2Обзор системы DVB-Т2. Сравнение с DVB-Т.
Стандарт DVB-T2 является улучшенным и функционально расширенным последователем стандарта DVB-T. В нем сохранены основные идеи обработки сигнала (скремблирование, перемежение данных, кодирование), но при этом каждый этап усовершенствован и дополнен. В целом изменения не коснулись только модуляции OFDM (ортогональное частотное мультиплексирование).
В системе DVB-T2 для инкапсуляции информации может применяться не только транспортный поток MPEG, но и транспортный поток общего назначения (GSE), что позволяет снизить объем передаваемой служебной информации и сделать адаптацию транспортного потока к сети более гибкой. По сравнению с системой DVB-T привязки к какой-либо структуре данных на уровне транспорта не существует.
В стандарте DVB-T вся полоса используется для передачи одного транспортного потока. В новом стандарте применяется так называемая концепция PLP (physicallayerpipes – каналы физического уровня): передача в одном физическом канале нескольких логических. Возможны два режима: с передачей одного PLP – режим «A», с передачей нескольких PLP (multiPLP) – режим «B». В режиме «B» несколько транспортных потоков передаются одновременно, причем каждый из них помещается в свой PLP. Это позволяет обеспечить сосуществование в одном радиочастотном канале услуг, передаваемых с разной степенью помехоустойчивости: режим модуляции и режим помехоустойчивого кодирования может выбираться для каждого PLP индивидуально, т. е. оператор может выбирать большую скорость передачи или лучшую помехоустойчивость для каждой программы в формируемом пакете. Приемник же декодирует только выбранный PLP и отключается на время передачи PLP, которые не интересуют абонента, что обеспечивает энергетическую экономию.
В стандарте DVB-T2 усложнена система перемежения. Используется битовое, частотное и дополнительно – временное перемежение. Оно осуществляется не только внутри одного модуляционного символа, но и внутри суперкадра, что позволяет увеличить устойчивость сигнала к импульсным помехам и изменению характеристик тракта передачи.
Дополнительно в одночастотных сетях может поддерживаться технология MISO (multipleinput – singleoutput), использующая кодирование Аламоути. В этом случае передатчики в одночастотной сети передают не в точности один и тот же сигнал, что позволяет избежать на приемной стороне так называемых «провалов». Следует отметить, что стандарт DVB-T2 предусматривает восемь вариантов размещения пилот-сигналов. Если в системе DVB-T количество пилот-сигналов составляло 8 % от общего числа несущих, то в системе DVB-T2 это значение может варьироваться: 1; 2; 4 и 8 %. Выбор схемы размещения зависит от величины защитного интервала.
Для увеличения пропускной способности дополнительно введен режим модуляции 256-QAM и размерности быстрого преобразования Фурье (FFT) 16k и 32k, а также добавлены новые значения защитных интервалов: 1/128, 19/128, 19/256.
Почему в стандарте DVB-T не использовалась модуляция 256-QAM? Ведь ее применение позволяет увеличить пропускную способность системы на 30–50 %. Сверточные коды (СК) и коды Рида – Соломона (РС) не обеспечили бы должной защиты от ошибок. Данная проблема решена в стандарте DVB-T2. Основными механизмами, позволяющими повысить помехоустойчивость системы, являются новые алгоритмы кодирования и вращение сигнального созвездия.
В стандарте DVB-T2 вместо сверточных кодов используются коды с низкоай плотностью проверки на четность (LDPC), а вместо кода Рида – Соломона – короткий код Боуза – Чоудхури – Хоквенгема (BCH). Поведение характеристик при использовании кодирования LDPC + BCH приближено к идеальному. Соответственно коды LDPC и BCH обеспечивают более высокую помехоустойчивость, чем коды РС и СК, что позволяет передавать большее количество информации в используемом канале. Дополнительно введены относительные скорости кодирования 3/5 и 4/5.
Выигрыш в отношении «сигнал/шум» за счет использования новых методов помехоустойчивого кодирования для стандарта DVB-T2 при идентичном BER составит 5 дБ.
Еще одним новшеством в стандарте DVB-T2 является вращение сигнального созвездия, позволяющее улучшить помехоустойчивость системы.
В таблице 2.1 приведены значения угла поворота созвездия в зависимости от типа модуляции.
Таблица 2.1 – Значения угла поворота созвездия для различных типов модуляции
Тип модуляции
|
QPSK
|
16 QAM
|
64 QAM
|
256 QAM
|
Угол поворота созвездия
|
29°
|
16,8°
|
8,6°
|
arctg(1/16)
|
Каждый вектор такого созвездия приобретает свои индивидуальные координаты I и Q. Соответственно в случае потери информации об одной из координат ее можно будет восстановить. В результате перемежения компоненты I и Q передаются раздельно, что уменьшает вероятность их одновременной потери. В системе DVB-T каждая координата встречается несколько раз, поэтому в случае потери информации об одной из них определить, к какому квадранту относится точка, затруднительно. Соответственно поворот созвездия дает выигрыш в отношении «сигнал/шум» на несколько децибел.
В сетях наземного цифрового телевизионного вещания выбор параметров передачи тесно связан с выбором оптимального соотношения между помехоустойчивостью и пропускной способностью системы. Проведем сравнительный анализ данных параметров в системах DVB-T и DVB-T2.
Сравним скорости передачи при фиксированном отношении «сигнал/шум». Рассмотрим режимы с максимальной скоростью передачи данных [1, 2]. Для стандарта DVB-T: 8k, 1/32, 64-QAM, для стандарта DVB-T2: 32k, 1/128, 256-QAM (таблица 2.2).
Таблица 2.2 – Сравнение скорости передачи для одинаковых отношений «сигнал/шум»
DVB-T
|
DVB-T2
|
Относительная скорость кодирования
|
Отношение «сигнал/шум», дБ
|
Скорость передачи, Мбит/с
|
Относительная скорость кодирования
|
Отношение «сигнал/шум», дБ
|
Скорость передачи, Мбит/с
|
3/4
|
18,6
|
27,14
|
2/3
|
18,4
|
40,23
|
5/6
|
20
|
30,16
|
3/4
|
20,6
|
45,24
|
7/8
|
21,1
|
31,67
|
4/5
|
22
|
48,27
|
Очевидно, что при равных отношениях «сигнал/шум» скорость передачи в стандарте DVB-T2 по сравнению с предшественником увеличивается на 40–50 %. Это означает, что при том же радиусе зоны покрытия количество передаваемых программ можно увеличить на 50–60 %.
Важно отметить, что при идентичных параметрах передачи (64-QAM, относительная скорость кодирования 3/4, защитный интервал 1/4) отношение «сигнал/шум» в стандарте DVB-T составляет 18,6 дБ, а в стандарте DVB-T2 – 15,4 дБ. Соответственно зона уверенного приема при прочих равных параметрах будет значительно увеличена при построении сети стандарта DVB-T2.
Проведем сравнение отношения «сигнал/шум» при одинаковых скоростях передачи (таблица 2.3).
Таблица 2.3 – Сравнение отношения «сигнал/шум» при одинаковых скоростях передачи
DVB-T
|
DVB-T2
|
Относительная скорость кодирования
|
Отношение «сигнал/шум», дБ
|
Скорость передачи, Мбит/с
|
Относительная скорость кодирования
|
Отношение «сигнал/шум», дБ
|
Скорость передачи, Мбит/с
|
3/4
|
18,6
|
27,14
|
3/5
|
12,67
|
27,02
|
5/6
|
20
|
30,16
|
2/3
|
14,17
|
30,07
|
7/8
|
21,1
|
31,67
|
3/4
|
15,4
|
33,82
|
Отношение «сигнал/шум» при той же скорости передачи данных на 5–6 дБ меньше в стандарте DVB-T2. Соответственно при том же радиусе зоны обслуживания мощности передатчиков можно уменьшить в 3–4 раза.
Таблица 2.4 представлена для режимов передачи, позволяющих обеспечить максимальную пропускную способность системы, которая достигается при максимальной размерности FFT, наивысшем порядке модуляции и минимальном защитном интервале. При таких условиях максимальное расстояние между соседними передатчиками в одночастотной сети составит 8,4 км. Очевидно, что при проектировании сети такие расстояния окажутся недостаточными. Поэтому необходимо использовать другие защитные интервалы, позволяющие увеличить расстояние между передатчиками (таблица 2.4), несмотря на то, что пропускная способность системы уменьшится.
Таблица 2.4 - Максимальные расстояния между передатчиками
Наименование параметра
|
Значение параметров для режима
|
16k
|
32k
|
Защитный интервал
|
128
|
32
|
16
|
9256
|
8
|
128
|
4
|
128
|
32
|
16
|
256
|
8
|
128
|
4
|
Продолжение таблицы 2.4
Длительность защитного
интервала, мкс
|
4
|
6
|
12
|
33
|
24
|
66
|
48
|
8
|
12
|
24
|
66
|
48
|
32
|
–
|
Длительность полезной части символа сообщения, мкс
|
1792
|
3584
|
Длительность символа
сообщения, мкс
|
806
|
848
|
904
|
925
|
016
|
058
|
240
|
612
|
696
|
808
|
850
|
032
|
116
|
-
|
Максимальное расстояние между передатчиками, км
|
4,2
|
6,8
|
3,6
|
9,9
|
7,2
|
9,8
|
34,4
|
8,4
|
3,6
|
7,2
|
9,8
|
34,4
|
59,6
|
–
|
Если в стандарте DVB-T скорость передачи для различных режимов определена точно и ее значения отражены в таблицах нормативных документов, то для стандарта DVB-T2 такие таблицы приведены только для максимальных скоростей передачи. В общем случае пропускная способность системы стандарта DVB-T2 зависит от следующих параметров: размерности FFT, типа модуляции, параметров кодов LDPC и BCH, длительности защитного интервала, выбранной схемы пилот-сигналов, использования режима PLP или multiPLP и некоторых других и вычисляется в соответствии с формулой из [3]. Правильный подбор комбинации всех описанных параметров позволит минимизировать потери в заданной зоне покрытия, оптимизировать значения мощностей передатчиков, пропускную способность и помехоустойчивость системы. При этом в стандарте DVB-T2 различных комбинаций параметров значительно больше, чем в стандарте DVB-T, что делает его более гибким для проектирования сетей цифрового телевизионного вещания.
Характеристики стандарта DVB-T2 приближаются к границе Шеннона, поэтому дальнейшее повышение помехоустойчивости и увеличение пропускной способности вряд ли возможно в рамках существующей модели цифрового наземного телевизионного вещания. Маловероятно, что в ближайшем будущем появится стандарт наземного телевидения третьего поколения семейства DVB. Скорее будет разработана принципиально новая модель эфирного цифрового вещания, а это является сложной задачей, требующей значительных временных затрат. Поэтому внедрение стандарта DVB-T2 для второго и последующих мультиплексов будет оправданным.
Система нового поколения обладает рядом особенностей высокочастотной обработки сигнала: используются новые алгоритмы кодирования, дополнительные виды модуляции, размерности быстрого преобразования Фурье (БПФ), относительные скорости кодирования, защитные интервалы и др. Высокочастотная обработка осуществляется в модуляторе радиопередатчика DVB-T2, где BB-кадр вместе со своим заголовком подвергается кодированию LDPC и BCH. В результате образуются последовательности длиной 64800 или 16200 бит, которые называются FEC-кадром. Полученные биты перемежаются в FEC-кадре (битовое перемежение) и в зависимости от выбранного вида модуляции разбиваются на слова (например, 6 бит для созвездия 64QAM, 8 бит – для 256QAM). На векторной диаграмме определенному набору бит в слове соответствует свой вектор, а каждому вектору – свое комплексное число (Re(z)jIm(z)). Совокупность элементов Re(z) и Im(z) называется COFDM ячейкой. Последовательность ячеек COFDM, соответствующих одному FEC-кадру, и называется FEC-блоком (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 - Последовательность формирования FEC Блоком [1]
В стандарте DVB-T2 дополнительно введено временное перемежение, обеспечивающее защиту от импульсных помех. Завершающей структурной единицей логического уровня сигнала DVB-T2, «заключающей в себе» закон перемежения, является кадр перемежения. Он и определяет расположение отдельных потоков PLP в суперкадре.
Кадр перемежения состоит из целого числа TI-блоков, которые в свою очередь состоят из FEC-блоков (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 - Временное перемежение[1]
Рекомендуется использовать комбинацию «один TI-блок в одном кадре перемежения». Именно в этом случае перемежение будет выполняться в течение более длительного периода времени [2]. Каждый кадр перемежения на физическом уровне проецируется на один или несколько Т2-кадров. Назначение T2-кадра заключается в переносе потоков PLP, P1- и L1-сигнализации, т. е. T2-кадр содержит в себе услуги DVB-T2 и связанную с ними служебную информацию.
P1-сигнализация предназначена для первичной инициализации сигнала DVB-T2. L1-сигнализация необходима для:
•быстрого обнаружения приемником полезного сигнала;
• доступа к потокам PLP в рамках текущего (или последующего) Т2-кадра.
|
