Описание формата DVB-S2

Система цифрового телевизионного вещания DVB

Технологическими лидерами в области цифрового ТВ вещания являются страны Европейского союза, США и Япония. В 1991 г. Была создана European Launching Group (Европейская группа запуска), состоящая из представителей вещательных организаций, предприятий промышленности и органов власти, которая начала заниматься проблемами внедрения цифрового телевидения в Европе. В 1993 году все члены этой группы подписали Меморандум о взаимопонимании цифрового видеовещания (DVB MOU – Digital Video Broadcasting Memorandum of Understanding) и она стала называться DVB Project (проект цифрового видеовещания).

Одним из фундаментальных решений, принятых DVB Project, был выбор алгоритма MPEG-2 для системного уровня, т.е. для кодирования источников аудио и видеоинформации, а также для создания элементарных программных и транспортных потоков.

Стандарты, разрабатываемые в рамках DVB Project, применяются в системах цифрового аудио и видеовещания и передачи данных по спутниковым, кабельным и наземным сетям и определяют соответствующие системные рекомендации для кабельного DVB-C (Cable Transmission), наземного DVB-T (Terrestrial Transmission) и спутникового DVB-S (Sattelit Transmission) телевизионного вещания, а также для микроволнового многоточечного распределения (DVB-MC – системы мм диапазона, работающие на частотах менее 10 ГГц; DVB-MS – системы мм диапазона, работающие на частотах более 10 ГГц). Дальнейшим развитием стандарта DVB-T является система цифрового телевещания для мобильных терминалов DVB-H (Handheld – ручной).

В основе проекта DVB Project – концепция «контейнера», который способен переносить любые данные, защищая их от возможных ошибок.

 

В 2004г. появился стандарт SAT вещания, именуемый DVB-S2, который явился модификацией ранее существовавшего стандарта DVB-DSNG, предусматривающего максимально возможную совместимость с системой цифрового спутникового вещания DVB-S. Для придания большей универсальности применения и повышения эффективности при работе по каналам с достаточным энергетическим запасом, в технические нормы на системы первичного распределения добавлены опции режимов передачи, основанные на модуляции типа 8 PSK и 16 QAM.

Новый же стандарт DVB-S2 призван покрыть недостатки как стандарта DVB-S (низкие скорости потоков за счет формата модуляции QPSK), так и стандарта DVB-DSNG (работа SAT передатчиков при пониженных выходных мощностях в силу требования обеспечения более низких искажений). Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами.

Важнейшим фактором создания нового стандарта DVB-S2 стали планы массового запуска HDTV. Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV. Если же все SAT программы будут вещаться в ТВЧ, то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ сигнала. Таким образом, перспектива появления HDTV потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих имеющиеся частотные ресурсы (т.е. DVB-S2).

 

Рис. 6.1

Вторая причина появления стандарта DVB-S2 обязана неудовлетворительной работе имеющихся приемных систем K a-диапазона. Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и KU-диапазонах.

Третья причина появления стандарта DVB-S2 – появление интерактивных SAT сетей с адресными услугами. Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата. Старые стандарты таких возможностей не предоставляют.

Таким образом, от нового стандарта DVB-S2 требовалось следующее:

• повысить эффективность использования транспортного канала, т.е. предоставить возможность в полосе стандартного канала передавать больше бит полезной информации на помехоустойчивость;
• допускать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале.

Кроме того, стандарт DVB-S2 должен был обеспечить совместимость с прежними стандартами и пути плавной миграции от старого оборудования к новому.

Первые два требования удалось выполнить за счет введения в стандарт более разнообразных схем модуляции, использования более эффективных систем защитного кодирования и введения дополнительных коэффициентов скругления, обеспечивающих более крутые фронты модулированного сигнала.

Гибкость формирования канала была достигнута теми же методами, что и эффективность использования спектра методами, а также за счет введения режимов VCM (Variable Coding and Modulation) и АСМ (Adaptive Coding and Modulation). Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг, передаваемый в одном канале, а второй - дополнительную возможность адаптации транспортных параметров к текущим условиям приема услуги. Режим АСМ предназначен для сетей с обратным каналом, где приемные системы имеют возможность переправлять на головную станцию информацию об условиях приема.

В результате был создан универсальный стандарт (DVB-S2), на базе которого могут строиться сети для распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Новый стандарт DVB-S2 также удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей.

Большинство эффективных механизмов, заложенных в DVB-S2, оказались несовместимыми со старыми стандартами. Потому, для выполнения требования совместимости вниз, разработчики ввели в стандарт два режима. Один – совместимый вниз, но менее эффективный, а другой, использующий все новые возможности, но не позволяющий использовать приемники стандарта DVB-S.

Первый стандарт DVB-S2 рекомендуется для предоставления традиционных услуг, на период миграции к новому стандарту, а второй – для применения в профессиональных сетях и для передачи новых услуг, которые невозможно принять старыми приемниками.

Новый стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможности схемы модуляции (рис.6.1). Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают там в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры (LNВ), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Эти схемы модуляции можно использовать и в системах вещания, но в этом случае каналообразующее оборудование должно поддерживать сложные варианты предыскажений, а на приемной стороне должен быть обеспечен более высокий уровень отношения сигнал/шум. Символы внутри констелляционного поля APSK модулированного сигнала размещены по окружностям. Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в плане передачи амплитуды символа и позволяет использовать ретрансляторы в режимах, близких к точке насыщения.

Обратим внимание на то, что, по сравнению с QPSK, верхняя схема модуляции, 32 APSK, позволяет повысить общую скорость потока в 2,5 раза.

Одновременно с введением более высоких уровней модуляции стандарт DVB-S2 предусматривает возможность применения двух дополнительных коэффициентов скругления alpho (α). К используемому в DVB-S α = 0,35, в новом стандарте добавлены коэффициенты α = 0,20 и α = 0,25. Новые, более низкие значения коэффициентов обеспечивают большую крутизну импульсов, что позволяет использовать спектр более эффективно. С другой стороны, снижение a способствует повышению нелинейных искажений, что особенно сказывается при передаче одной несущей на транспондер. Поэтому конкретное значение коэффициента выбирается с учетом всех параметров передачи.

Для защиты от помех в новом стандарте DVB-S2, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции (Forward Error Correction - FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты – другие, чем в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты в место кода Рида-Соломона используется код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (BCH), а в качестве внутренней, вместо сверточного кода, - код с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes – LDPC).

Для дополнительного снижения частоты ошибки используется внешний уровень кодозащиты ВСН, работающий при малой плотности ошибок. В большинстве режимов код позволяет исправлять до 12 ошибок, но в некоторых – до 8 или до 10 ошибок.

Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2 TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой.

DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/шум.

Режимы с совместимостью вниз в основном предназначены для сетей вещания и более всего – для операторов, предоставляющих субсидии на покупку абонентских приемников. Они могут использовать эти режимы на время смены парка приемников, а затем переключиться на более эффективные, несовместимые режимы.

Стандарт DVB-S2 допускает два таких режима. В первом производится одновременная передача сигналов стандартов DVB-S и DVB-S2, асинхронно комбинируемых в одном частотном канале. Во втором сигнал DVB-S2 накладывается на сигнал DVB-S с помощью иерархической модуляции. То есть поток DVB-S выступает в качестве сигнала верхнего приоритета, а поток DVB-S2 – в качестве сигнала нижнего приоритета (рис.2). Сигнал DVB-S2 передается с помощью модуляции 8 PSK с неоднородной структурой констелляционного созвездия. Две точки созвездия, размещенные в каждом квадранте, отображают один символ сигнала с верхним приоритетлм. Наложение сигнала DVB-S2 осуществляется сдвигом символов в констелляционном поле по окружности на угол ±θ. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работающим в режиме, близкому к насыщению.

Совместимые вниз режимы не позволяют полностью использовать потенциал нового стандарта DVB-S2 и довольно сложны в реализации. Поэтому, скорее всего, они не получат широкого распространения.

В зависимости от выбранного режима помехоустойчивого кодирования и схемы модуляции, уровень сигнал/шум, позволяющий принять сигнал на приемной стороне, колеблется от -2,4 dB (при модуляции QPSK и FEC с относительной скоростью 1/4) до +16 dB (32 APSK и FEC 9/10). Эти значения справедливы для гауссовского канала и идеального демодулятора. Они были получены методом компьютерного моделирования. При условии допустимости BER на уровне 10Е-7 энергетика сигнала превышает предел Шеннона всего на 0,7 – 1,2 dB.

По сравнению с DVB-S, новый стандарт DVB-S2 обеспечивает повышение скорости передачи полезной информации на 20-35% или при той же эффективности использования спектра дает запас по уровню сигнала в 2-2,5 dB.

На рис. 2 показаны варианты полезной скорости, достигаемые при разных конфигурациях системы, а также полезные скорости сигналов стандартов DVB-S и DVB-DSNG.

Рис. 6.2

Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима АСМ, предназначенного для интерактивных адресных приложений, таких как передача IP unicast. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 dB, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим АСМ наиболее эффективен применительно к трансляциям Кα-диапазона, а также для тропических зон приема.

На рис. 3 показана схема работы спутниковой системы в этом режиме. Система включает АСМ шлюз, DVB-S2 модулятор с поддержкой АСМ, передающую наземную станцию, спутник и систему приема спутникового сигнала, подключенную к АСМ шлюзу через реверсный канал.

В АСМ режиме формат помехоустойчивого кодирования и схема модуляции могут меняться от кадра к кадру. В условиях повышенного затухания сигнала услуга может поддерживаться за счет снижения скорости передачи полезной информации с одновременным повышением избыточности помехозащитного кода и/или перехода к более помехоустойчивой схеме модуляции. Качество принимаемого сигнала оценивается параметром C/N + I.

 

Рис 6.3

Каждая приемная система измеряет величину этого параметра и по реверсному каналу отправляет результат к АСМ шлюзу.

Следует отметить, что консорциум DVB Project не предполагает, что новый стандарт заменит старые уже в ближайшее время. Сегодня в мире работает множество коммерчески успешных спутниковых сетей стандарта DVB-S, и их трансляции принимаются миллионами декодеров, способными прослужить еще не один год. Поэтому наиболее вероятным сценарием внедрения нового стандарта DVB-S2 выглядит его использование для трансляции услуг, которые не могут быть приняты традиционными приемниками. Например, ТВ сигналов, компрессированных в новых форматах и/или передаваемых с высоким разрешением.

Вполне возможно, что новый стандарт DVB-S2 быстро найдет применение и в сетях спутникового сбора новостей. Хотя бы в виду значительных преимуществ, которые предоставляет АСМ режим. Но скорость его массового внедрения, вероятно, будет зависеть от появления новых услуг, несовместимых с имеющейся приемной аппаратурой.

 

 

7. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T

 

Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T определяется как функциональный блок оборудования, обеспечиваю­щий адаптацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной по­лосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2, с характеристиками стандартного наземного радиоканала вещания, име­ющего ширину полосы частот 8 МГц.

Поскольку система DVB-T, как и любая другая система цифрового наземного ТВ вещания (ЦНТВ), должна использовать существующие частотные планы и в течение достаточно длительного переходного периода обеспечивать вещание наряду с действующими аналоговыми ТВ системами, она должна обладать требуемой помехозащищенностью со стороны аналоговых систем и не должна создавать недопустимых помех для них.

Для обеспечения всех необходимых требований по адаптации потока данных к радиоканалу вещания в составе передающего комплекта сис­темы DVB-T имеются устройства кодирования для канала, мультиплек­сирования и модуляции.

Выход транспортного мультиплексора является точкой стыка подсистем формирования и передачи транспортных пакетов. Таким обра­зом, входным сигналом тракта адаптации является поток транспорт­ных пакетов фиксированной длины 188 байт, из которых один (первый) байт служит для цикловой синхронизации. Для более равномерного рас­пределения (дисперсии) энергии радиосигнала в полосе канала входной поток подвергается рандомизации (скремблированию). Система DVB-T имеет два идентичных по структуре тракта рандомизации и помехоус­тойчивого кодирования. Такое построение позволяет использовать иерар­хические методы независимого кодирования двух потоков данных для организации их приоритетного приема в зонах вещания с различной площадью покрытия. Общая часть тракта подсистемы адаптации слу­жит для преобразования потоков данных в комбинации битов, соответ­ствующих модулированным посылкам, ввода сигналов цикловой синх­ронизации и управления, формирования защитных временных интервалов, преобразования цифровых сигналов в модулированный групповой спектр COFDM, переноса его в полосу канала вещания, уси­ления и излучения в эфир.

Построение подсистемы кодовой защиты в системе DVB-T выполне­но по традиционному для систем ЦНТВ каскадному принципу. Для защиты от ошибок в демодулируемом сигнале COFDM служит внутрен­ний сверточный кодек с набором различных кодовых скоростей и отно­сящийся к нему блок внутреннего перемежения-деперемежения битов. Для исправления пакетов ошибок и дополнительного снижения веро­ятности ошибки в декодированном сигнале служит внешний кодек Рида- Соломона и внешний перемежитель-деперемежитель байтов транспор­тного потока.

При разработке подсистемы кодирования для канала в системе DVB-T были максимально учтены требования близости структуры и параметров к спутниковой (DYB-S) и кабельной (DVB-C) системам. Так, схемы внешнего кодирования и внешнего перемежения являются одинаковы­ми во всех трех системах DVB. Схемы внутреннего кодирования и ран­домизации (скремблирования) соответствуют таковым в спутниковой системе DVB-S.

 

8. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания

 

Одна из основных трех частейMPEG-2 является спецификация ISO/IEC13818-1–описывает объединение одного или более элементарных потоков видео и звука, а также других данных, в единственный или кратные потоки, подходящие для хранения или передачи. Системное кодирование следует синтаксическим и семантическим правилами, наложенным этими техническими требованиями и обеспечивает передачу информации, позволяющей синхронизированное декодирование буферов декодеров в широком диапазоне условий приема или поиска.