных символов. Таким образом, процесс кодирования связывает между собой последовательные кадры.

Как было уже сказано, скорость внутреннего кода, или отношение числа символов в информационном кадре к общему числу символов, передаваемых в одном кодовом кадре, может изменяться в соответствии с условиями передачи данных в канале связи и требованиями к скорости передачи данных. Чем выше скорость кода, тем меньше его избыточность и тем меньше его способность исправлять ошибки в канале связи.

В стандарте DVB-Т внутреннее кодирование с изменяемой скоростью строится с использованием базового кодирования со скоростью 1/2. Основу базового кодера представляют собой два цифровых фильтра с конечной импульсной характеристикой, выходные сигналы которых X и Y формируются путем сложения по модулю двух сигналов, снятых с разных точек линии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров (рис. 8.28). Входные данные последовательно вводятся в регистр сдвига, а из выходных сигналов фильтров после преобразования в последовательную форму созидается цифровой поток, в котором биты следуют друг за другом в два раза чаще, чем на входе (скорость такого кода равна 1/2, так как на каждый входной бит приходятся два выходных).

В режимах с большей скоростью кодирования передается лишь часть генерируемых сигналов X и Y (передаваемые сигналы и их порядок приведены в таблице рис. 8.28). Например, при скорости 2/3 двум входным битам ставятся в соответствие и передаются в последовательной форме три выходных сигнала (X₁, Y₁, Y₂), а Х₂ вычеркивается. При максимальной скорости внутреннего кода, равной 7/8, семи входным битам соответствуют восемь выходных (X₁, Y₁, Y₂, Y₃, Y₄, X₅, Y₆, X₇).

Рис. 8.28. Схема внутреннего кодирования:

а - структурная схема устройства сверточного кодирования со скоростью r=1/2; б - кодирование с вычеркиванием; в - таблица кодирования

Внутреннее перемежение и формирование модуляционных, символов. Внутреннее перемежение в стандарте DVB-Т тесно связано с модуляцией несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные несущие колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он является основой принципов модуляции OFDM в стандарте DVB-Т. Внутреннее перемежение складывается из перемежения битов и цифровых символов данных. Его первым этапом является демультиплексирование входного потока данных. Непосредственно за перемежением следует формирование модуляционных символов.

Демультиплексирование. Отдельные несущие могут модулироваться с использованием квадратурной фазовой манипуляции QPSK или квадратурной амплитудной модуляции QAM. Сигналы, модулирующие несущую (точнее, синфазное и квадратурное колебания), при таких способах модуляции являются многоуровневыми, они описываются последовательностями многопозиционных символов, которые называются «модуляционными». В способе QPSK модулирующий сигнал представляет собой последовательность четырехпозиционных символов, выбираемых из алфавита с четырьмя двухразрядными двоичными словами (00, 01, 10, 11), которые определяют фазу модулированного колебания. Для формирования таких символов входной последовательный поток битов надо распределить, или демультиплексировать на два субпотока, в каждом из которых тактовая частота будет в два раза меньше, чем на входе (рис. 8.29). Для 16-позиционной квадратурной амплитудной модуляции QAM-16 надо формировать модуляционные символы в виде 4-разрядных двоичных слов, определяющих фазу и амплитуду модулированного колебания. В этом случае входной поток надо демультиплексировать соответственно на четыре субпотока. При использовании модуляции QAM-64 модуляционные символы представляют собой 6-разрядные слова, поэтому входной поток демультиплексируется на шесть субпотоков.

Входной поток данных демультиплексируется на υ субпотоков (υ = 2 для QPSK, v = 4 для QAM-16, υ = 6 для QAM-64). Поток битов x₀, х₁, х₂, х₃,... преобразуется в последовательность слов из υ разрядов (см. рис. 8.29). При использовании QPSK два последовательно следующих бита х₀ и x₁ отображаются в слово, представленное в параллельной форме и состоящее из битов b_0,0 и b_1,0, биты х₂ и х₃ - в слово из битов b_0,1 и b_1,1 и т.д. При модуляции QAM-16 выполняется следующая структура отображения последовательного потока входных битов в 4-разрядные слова в параллельной форме: х₀ - b_0,0, x₁ – b_2,0, x₂ – b_1,0, x₃ – _3,0 и т.д. При использовании QAM-64 каждые шесть последовательно следующих битов отображаются в 6-разрядное слово аналогичным образом.

Рис. 8.29. Схема внутреннего перемежения и формирования модуляционных символов:

а - QPSK; б - QAM-16

Перемежение битов. Перемежение битов представляет собой блочный процесс, т.е. оно осуществляется в пределах фиксированной области данных. Перемежение битов выполняется в пределах последовательности из 126 битов субпотока (рис. 8.29). Оно осуществляется только над полезными данными, причем в каждом субпотоке (их максимальное количество равно шести) перемежение соответствует своему правилу. В процессе перемежения в каждом субпотоке формируется входной битовый вектор B(e) = (b_e,0, b_e,1, К, b_e,125), преобразуемый в выходной А(е)= (a_e,0, a_e,1, К, a_e,125), элементы которого определяются как a_e,w = b_e,He(w) (здесь H_e(w) - функция перестановки битов, е = 0, 1, …, υ - 1, w = 0, 1,2.....125). Функция перестановки определяется различным образом для устройства перемежения каждого субпотока. Например, для субпотока l₀ H₀(w) = w, перестановка фактически отсутствует, а для субпотока l₁ перестановка выполняется в соответствии с функцией H₁(w) = (w+ 63) mod 126.

Цифровой символ данных и символ OFDM. Для образования цифрового символа данных выходы устройств перемежения субпотоков объединяются таким образом, что каждый символ из υ битов (слово , где w = 0, 1,2,..., 125) включает в себя один бит с выхода каждого устройства, причем выход 10 дает старший бит: = (a_o,w, a_1,w, K , a_υ-1,w). В режиме 2k процесс битового перемежения повторяется 12 раз, в результате чего образуется пакет из 1512 цифровых символов данных (126x12 = 1512), называемый символом OFDM. Именно эти 1512 цифровых символов данных используются для модуляции 1512 несущих колебаний в интервале одного символа OFDM (длительность символа OFDM обозначается как Т_s). 12 групп по 126 слов, считываемых последовательно с выхода устройства битового перемежения, образуют вектор . В режиме 8k процесс битового перемежения повторяется 48 раз, что дает 6048 цифровых символов данных (126x48 = 6048), используемых для модуляции 6048 несущих. Это дает вектор .

Перемежение цифровых символов данных. Перед формированием модуляционных символов выполняется перемежение цифровых символов данных. Вектор на выходе устройства перемежения символов Y = (y₀, y₁, K, у_Nmax-1) формируется в соответствии с правилом: у_Н(q) = для четных символов и y_q = для нечетных символов (здесь q = 0, …, N_max - 1, а N_max > l =1512 или 6048). Функция H(q) называется функцией перестановки символов. Перестановка символов производится в пределах блока из 1512 (режим 2k) или 6048 (режим 8k) символов.

Формирование модуляционных символов. Цифровой символ данных у состоит из υ битов (как и у'): y_q’ = (y_0,q’, y_1,q’, К, у_υ-1,q’), q' - номер символа на выходе устройства символьного перемежения. Величины у используются для формирования модуляционных символов в соответствии с используемым способом модуляции несущих. Модуляционные символы z являются комплексными, их вещественная и мнимая части отображаются битами у_u,q’. Отображение производится с использованием кода Грея, поэтому соседние по горизонтали и вертикали символы отличаются только в одном бите. Следовательно, если при демодуляции происходит ошибка из-за помех и за демодулированный символ принимается соседний (а такие ошибки наиболее вероятны), то это приводит к ошибке только в одном бите. При обычном двоичном коде такие же ошибки могли бы вызвать при демодуляции ошибки сразу в нескольких битах.

Модуляционные символы в стандарте DVB-Т являются комплексными. Например, при использовании способа QPSK значениям y_0,q. = 0 и у_1,q = 0 соответствует комплексное число z = 1 + j. Значения вещественной и мнимой частей этого комплексного модуляционного символа имеют вполне конкретный реальный смысл. Они означают, что амплитуды синфазной I и квадратурной Q компонент модулированного колебания равны 1. Иными словами в процессе модуляции косинусоидальная (или синфазная) и синусоидальная (или квадратурная) составляющие складываются с одинаковыми единичными символами. Известно, что сумма косинусоидальной и синусоидальной функций с единичными амплитудами дает гармоническое косинусоидальное колебание с амплитудой, равной √2 и начальной фазой 45°.

При квадратурной амплитудной модуляции меняется и модуль и аргумент комплексного модуляционного символа и, соответственно, амплитуда и начальная фаза полученного при модуляции колебания. Например, при использовании однородной квадратурной модуляции QAM-16 комбинации битов у_0,q = 0, у_1,q = 0, у_2,q = 1, у_3,q = 0 соответствует точка диаграммы 0010 и комплексный модуляционный символ z = 1 + 3j (синфазная косинусоидальная составляющая имеет амплитуду 1, а квадратурная синусоидальная - 3), что означает получение в процессе модуляции колебания с амплитудой √10 и начальной фазой 60°. Точка диаграммы 0111, в которую отображается комбинация битов у_0,q = 0, у_1,q = 1, у_2,q = 1, у_3,q = 1, обозначает комплексный модуляционный символ z = 1 - j, что означает получение в процессе модуляции колебания с амплитудой √2 и начальной фазой -45°.

Однако в процессе модуляции используются не сами модуляционные символы г, а их нормированные версии с. Нормировка вводится для того, чтобы средние мощности колебаний с разными способами модуляции были бы одинаковы. Например, при использовании способа QPSK нормированный комплексный модуляционный символ определяется как с = z/√2, при однородной модуляции QAM-16 - c = z/√10, а при неоднородной модуляции QAM-16 (с параметром χ = 4) - с = z/√108.

Перемежение и формирование модуляционных символов при иерархической передаче. Описанные принципы перемежения и формирования модуляционных символов соответствуют неиерархической передаче данных, при которой используется однородная квадратурная модуляция.

При иерархической передаче на вход устройства внутреннего перемежения поступают два потока данных - высшего приоритета ( ) и низшего ( ). Поток высшего приоритета демультиплексируется всегда на два субпотока ( - b_0,0, х₀ – b_1,0), а поток низшего приоритета - на (υ - 2) субпотоков ( -b_2,0, - b_3,0 в случае QAM-16, - b_2,0, - b_4,0, - b_3,0, - b_5,0 в случае QAM-64).

При иерархической передаче применяется неоднородная квадратурная модуляция. В случае иерархического декодирования демодуляция производится так, как будто модуляция была выполнена по способу квадратурной фазовой манипуляции. При этом достаточно определить лишь параметры группы из четырех битов и извлечь биты высшего приоритета y_0,q, и у_1,q. Такая процедура может быть выполнена без ошибок при сравнительно большом уровне помех, так как группы отстоят друг от друга на большее расстояние, чем отдельные точки внутри группы. Если уровень помех сравнительно невелик, то можно различить положения отдельных точек внутри каждой группы и в процессе демодуляции по способу QAM-16 извлечь и биты низшего приоритета y_2,q, и у_3,q.

Расположение точек векторной диаграммы зависит от параметра модуляции, обозначаемого в системе DVB-Т буквой χ (коэффициент неравномерности сигнального созвездия). Стандарт DVB-Т предусматривает три значения параметра %. При использовании однородной модуляции параметр устанавливается равным 1, в случае неоднородной: χ = 2 или χ = 4.

Модуляция OFDM и преобразование Фурье. Рассмотрим, модуляцию несущих. Независимо от способа (QPSK или QAM) модулированное колебание представляет собой сумму синфазной компоненты (косинусоиды) с амплитудой, равной вещественной части нормированного комплексного модуляционного символа Re{c} = с₁ и квадратурной компоненты с амплитудой, равной мнимой части модуляционного символа lm{c} = с_Q. Значения модуляционных символов в процессе передачи меняются в соответствии с передаваемыми данными. Таким образом, надо умножать опорное синфазное колебание на вещественные части комплексных символов с₁, квадратурное колебание - на мнимые части с_Q, а результаты перемножения - складывать. Эту операцию можно выполнять различными способами. Например, можно все эти действия выполнять в цифровой форме, а обработанные данные подвергать затем цифроаналоговому преобразованию. Но можно сначала осуществить цифроаналоговое преобразование вещественной и мнимой частей комплексных модуляционных символов, а умножение их на синфазное и квадратурное колебания (а это есть не что иное, как амплитудная модуляция) и сложение выполнять в аналоговой форме. Учитывая, что для формирования излучаемого сигнала на частоте выбранного канала модуляцию приходится выполнять сначала на промежуточной частоте, а затем прибегать к преобразованию частоты, т.е. к переносу спектра сигнала в полосу частот выбранного канала вещания, оптимальное решение может представлять собой комбинацию алгоритмов цифровых и аналоговых преобразований сигналов.

Если попытаться максимальное количество действий выполнить в комплексной форме (а для этого есть основания, поскольку для операций с комплексными колебаниями разработано много быстрых алгоритмов), то сигнал несущей с номером k и частотой f_k, модулированной символом с_k, может быть записан в виде вещественной части произведения комплексного модуляционного символа с_k и комплексной экспоненты, или комплексного колебания с частотой f_k:

s_k(t) = Re{c_k x exp{j2πf_kt)} = Re {с_k x exp(j2πkt/T_U)}.

Частота f_k представляет собой k-ю гармонику основной частоты 1/T_U, т.е. величины, обратной длительности полезной части символа и равной расстоянию между частотами соседних несущих. Сигнал OFDM, записанный на интервале одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами:

s(t) = ∑s_k (t) = ∑Re {с_k x exp(j2πkt/T_U)},

где суммирование выполняется по всем значениям k от k_min до k_max.

Но можно сначала выполнить суммирование, а затем взять его вещественную часть. Поскольку цифровая система передачи данных-система с дискретным временем, то при вычислениях в цифровой форме вместо непрерывной переменной t надо подставить ее дискретный аналог nТ (здесь Т - интервал дискретизации, а n - номер отсчета):

s(nТ) = s_n = Re{∑c_k x exp(j2πknt/T_U)}. (8.3)

Имеет смысл сравнить выражение (8.3) с формулой обратного дискретного преобразования Фурье:

х_n = ∑ X_k х ехр(j2πkn/N). (8.4)

Последняя формула также предполагает действия с комплексными числами, она позволяет вычислить значения сигнала х_n в моменты nТ путем суммирования его гармонических составляющих с известными комплексными амплитудами Х_k (здесь N - количество отсчетов сигнала и соответственно количество его составляющих (включая постоянную), которое может быть рассчитано в дискретной форме, причем суммирование выполняется по всем k от 0 до N-1). При описании сигнала формула (8.4) позволяет перейти из частотной области во временную, используя для этого суммирование всех гармонических составляющих сигнала, которые являются ортогональными.

Надо отметить, что формулы (8.3) и (8.4) аналогичны, ведь радиосигнал OFDM на интервале символа также представляет собой результат суммирования ортогональных гармонических колебаний с заданными в процессе обработки и кодирования данных амплитудами. Более того, формулы для обратного преобразования Фурье и радиосигнала OFDM становятся тождественными, если положить N = T_U/T и ввести в формулу для сигнала OFDM суммирование от 0 до (N- 1), причем считать нулевыми значения модуляционных символов для вновь введенных дополнительных номеров. Тогда становится ясным, что частотное уплотнение с ортогональными несущими представляет собой обратное дискретное преобразование Фурье (точнее, его вещественную часть).

Но надо ли осуществлять модуляцию OFDM в виде обратного преобразования Фурье? Ведь это всего лишь способ математического описания, а частотное уплотнение можно получить традиционным способом, т.е. с использованием обычных модуляторов. Однако, если бы переход к преобразованию Фурье не был бы сделан, то модуляция OFDM имела бы малые шансы на практическую реализацию. Преимущества системы OFDM проявляются при очень большом числе несущих (например, при нескольких тысячах), но в этом случае прямое аппаратурное формирование сигнала OFDM потребовало бы огромных схемотехнических затрат в виде тысяч генераторов и модуляторов в передатчике и такого же числа детекторов в приемнике. Маловероятно, что такая схема была бы реализована. А для прямого и обратного дискретного преобразования Фурье в последние десятилетия разработаны быстрые и эффективные алгоритмы, их так и называют - алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ и ОБПФ), и созданы процессоры БПФ в виде больших интегральных схем. Формула для сигнала OFDM, представляющая вещественную часть обратного преобразования Фурье и регламентирующая формирование радиосигнала, представляет собой важную часть стандарта DVB-Т, поскольку именно она определяет алгоритм практической реализации предлагаемого в стандарте способа модуляции OFDM.

Отношение Т_U/N = T (здесь N - размер массива БПФ), определяющее интервал дискретизации в формуле (8.3), играет важную роль в спецификации стандарта DVB-Т. Величина 1/T называется системной тактовой частотой. И время символа, и защитный интервал являются целыми кратными T. В стандарте DVB-Т, рассчитанном на каналы шириной 8 МГц, системная тактовая частота равна 1/T = 64/7 МГц. Эта величина является оптимальной с точки зрения уменьшения интерференционных помех из-за взаимодействия с излучаемыми радиосигналами аналогового телевидения.

Стандарт DVB-Т был изначально спроектирован для шага средних частот каналов 8 МГц, принятого в Европе для дециметрового частотного диапазона. Однако стандарт легко может быть приспособлен к другим диапазонам с другим шагом. Для перехода к 7 МГц каналам необходимо заменить системную тактовую частоту на 8 МГц. При этом сохраняется вся структура обработки сигналов (можно использовать одни и те же интегральные схемы для обработки), но объем передаваемых данных составляет лишь 7/8 от исходного. Для перехода к каналу шириной 6 МГц следует использовать системную тактовую частоту (13,5х8192)/(858х 19) МГц.

Интересно, что можно использовать не только вещественную, но и мнимую части вычисленного обратного преобразования Фурье. Выполним в соответствии с формулой обратного преобразования Фурье вычисление и вещественной и мнимой частей (мнимая часть обозначается как s_Q(t), вещественная - обозначается здесь как s_l(t) и дает уже описанный сигнал s(t):

∑c_k x exp(j2πf_kt) = s_l(t)+ js_Q(t).

Умножим вещественную часть на колебание с частотой F₀ (будем называть его «синфазным»), а мнимую часть - на квадратурное колебание той же частоты (сдвинутое по фазе по отношению к синфазному на 90°). Тогда суммирование полученных произведений дает сигнал OFDM, спектр которого смещен на частоту F₀. Такая операция соответствует преобразованию частоты, которое неизбежно используется для переноса радиосигнала в полосу частот выбранного канала вещания:

s₀(t) = s_l(t) x cos(2πF₀t) - s_Q(t) x sin(2πF₀t) =

= ∑{c_lk x cos[2π(f_k+F₀)t] – c_Qk x sin[2π(f_k+F₀)t]}.

Именно такое, преобразование иллюстрирует схема формирования радиосигнала OFDM (рис. 8.30).

Рис. 8.30. Структурная схема устройства формирования радиосигнала OFDM

Рис. 8.31. Спектр мощности радиосигнала OFDM (защитный интервал Т_U/4, f_c - центральная частота)

Спектр радиосигнала OFDM. Общая спектральная плотность мощности сигнала OFDM может быть найдена как сумма спектральных плотностей мощности отдельных несущих (рис. 8.31). Она могла бы быть весьма близкой к постоянной в полосе частот, которую занимают несущие, но длительность передаваемого OFDM символа больше, чем величина, обратная расстоянию между несущими, на величину защитного интервала. В связи с этим основной лепесток спектральной плотности мощности одной несущей несколько меньше удвоенного расстояния между несущими, поэтому спектральная плотность мощности сигнала OFDM в номинальной полосе частот (7,608258 МГц в режиме 2k и 7,611607 МГц в режиме 8k) не является постоянной. Уровень мощности на частотах вне номинальной полосы может быть уменьшен с помощью соответствующих фильтров.

Многолучевой прием. Многолучевой прием - явление, типичное для наземного телевизионного вещания. Если, наряду с основным радиосигналом, принимается, например, сигнал, отраженный от какого-либо препятствия и пришедший к приемной антенне с задержкой, на экране появляется повтор, т.е. копия изображения, сдвинутая по горизонтали. Если интенсивность повтора велика (отраженный сигнал сравним с основным), то изображение становится неприемлемым. Бороться с повторами можно, например, путем использования узконаправленных приемных антенн.

Возможен и частотный подход к оценке многолучевого приема. В результате интерференции радиосигналов, пришедших в точку приема с разными задержками, некоторые частотные компоненты радиосигнала ослабляются, а некоторые - усиливаются, что приводит к неравномерности частотной характеристики канала (рис. 8.32). Частотную характеристику с помощью перестраиваемых фильтров можно попытаться сделать постоянной в частотном диапазоне, занимаемом спектром радиосигнала, если предварительно оценить неравномерность. Но такой путь не всегда возможен.

Рис. 8.32. Влияние многолучевого приема на частотную характеристику канала и спектр принимаемого радиосигнала OFDM

Представим, что повторный радиосигнал приходит в точку приема с такой же интенсивностью, что и основной (такой повтор называют эхо-сигналом 0 дБ). Интерференционное взаимодействие основного сигнала и повтора приведет к тому, что отдельные компоненты суммарного сигнала окажутся полностью уничтоженными. Эхо-сигнал, задержанный на четверть длительности символа, приводит к подавлению каждой четвертой несущей сигнала OFDM (рис. 8.33). Такие подавленные компоненты не могут быть скорректированы за счет полосовой фильтрации, принятый сигнал претерпевает необратимые искажения. Однако в системе COFDM подавленные компоненты могут быть полностью восстановлены благодаря использованию частотного уплотнения в сочетании с кодированием, обнаруживающим и исправляющим ошибки. Это является следствием того, что данные, переносимые каждой несущей, доступны для обработки в системе канального кодирования. Каждая несущая пакета OFDM несет лишь небольшую часть данных, ошибки в которых могут быть обнаружены и исправлены с помощью системы канального кодирования.

Система COFDM предоставляет дополнительные возможности при условии, если оценивается частотная характеристика канала. Как показывает характеристика (рис. 8.33), на каждую подавленную несущую приходится одна усиленная, принимаемая с большим отношением сигнал-шум. Данные, переносимые подавленной несущей щей, могут помечаться как ошибочные, но зато данные усиленной - как обладающие повышенной надежностью. Использование этих пометок в процессе так называемого «мягкого» внутреннего декодирования позволяет заметно улучшить прием при многолучевом распространении радиосигнала.

Если эхо-сигнал 0 дБ имеет задержку меньшую, чем 1/4 от величины полезного интервала, то провалы в частотной характеристике будут следовать реже, но зато захватывать сразу большое число несущих. В этом случае помогает внутреннее перемежение, являющееся, по сути дела, частотным перемежением, в процессе которого переставляются данные, переносимые несущими с разными частотами.

Рис. 8.33. Влияние эхо-сигнала с уровнем 0 дБ на спектр принимаемого радиосигнала OFDM

Таким образом, внутреннее кодирование и перемежение предотвращают появление пакетов ошибочных битов, одновременно снижая частоту следования ошибок до приемлемой величины. Завершает процесс борьбы с ошибками внешнее кодирование и перемежение, которые исправляют как битовые ошибки, так и ошибочные байты, т.е. они эффективны в борьбе с большими пакетными ошибками.

Формирование данных и структура сигналов. Сигнал, получаемый в способе модуляции с частотным уплотнением, состоит из многих модулированных несущих, поэтому каждый символ OFDM может рассматриваться как разделенный на элементарные пакеты, каждый из которых переносится одной несущей во время одного символа. Количество битов, переносимое одной несущей за время символа OFDM, зависит от способа модуляции несущих - это 2 бита для квадратурной фазовой манипуляции, 4 бита для квадратурной амплитудной модуляции QAM-16 и 6 битов для модуляции QAM-64. Передаваемый сигнал организуется в виде кадров (рис. 8.34). Каждый кадр состоит из 68 символов OFDM, нумеруемых от 0 до 67. Четыре последовательных кадра образуют суперкадр. При выбранной структуре кадра в одном суперкадре всегда содержится целое число пакетов длиной 204 байта (рандомизированных транспортных пакетов MPEG-2, снабженных для защиты от ошибок проверочными байтами кода Рида-Соломона).

Каждый символ длительностью T_s образуется путем модуляции 1705 несущих в режиме 2k и 6817 несущих в режиме 8k. Интервал T_s состоит из двух компонентов: интервала Т_U, во время которого передаются входные данные передатчика, т.е. полезная информация (интервал Т_U и называется «полезным»), и защитного интервала T_G.

Рис. 8.34. Структура кадра DVB-T

Рис. 8.35. Структура сигнала OFDM на интервале передачи одного символа OFDM

Защитный интервал представляет собой копию, или циклическое повторение части полезного интервала, которая вставляется перед полезным (рис. 8.35).

В дополнение к данным в кадре OFDM передаются опорные сигналы, структура которых известна приемнику, а также сведения о параметрах передачи.

Опорные сигналы, называемые «пилот-сигналами», получаются в результате модуляции несущих псевдослучайной последовательностью. Пилот-сигналы используются прежде всего для синхронизации. Они распределены во времени и в частотном спектре сигнала OFDM, их амплитуды и фазы известны в точке приема, Поэтому их можно использовать также для получения сведений о характеристиках канала передачи. В системе используются два типа пилот-сигналов: непрерывные и распределенные. Непрерывные пилот-сигналы передаются на одних и тех же несущих в каждом символе OFDM, распределенные - рассеяны равномерно во времени и в частотном диапазоне. Непрерывные пилот-сигналы могут использоваться для синхронизации и оценки фазовых шумов канала, распределенные - для оценки характеристик канала посредством временной и частотной интерполяции. Использование временной интерполяции в промежутках между распределенными пилот-сигналами при достаточной мощности принимаемого сигнала может помочь для улучшения приема на движущихся объектах, например, на поездах и автомобилях.

Сигналы параметров передачи используются для сообщения приемнику параметров системы, относящихся к канальному кодированию и модуляции: способ передачи - иерархический или неиерархический, параметры модуляции, величина защитного интервала, скорость внутреннего кода, режим передачи – 2k или 8k, номер кадра в суперкадре. Эти сведения могут использоваться приемником для быстрой настройки. Сигналы параметров передаются на 68 последовательных символах OFDM, обозначаемых как кадр OFDM. Каждый символ OFDM переносит один бит, относящийся к сигналам параметров передачи. Блок данных, соответствующий одному кадру OFDM, содержит 68 битов, назначение которых устанавливается следующим образом:

- 1 бит-инициализация;

- 16 битов - синхронизация;

- 37 битов - сигнальная информация;

- 14 битов - проверочные биты для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в канале связи.

Из 37 информационных битов сейчас используются 23, остальные 14 представляют собой резерв на будущее. Проверочные биты вычисляются в соответствии с правилами систематического кодирования Боуза-Чоудхури-Хоквингема. Помехозащищенности данных, переносимых сигналами параметров передачи, способствует и способ модуляции. Каждая несущая, переносящая сигналы параметров передачи, модулируется по способу дифференциальной двоичной фазовой манипуляции (DBSK- Differential Binary Phase Shift Keying), в соответствии с которой фаза несущей меняется на противоположную от символа к символу, если передаваемые данные равны единице, и не меняется, если передаваемые данные равны нулю.

Естественным является вопрос, почему используется лишь 1705 и 6817 несущих, хотя преобразователь Фурье в качестве модулятоpa OFDM допускает 2048 и 8192 несущих? Число несущих, переносящих данные, пилот-сигналы и сигналы параметров передачи, установлены по следующим требованиям:

- общая структура кадра для режимов 2k и 8k;

- достаточная величина защитного частотного интервала между двумя соседними блоками несущих;

- максимальная пропускная способность канала;

- достаточное количество пилот-сигналов для получения информации о канале передачи;

- одинаковое число несущих, переносящих полезные данные, в каждом символе OFDM;

- целое число MPEG-2 транспортных пакетов, переносимых в пределах одного суперкадра, независимо от режима передачи.

Параметры стандарта DVB-Т. Основные параметры, характеризующие передачу данных в стандарте DVB-Т, приведены в табл. 8.4. Число несущих, передающих полезную информацию, зависит только от режима и равно 1512 для режима 2k и 6048 для режима 8k. Число «полезных» несущих в обоих режимах отличается ровно в четыре раза. Если учесть, что и длительность полезного интервала при переходе от режима к режиму также меняется в четыре раза, то такой важный параметр, как частота следования символов данных R_s, оказывается в двух режимах одинаковым и равным 6,75 миллионам символов в секунду (R_s = 1512/224 мкс = 6048/896 мкс = = 6,75 МГц = 6,75 Мегасимвол/с).

Используя величину R_s, нетрудно найти скорость передачи данных в разных режимах и при различных сочетаниях параметров стандарта DVB-T: R_SU = R_sxbxCR₁ xCR_sx(T_U/T_S) (здесь b - количество битов, передаваемых в одном символе с помощью одной несущей, CR₁ - скорость внутреннего сверточного кода; CR_s - скорость внешнего кода Рида-Соломона, равная 188/204; (Т_U/Т_S) - отношение длительности полезного интервала к общей длительноти символа. Результаты такого подсчета скорости передачи полезных данных приведены в табл. 8.5.

В табл. 8.5 приведены расчетные значения отношения сигнал-шум С/N на выходе канала связи с гауссовым шумом при неиерархической передаче (при других характеристиках шума канала требуемые значения С/N будут конечно, другими). Этот показатель является пороговым, если отношение сигнал-шум выше приведенной в таблице величины, тогда внутренний декодер способен довести частоту ошибок до величины, меньшей, чем 2x10^-11, а внешний - до 2x10^-11. При таких показателях наблюдается одна нескорректированная ошибка за час работы на входе демультиплексора MPEG-2 в приемнике.

Таблица 8.4. Основные параметры стандарта DVB-T

Таблица 8.5. Скорости передачи данных в стандарте DVB-T

Как видно из табл. 8.5, в стандарте DVB-Т скорость передачи полезных данных может меняться в значительных пределах: от 4,98 до 31,67 Мбит/с (это перекрывает весь диапазон потребностей, начиная с телевидения ограниченной четкости и заканчивая телевидением высокой четкости). Самое малое значение скорости 4,98 Мбит/с, имеющее место при модуляции несущих типа QPSK и скорости внутреннего кода, равной 1/2, характеризуется самой высокой помехозащищенностью системы передачи (для практически безошибочной работы достаточно отношение сигнал-шум в гауссовом канале всего 3,1 дБ). Но для достижения скорости 31,67 Мбит/с (модуляция несущих QAM-64 и скорость внутреннего кода 7/8) должно быть обеспечено отношение сигнал-шум не менее 20,1 дБ.

Данные табл. 8.5 можно использовать также для определения скорости передачи данных в режиме иерархической передачи. Скорость для потока с высшим приоритетом соответствует модуляции несущих типа QPSK. При модуляции несущих QAM-16 скорость передачи данных для потока с низшим приоритетом находится в ячейках таблицы, где приведены данные для QPSK, а при модуляции QAM-64 - для QAM-16.

Таблицы 8.4 и 8.5 подтверждают чрезвычайную гибкость стандарта DVB-Т. Представляя широкий спектр средств, система способна с высокой надежностью передавать цифровые данные, несущие информацию о сигнале телевидения стандартной и высокой четкости, в самых разнообразных условиях.

Для исключения несанкционированного доступа сигнал DVB-T обычно скремблируют, т.е. засекречивают изменением порядка следования отдельных пакетов. Этот прием достаточно давно применяется в спутниковом телевизионном вещании. Дескремблирование обеспечивается при использовании специальной смарт-карты, которую абонент получает после внесения абонементной платы.