Методы канального кодирования и системы передачи цифрового ТВ

    Используемые в телевещании три канала связи – спутниковый, кабельный и наземный – существенно отличаются по своим параметрам Самое большое отличие при организации вещания заключается в различном характере помех действующих в каналах вещания.

Кроме того, поскольку система цифрового ТВ-вещания должна была использовать существующие частотные планы и в течение длительного переходного периода обеспечивать вещание наряду с действующими аналоговыми телевизионными системами (в СНГ— это системы стандарта D, K/SECAM), она должна обладать требуемой помехозащищенностью со стороны аналоговых систем и не должна создавать для них недопустимых помех. Поэтому в стандарте MPEG, а также в DVB проводится дополнительное канальное кодирование.

    Стандарты MPEG устанавливают два уровня кодирования: пакетированные элементарные потоки PES (Packetized Elementary Stream) и мультиплексированные транспортные потоки TS (Transport Stream).

Рис.16.7 Тракт формирования MPEG сигнала

 Стандартизированный пакетный транспортный поток цифрового телевидения TS обладает объемом 1504 битов, т.е. 188 байтов. Из них 32 бита (4 байта) приходится на заголовок (Header), в котором осуществляется идентификация (Packet Identification — PID) и синхронизация (Sync Byte — SB). За заголовком следует занимающее несколько битов поле адаптации (Program Clock Reference — PCR) с импульсами, передаваемыми не реже каждой десятой доли секунды, и, наконец, сами программные данные. Перед передачей в сигнал вводятся дополнительные данные, которые помогают приемнику распознать возможные ошибки и избавиться от них. Но поскольку это увеличивает объем передаваемой информации, устанавливается разумный компромисс между требованиями к безопасной передаче сигнала и экономичным использованием всего объема канала.

В наземных и спутниковых системах цифрового телевидения для этого применяют предварительную коррекцию ошибок, использующую код Рида-Соломона (очень эффективный код) с перемежением: исходный цифровой сигнал разбивается на блоки при помощи системы Interleave со сверточным кодом (еще один вид помехоустойчивого кодирования). В кабельных сетях, поскольку сигнал в них менее подвержен внешним помехам и обладает, как правило, на два порядка лучшим соотношением сигнал/шум, необходимость в разбивке на блоки и применении сверточного кода отпадает.

Канальный кодер также использует квадратурные виды модуляции , что  одновременно увеличить количество передаваемой информации в единицу времени, сократить используемую полосу частот и повысить помехоустойчивость ТВ системы. Выше были рассмотрены принципы построения таких сигналов.

Чем выше количество информации, переносимое одним символом,

тем выше число возможных состояний, которое может принять изменяемый в процессе модуляции параметр модулируемого сигнала (виды модуляции с большим числом таких состояний называют многопозиционными), и соответственно тем выше эффективность использования частотного спектра.

Однако, чем большее число состояний может принимать модулирующий сигнал, тем меньше существует отличий в параметрах этих состояний, а значит, демодуляция такого сигнала в условиях помех может стать затруднительной. Поэтому эффективность использования частотного спектра обычно связана с возможно достижимым отношением сигнал/помеха, и при выборе этих параметров ( то есть методов канального кодирования)необходим компромисс.

В телевидении может применяться QAM (квадратурная амплитудная модуляция) модуляция различного уровня от 16 QAM до 256 QAM.

Уровень модуляции определяет количество состояний несущей, используемых для передачи информации. Число бит, передаваемых одним состоянием, определяется как Log N где Т — уровень модуляции.

Так, модуляция 16 QAM передает 4 бита информации, а модуляция 256 QAM - 8 бит. 

     Очевидно, что чем выше уровень модуляции, тем большими скоростными возможностями и меньшей помехоустойчивостью она обладает. QAM модуляция более чем QPSK и 8PSK1 чувствительна к нелинейным искажениям и шумам радиотракта. Поэтому она почти не используется для каналов спутниковой связи.

      В коаксиальных линиях связи, характеризующихся высоким отношением несущая/шум, и с высоким отношением амплитудной (передаточной) характеристики, используется преимущественно QAM модуляция разного уровня.

Стандарт DVB-С предлагает в качестве основной использовать 64-уровневую QAM-модуляцию, позволяющую в канале с полосой пропускания 7.92 МГц обеспечить скорость передачи данных 41.34 Мбит/с и полезную скорость, с учетом помехоустойчивого кодирования — 38.1 Мбит/с. Сигналы этого уровня не налагают особых требований к качеству распределительного тракта и, как правило, могут быть добавлены в уже существующие сети.

Рис.16.8 Тракт формирования сигнала цифрового ТВ стандарта DVB-C

    Хорошее отношение сигнал/шум S/N согласно теоремы Шеннона снижает вероятность ошибок BER (Bit Error Rate – частота ошибочных бит) и позволяет обойтись одной ступенью помехоустойчивого кодирования. Однако пакетные ошибки не исключены, поэтому перемежение остается составной частью помехоустойчивого кодирования.

Для ретрансляции спутниковых потоков актуальным является использование и 32 QAM. В этом случае в кабельном канале обеспечивается скорость передачи данных 34,367 Мбит/с, совместимая со скоростью передачи в спутниковых каналах связи. Полезная скорость передачи составляет при этом 31.367 Мбит/с.

       Во вновь проектируемых кабельных сетях возможен переход к модуляциям 128 QAM и 256 QAM, но он потребует ужесточения норм на неравномерность АЧХ, ГВЗ и уровень отраженных эхо-сигналов в радиотракте кабельной сети.

На сегодня семейство стандартов DVB достигло десятков членов. Однако, основными, как и прежде и наиболее актуальными остаются DVB-T – стандарт наземного, эфирного телевещания, DVB-S – стандарт спутникового вещания, DVB-C – кабельного и DVB-H – цифрового вещания для мобильных устройств. В настоящее время действует уже второе поколение почти всех названных стандартов – DVB-S2, DVB-T2 и т. п.

Данный стандарт определяет физический уровень и канальный уровень в системе телевещания. Устройства взаимодействуют с физическим уровнем через синхронный параллельный интерфейс (SPI), синхронный последовательный интерфейс (SSI), или асинхронный последовательный интерфейс (ASI). Все данные передаются в транспортном потоке MPEG-2 с некоторыми дополнительными ограничениями (DVB-MPEG).

Рис.16.9 Тракт формирования сигнала цифрового ТВ стандарта DVB-Т

Способы модуляции в различных версиях DVB:

в DVB-S (SHF) используется QPSK, 8PSK или 16-QAM,

в DVB-S2 используется QPSK, 8PSK, 16APSK или 32APSK,

в DVB-C (VHF/UHF) используется QAM: 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM или 256-QAM,

в DVB-T (VHF/UHF) используется 16-QAM или 64-QAM (или QPSK) совместно с COFDM и иерахической модуляцией.

 Можно отметить особенность передачи сигнала стандарта трансляции DVB-T. При традиционных амплитудных, частотных или фазовых модуляциях информационный сигнал передается одним несущим сигналом. При этом искажениям от воздействия помех может подвергаться как несущий, так и непосредственно модулируемый сигнал.

Поэтому для передачи сигнала DVB-T в эфир применяется одна из самых совершенных модуляций – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), принцип которой состоит в использовании не одной несущей частоты с широкой полосой, а нескольких сотен или даже тысяч близко расположенных узкополосных поднесущих. Поэтому при затухании или помехах в одной из них теряется лишь незначительная часть данных, которую потом можно восстановить с помощью алгоритмов коррекции ошибок. Принципы ODFM реализованы не только в цифровом ТВ, но и в беспроводных интерфейсах Bluetooth и Wi-Fi.

        Использование многочастотных видов модуляции (с большим количеством отдельных поднесущих – до 2000-8000) и модуляции QAM на каждой поднесущей позволяет передавать высокоскоростные потоки информации в относительно небольшой полосе частот.