Новый стандарт вещания для телевидения высокой четкости DVB-T2

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО  Уфимский государственный авиационный технический университет

 

 

 

 

 

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы телевидения и радиосвязи»

 

тема работы: Новый стандарт вещания для телевидения высокой четкости DVB-T2.

 

Вариант 16

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. МТСз -514

Минзянов Р.Р.

 

                                                                        Проверил: преподаватель

Мешков И.К.

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа - 2014

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 Как подтвердила практика, вторая версия спутникового стандарта DVB-S2 по сравнению с первой обеспечивает увеличение пропускной способности канала до 30%. В связи с этим, для передачи ТВЧ повсеместно используется DVB-S2 .

При попытке внедрить ТВЧ в эфирные сети их ограниченные ресурсы окажутся перегруженными еще быстрее. И так как ТВЧ в любом случае потребует смены абонентских приставок, был поднят вопрос о разработке нового эфирного стандарта, который позволил бы повысить пропускную способность эфирных каналов.

В феврале 2006 года в рамках консорциума DVB был создан исследовательский комитет (Study Mission), который должен был оценить потенциал различных технологий. Через полгода работа комитета была закончена, и DVB приступил к разработке стандарта DVB-T2. Вначале консорциум определил набор коммерческих требований, определяющих рамки данной разработки:

• Трансляции Т2 должны приниматься на существующие домашние антенны, и переход на новый стандарт не должен требовать изменения инфраструктуры передающей системы. Это требование не позволило включить в стандарт технологию MIMO, которая потребовала бы новых приемных и передающих антенн.

• T2 в первую очередь должен быть ориентирован на передачу на фиксированные и портативные антенны.

• Т2 должен обеспечить, как минимум, 30%-ный прирост пропускной способности каналов относительно DVB-T при идентичных условиях передачи.

• T2 должен улучшить работу одночастотных сетей (SFN).

• T2 должен допускать возможность сосуществования в одном РЧ-канале услуг, передаваемых с разной степенью помехоустойчивости. Например, часть услуг, транслируемых по одному каналу шириной 8 МГц, может быть предназначена для приема на направленные антенны, установленные на крышах, а часть - для приема на комнатные портативные антенны.

• Т2 должен повысить гибкость использования полосы и частот.

• Должен присутствовать механизм, о возможности снижающий отношение пиковой и средней мощности передаваемого сигнала. Это позволит снизить эксплуатационные расходы.

Возможность внедрения ТВЧ в эфирные сети сейчас рассматривают сразу несколько стран. В Великобритании наблюдается особенно острый дефицит спектра для ТВЧ с учетом того, что весь спектр, который освободится после отключения аналоговых каналов, уже забронирован под передачу трансляций в стандартном разрешении. В то же время, Великобритания планирует отдать один канал под пакет ТВЧ. И чтобы максимально его загрузить, надо максимально эффективно использовать транспортный ресурс канала. В связи с этим и планируется запустить пакет в DVB-T2, который обеспечивает, как минимум, 30%-ный прирост пропускной способности. Предполагаемое время запуска ТВЧ в эфирной сети — конец 2009 — начало 2010 года.

Стандарт был окончательно принят в июне этого года. Предполагается, что в начале следующего года должен появиться дизайн VLSI для чипсета, а еще примерно год понадобится для выпуска ресиверов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Базовые принципы

Основной принцип разработки стандартов семейства DVB заключается в том, что они должны, максимально, быть совместимы друг с другом. То есть преобразование сигнала при его переводе из одного формата в другой (например, из DVB-S2 в DVB-T2) должно быть максимально простым. Соответственно, при разработке новых стандартов, по возможности, должны использоваться те же механизмы, что и в существующих стандартах.

Поэтому две ключевые технологии T2 позаимствованы из стандарта DVB-S2. Это:

1. Системная архитектура транспортных  потоков, в первую очередь, инкапсуляция  данных в низкочастотные Base Band (BB) пакеты (рассмотрены в следующем  разделе).

2. Использование помехозащитного  кода с низкой плотностью проверок на четность Low Density Parity Check Codes - LDPC.

Большая часть решений, использованная при разработке Т2, была направлена на максимальное увеличение пропускной способности каналов. Ряд опций - новые размерности FTT и защитных интервалов, а также новые режимы введения пилот-сигналов, были введены для возможности оптимизации параметров в зависимости от характеристик конкретного канала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спецификация DVB-T2

Схемы помехоустойчивого кодирования (FEC) и Base Band (BB) кадры

 Как показано на рис. 1, передаваемые данные пакетируются в BB-кадры, заголовок которых содержит информацию о характере данных. Затем данные закрываются LDPC FEC, аналогичным тому, который применяется в DVB-S2. Для устранения ошибок, оставшихся после LDPC-декодирования, данные дополнительно защищаются коротким кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) BCH.

 

Рисунок 1. Структура НЧ (ВВ) кадра.

 

 Полная длина кадра с наложенным  помехозащитным кодированием составляет 64800 бит. Этот кадр является базовым блоком системы T2. В рамках стандарта T2 доля контрольных бит помехозащитных кодов может колебаться от 15 до 50%. В качестве опции допускается и более короткий вариант FEC-кадра - длиной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема низкоскоростных услуг.

Данные, передаваемые внутри ВВ-кадра, как правило, представляют собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2. В то же время, поля сигнализации в заголовке BB-кадра полностью совместимы с системой инкапсуляции IP-пакетов по новому DVB-протоколу под названием Generic Stream Encapsulation.

Тестовая имитация работы помехозащиты на базе LDPC показала существенное повышение помехозащищенности по сравнению с защитой, используемой в DVB-T, то есть сверточным кодированием в сочетании с кодом Рида-Соломона. Выигрыш в уровне С/N за счет нового FEC может составлять до 3 дБ для типичного уровня ошибок и при одинаковой доле контрольных символов. По существу, это улучшение позволяет повысить пропускную способность канала примерно на 30% (например, за счет применения более высокого уровня констелляции).

        Модуляция

При разработке Т2 проводились сравнения нескольких вариантов модуляции с одной или множественными несущими. В результатe был выбран вариант OFDM c защитными интервалами (GI-OFDM), который используется в DVB-T.

В GI-OFDM каждый символ передается на большом количестве ортогональных несущих, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде. В частности, DVB-T предусматривает два режима — 2К и 8К. Эти цифры отражают размерность FFT (быстрого преобразования Фурье), используемого для формирования сигнала с множественными несущими. Фактическое количество несущих, используемых для передачи данных, несколько меньше. Для защиты сигналов (то есть каждой несущей, используемой для передачи данного символа) от искажения в условиях многолучевого распространения введено дублирование конца каждого символа в защитном интервале, предшествующем передаче этого символа. Принцип показан на рис. 2.

 

Рисунок 2. Использование защитных интервалов( GI - Guard Interval)

 

Длина защитного интервала выбирается в зависимости от расчетной протяженности эфирного тракта и других параметров сети передачи. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, где сигналы с соседних передатчиков могут приходить на приемник со значительным запаздыванием относительно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой надстройку, съедающую долю транспортного ресурса. В DVB-T эта надстройка может занимать до 1\4 общего объема передаваемых данных. Для возможности удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме данных в Т2 были введены два новых режима — 16К и 32К — с соответствующем увеличением числа ортогональных несущих. Рис. 3 иллюстрирует переход к режиму с большим числом поднесущих. В данном случае абсолютная величина защитного интервала сохраняется, но его доля в общем объеме снижается.

 

Рисунок 3. Использование в DVB-T2 более длинных символов позволяет уменьшить относительную долю защитного интерала в общем объеме символа.

 

Максимальная длительность защитного интервала в Т2 достигается в режиме 32К при отношении GI и длины всего символа 19/128. Длительность GI при этом превышает 500 мкс, чего вполне достаточно для строительства крупной общегосударственной одночастотной сети.

Таким образом, Т2 предлагает более широкий ряд размерностей FFT и защитных интервалов. А именно:

• размерности FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K;

• относительная длительность защитных интервалов: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.

 Как уже отмечалось, в OFDM каждая несущая модулируется по фазе и амплитуде. Высшая модуляция стандарта DVB-T, 64 QAM, обеспечивает передачу 6 бит одним символом (модулируемым элементом одной несущей 1).

 Высшая модуляция в Т2 увеличена  до 256 QAM, она позволяет передавать одним символом 8 бит. Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом, тестовая имитация показала, что LDPC FEC обеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования канала по сравнению с DVB-T при типовых условиях передачи.

Появившиеся в Т2 новые режимы — 16К и 32К — имеют значительно более крутой спад внеполосных составляющих, чем режим 2К. Как показано на рис. 4, это обстоятельство позволяет размещать несущие ближе к стандартной спектральной маске, которая накладывается на сигналы DVB-Т в полосе 8 МГц. Это расширение полосы позволяет передать еще 2% дополнительных данных.

Рисунок 4. Теоретические кривые спектров сигнала DVB-T2 (канал 8 МГц).

 

Распределенные пилот-сигналы

В системах OFDM используются распределенные пилот-сигналы. Они представляют собой модулированные элементы, определенным образом разнесенные по несущим и во времени. Приемнику известны параметры модуляции пилот-сигналов, и он может использовать их для оценки состояния канала.2 В DVB-T каждый двенадцатый модулированный элемент является пилот-сигналом, то есть они занимают 8% в общем объеме данных. Эта пропорция используется при любых вариантах защитных интервалов, и размещения пилот-сигналов должно быть таковым, чтобы позволить выровнять сигналы с защитным интервалом 1\4. Однако для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8% оказывается избыточной. Поэтому в T2 введены восемь разных вариантов размещения. Каждому варианту относительной длительности защитного интервала соответствует несколько возможных опций размещения пилот-сигналов. Они динамически выбираются в зависимости от текущего состояния канала, что позволяет оптимизировать их количество. На рис. 5 показаны два возможных варианта размещения.

 

Рисунок 5. Типовые варианты расположения пилот-сигналов и доля образуемой ими надбавки.

 

Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для снижения требуемого уровня С/N на входе приемника или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной последовательностью.

 Дифференцированная помехоустойчивость отдельных услуг и структура кадра T2

 Коммерческие требования к  Т2 включали обеспечение различных  уровней помехоустойчивости для  разных услуг. Это может обеспечиваться использованием разных схем модуляции и степени помехоустойчивого кодирования. В Т2 это достигается путем группировки OFDM-символов внутри кадра, так что каждая услуга передается цельным блоком, занимающим в кадре определенный слот. Этот принцип иллюстрируется на рис. 6

 

 

Рисунок 6. Структура кадров T2. Разными цветами обозначены фрагменты потока, относящиеся к разным услугам.

 

Начало кадра Т2 индицируется коротким OFDM-символом P1, представляющим собой 1K OFDM-символ с повторами начала и конца символа на соседних несущих (то есть со сдвигом по частоте), как это показано на рис. 7. Такая структура символа P1 с одной стороны позволяет легко его выявить, а с другой исключает возможность имитации символа каким-либо фрагментом основного кадра.

 

Рисунок 7. Упрощенная иллюстрация символа Р1 сигнализации DVB-T2.

 

Он обеспечивает простой и надежный механизм выявления трансляции Т2-ресивером, сканирующим спектр в режиме поиска, а также быстрый захват ресивером частоты и 6-битной сигнализации (например, для определения размерности FFT в кадре T2).

Стандартная продолжительность кадра Е2 — около 200 мс, а надстройка, требующаяся для передачи информации о структуре кадра, как правило, занимает менее 1%.

Перемежение

В T2 используется три каскада перемежений. Это практически гарантирует, что искаженные элементы, в том числе при пакетных ошибках, после деперемежения в декодере будут раскиданы по LDPC FEC-кадру. Это должно позволить кодеру LDPC выполнить восстановление.

Перечислим эти каскады:

а) битовый перемежитель: рандомизирует биты в пределах FEC-блока;

б) временной перемежитель: перераспределяет данные FEC-блока по символам в рамках кадра Т2. Это повышает устойчивость сигнала к импульсному шуму и изменению характеристик тракта передачи.

с) частотный перемежитель: он рандомизирует данные в рамках OFDM-символа с целью ослабить эффект селективных частотных замираний.