eng
Цифровое телевизионное вещание – это наша ближайшая и неизбежная перспектива. Человечество уже не может мириться с низкими спектральной эффективностью и качеством аналогового прародителя. Причем среди различных технологий доставки телевизионного сигнала (спутниковой, кабельной, посредством сотовых мультимедийных сетей) доминирующее положение остается за наземным эфирным вещанием. О стандартах в этой области написано немало. В России, к сожалению, процесс внедрения наземного цифрового ТВ дальше опытных зон не пошел. А тем временем начинается освоение нового стандарта цифрового вещания – DVB-T2. Что нового он предлагает?
К 2009 году, вопреки первоначальным планам, ни в одной из стран мира не произошел тотальный переход на сети цифрового ТВ-вещания, хотя ряд стран (США, Великобритния и др.) приблизились к этому вплотную. Однако в мире уже продано порядка 244 млн. ТВ-приемников различных типов стандарта DVB (C, S и T). Среди них 107 млн. – стандарта DVB-S и 94 млн. – стандарта DVB-T. В связи со столь массовыми продажами цены на приемные устройства продолжают неуклонно падать, уже сейчас DVB-T-приемники стоят дешевле 30 евро. С другой стороны, в ближайшие годы (до 2012 г.) практически все сколь-нибудь развитые страны планируют прекратить аналоговое вещание. В том числе это означает и высвобождение частотного ресурса для систем цифрового ТВ. Учитывая все это, консорциум DVB к середине 2008 года выпустил новый стандарт наземного цифрового вещания – DVB-T2 [1, 2]. Пока этот документ имеет статус предварительного стандарта, однако ряд производителей начал выпуск соответствующего ему оборудования, а в Великобритании ВВС приступила к экспериментальным трансляциям DVB-T2 в июне 2008 года (передатчик размещался на юго-западе Лондона). В марте 2009 года в Турине успешно прошел "фестиваль подключений", в котором приняли участие шесть производителей передающего (модулирующего) оборудования DVB-T2 и пять производителей приемного.
Отметим, что DVB-T2 – это стандарт второго поколения. Первый стандарт второго поколения консорциум DVB выпустил в 2003 году – стандарт цифрового спутникового вещания DVB-S2. Но его рассматривать мы не будем, поскольку практически все заложенные в DVB-S2 идеи были воплощены в стандарте DVB-T2. Кроме того, мы будем анализировать DVB-T2 в сравнении с его предшественником DVB-T, который описан многократно и достаточно подробно (см., например, [3, 4]), поэтому основные принципы формирования и трансляции сигнала в DVB-T останутся за рамками нашего рассмотрения. Напомним лишь, что стандарт DVB-T подразумевает трансляцию кодированного цифрового ТВ-сигнала (в формате кодирования MPEG-2, а впоследствии – в более совершенных форматах, например, MPEG-4). Для передачи цифровой сигнал кодируется и преобразуется в OFDM-сигнал. OFDM – это технология модуляции посредством ортогональных несущих, т.е. модулируются множество (в DVB-T – порядка 8 тыс.) несущих, расположенных в заданной полосе с фиксированным шагом по частоте. Скорость модуляции отдельной несущей при этом достаточно мала, что позволяет использовать эффективное помехоустойчивое кодирование и принимать меры для борьбы с межсимвольной интерференцией (вводить специальные защитные интервалы в каждый OFDM-символ). Это актуально при вещании в условиях сложного рельефа и городской застройки, когда происходит переотражение и многолучевое распространение сигнала, возникают зоны замирания и т.п. Сама OFDM-модуляция реализуется посредством алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье (на передающей стороне) в цифровой форме. Основные параметры OFDM-сигнала – отношение длительности защитного интервала к общей длительности символа, число номинальных поднесущих, тип модуляции поднесущей (информационная емкость одного модуляционного символа, в нашем случае зависящая от числа возможных положений значений амплитуды и фазы сигнала).
Стандарт DVB-T2 призван как минимум на 30% улучшить емкость сетей ЦТВ по сравнению с DVB-T, при той же инфраструктуре сети и частотных ресурсах. Однако на практике выигрыш оказывается не ниже 50%. DVB-Т2 принципиально отличается как архитектурой системного уровня (МАС-уровня – Media Access Control), так и особенностями физического уровня.
На системном уровне принципиальное отличие нового стандарта – это концепция магистральных потоков физического уровня (Physical Layer Pipe – PLP). Если стандарт DVB-T был предназначен исключительно для передачи пакетов MPEG-2, то сеть DVB-T2 способна транслировать самые разные по природе и структуре информационные потоки (рис.1). Система DVB-T2 способна передавать несколько независимых мультимедийных потоков, каждый со своей схемой модуляции, скоростью кодирования и временными интервалами. Возникает относительно сложная кадровая структура как на логическом, так и на физическом уровне – ничего подобного в DVB-T не было. Соответственно, в системе DVB-T2 появляется новая функция – предварительная обработка входных потоков (рис.2). В целом, общая схема обработки сигналов в системе DVB-2T существенно усложняется (рис.3).
В стандарте различаются три основных типа потоков – транспортный поток (Transport Stream – TS), обобщенный инкапсулированный поток (Generic Encapsulated Stream – GSE) и обобщенный непрерывный поток (Generic Continuous Stream – GCS). Каждый поток представляет собой последовательность пользовательских пакетов (UP – User Packet). Транспортный поток – это последовательность пакетов фиксированной длины (пакеты MPEG-2, 188 байт, первый байт – всегда синхробайт со значением 4716). Поток GSE характеризуется пакетами переменной или фиксированной длины, которая указывается в заголовках этих пакетов. Поток GCS представляет собой непрерывный поток битов. Реально – это или последовательность пакетов без указания их длины, или пакеты максимально возможной длины 64 Кбит.
Пакеты каждого магистрального потока объединяются в потоковые (Baseband) кадры (ВВ-кадры) – отдельно для каждого потока (рис.4). ВВ-кадр содержит ВВ-заголовок (80 бит), поле данных и поле выравнивания. В последнем можно передавать данные внутриканальной сигнализации. В заголовке пакета содержится информация о типе транспортного потока, размере пользовательского пакета (при необходимости) и всего поля данных, наличии режимов удаления пустых пакетов и дополнительных синхропакетов, используется постоянная/переменная модуляция и т.п. Размер поля данных и выравнивающего поля определяется параметрами сверточного кодера (в сумме не более 53770 бит).
Стандарт DVB-T2 ориентирован на передачу телевизионных потоков, в которых зачастую используются пустые пакеты (для выравнивания скорости потока), разного рода задержки и т.п. для сохранения постоянной скорости потока. Поэтому в DVB-T2 предусмотрены средства удаления этой избыточной информации, но с возможностью ее восстановления на приемном конце. Кроме того, опционально предусмотрен и механизм сверточного кодирования CRC-8 на уровне пользовательских пакетов.
Сформированный ВВ-кадр скремблируется (рандомизируется путем перемножения на псевдослучайную последовательность) и подвергается корректирующему кодирования. Механизм защитного кодирования – еще одна принципиальная особенность стандарта DVB-T2. В качестве корректирующего кода используется каскадный код. В качестве внешнего кода в нем применен блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ, ВСН). В качестве внутреннего – низкоплотностный код с проверкой на четность (LDPC). В зависимости от скорости кодирования LDPC, размер входного блока данных для БЧХ-кодера может различаться (табл.1.), однако выходной размер кодового слова после LDPC всегда составляет 64800 бит (рис.5).
Перед модуляцией (кроме BPSK и QPSK) кодовые слова подвергаются побитному перемежению и распределяются по модуляционным символам (см. рис.3).
В DVB-T2 добавлена модуляция 256-QAM (8 бит на символ), что повышает емкость канала передачи на 33% (относительно схемы 64-QAM в DVB-T). Обычно переход от 64-QAM к 256-QAM требует увеличения соотношения сигнал/шум на поднесущей на 4–5 дБ. Однако благодаря применению корректирующих кодов BCH-LDPC, эффективность которых гораздо выше традиционных кодов исправления ошибок (в т.ч. Рида-Соломона), в DVB-T2 скорость кодирования может быть намного выше и общая пропускная способность канала существенно возрастает.
Еще одно новшество DVB-T2 – введение схемы модуляции с "вращающимся" сигнальным созвездием (рис.6). Эта процедура означает, что сформированный модуляционный символ поворачивается в комплексной плоскости на определенный угол, зависящий от числа уровней модуляции (29° для QPSK, 16,8° – для 16-QAM, 8,6° для 64-QAM и arctg(1/16) для 256-QAM). Более того, перед началом вращения квадратурная (Q) координата каждого модуляционного символа циклически сдвигается в рамках одного кодового слова (т.е. берется из предыдущего символа этого слова, Q-компонента первого символа становится равной Q-компоненте последнего).
В чем суть поворота сигнального созвездия? В квадратурных каналах передаются проекции точки сигнала на соответствующие оси (синфазную и квадратурную). При обычном сигнальном созвездии несколько точек расположены на нескольких общих ортогональных линиях, и их проекции совпадают. После поворота сигнального созвездия (см. рис.6) у каждой точки – уникальные Q- и I-координаты. Некоторые из координат оказываются достаточно близко друг к другу, но по одной координате точки всегда можно восстановить другую ее координату. А механизм сдвига Q-координаты приводит к тому, что исходные координаты сигнальной точки оказываются в разных модуляционных символах (т.е. заведомо на разных поднесущих), что существенно снижает вероятность их одновременной деградации как из-за случайных импульсных помех, так и по причине селективных затуханий в канале. В работе [2] отмечено, что применение такой техники обеспечивает операционное усиление 7,6 дБ (рис.7).
После формирования модуляционных символов происходит их перемежение в пределах кодового слова.
Все рассмотренные до сих пор процедуры выполняются параллельно для отдельных магистральных потоков. В результате для каждого PLP формируется последовательность модуляционных символов. Из них необходимо сформировать OFDM-символы. Но если в DVB-T эта процедура была абсолютно прозрачной, то в DVB-T2, из-за возможности транслировать несколько мультимедийных потоков, необходимо сформировать достаточно сложную кадровую структуру.
Кадр физического уровня DVB-T2 (Т2-кадр) (рис.8) начинается с преамбулы Р1. Это OFDM-символ с модуляцией DBPSK, двумя защитными интервалами с двух сторон (в сумме 1/2 длительности символа). Он служит для синхронизации, идентификации потока DVB-T2, а также содержит 7 информационных бит с начальной информацией о Т2-кадре, а именно число номинальных поднесущих в OFDM (1К–32К) и формат передачи следующей за Р1 преамбулы Р2 (режимы MISO или SISO). Вся остальная информация о Т2-кадре (длина, модуляция, скорость кодирования и т.п.) передается в преамбуле Р2, которая может занимать несколько OFDM-символов. Далее следует поле данных (информационные OFDM-символы). Замыкает Т2-кадр специальный завершающий OFDM-символ. В зависимости от параметров OFDM, в Т2-кадре может быть от 60 до 2098 OFDM-символов при полосе передачи 8 МГц (табл.2). Максимальная длительность Т2-кадра – 250 мс.
Т2-кадры объединены в суперкадр. Помимо Т2-кадров в суперкадр входят поля, зарезервированные для дальнейшего использования (FEF – Future Extension Frames). Они могут чередоваться в произвольном порядке. Максимальная длительность суперкадра – 128 с. Если в суперкадре нет FEF, его максимальная длительность ТSF = 64 c, что соответствует 256 Т2-кадрам по 250 мс.
Распределением потоков по кадрам занимается специальный диспетчер еще на стадии формирования ВВ-кадров. Уже тогда, задолго до формирования OFDM-символов, создается сигнальная информация. Стандарт DVB-T2 чрезвычайно гибок с точки зрения мультиплексироания множества потоков в единый трансляционный сигнал. Видимо, разработчики хотели предусмотреть не только все, что они только могли вообразить, но и то, что они даже представить пока не могли. Поэтому не будем удивляться столь многообразному и, казалось бы, избыточному набору возможностей.
Формирование OFDM-кадров неразрывно связано с распределением фрагментов различных магистральных потоков как внутри Т2-кадра, так и в рамках суперкадра. С этой точки зрения стандарт выделяет три типа потоков PLP – общий, а также потоки данных типа 1 и 2. Общий PLP – это информация, общая для группы из нескольких PLP (например, таблицы программ и сервисов PSI/SI для нескольких транспортных потоков). Потоки PLP типа 1 в Т2-кадре не подразделяются на фрагменты – иными словами, в каждом Т2-кадре может быть только один фрагмент каждого PLP типа 1. Наконец, потоки типа 2 могут в пределах Т2-кадра разделяться на несколько фрагментов (от 2 до 6480), следующих в кадре попеременно (рис.9).
Потоки могут отображаться на Т2-кадры по определенным правилам. Например, поток N передается в группах по три смежных Т2-кадра, следующих через интервал в один кадр. Более того, перед распределением по Т2-кадрам в рамках каждого PLP возможно временное перемежение. Для этого кодовые слова потока PLP после формирования модуляционных символов и их перестановки группируются в т.н. интерливинговые кадры, содержащие динамически изменяющееся целое число кодовых слов. Интерливинговый кадр состоит из одного или нескольких инетрливинговых блоков (рис.10). Перемежение символов происходит в пределах всего интерливингового блока. Процедура разбиения на интегрливинговые блоки и кадры выполняется на уровне магистральных потоков, с учетом их специфики. Интерливинговые кадры отображаются на кадры физического уровня (Т2-кадры) – один в один или один интерливинговый кадр в несколько Т2-кадров (см. рис.10). Отметим, что плюс ко всем перечисленным видам перемежения – на уровне бит в кодовых словах, модуляционных символов, временного интервливнига, – используется еще и частотный интерливинг, т.е. перестановка поднесущих в пределах OFDM-символа.
В стандарте DVB-T2 изменения коснулись и структуры OFDM-символов. Увеличено возможное число номинальных поднесущих – помимо 8К (8×1024) добавлены режимы 16К и 32К поднесущих (а также 1К и 4К). Поскольку с увеличением числа поднесущих для OFDM-сигналов спектральная характеристика становится более крутой (рис.11), можно расширить используемый частотный диапазон, не выходя за границы разрешенной спектральной маски. Это позволяет использовать в OFDM-символе больше поднесущих для передачи данных. Такой режим допустимо использовать при 8К, 16К и 32К поднесущих. Эффект от расширенного режима составляет от 1,4% (8К) до 2,1% (32К).
Чем больше номинальных поднесущих, тем длительнее может быть OFDM-символ. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить защитный интервал до 1/128 (против 1/32 в DVB-T). Использование такого защитного интервала при 32К номинальных поднесущих эквивалентно защитному интервалу 1/32 при 8К поднесущих. Однако пропускная способность при этом возрастает весьма существенно. Всего в DVB-T2 разрешено использовать семь относительных длин защитных интервалов – 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128 и 1/4.
В DVB-T2 возможно и более гибкое распределение пилотных поднесущих. Вместо одной фиксированной схемы распределения пилотных частот в DVB-T, в DVB-T2 предусмотрено восемь различных схем их распределения. Выбор варианта зависит от числа номинальных поднесущих и размера защитного интервала. В результате если в DVB-T распределенные пилотные поднесущие составляли 8% всех поднесущих, то в DVB-T2 этот показатель может составлять также 1, 2 и 4%.
Еще одна принципиально новая возможность – передача в режиме MISO с использованием схемы Аламоути, т.е. приемник обрабатывает сигнал от двух передающих антенн. Вводятся и дополнительные частотные полосы – 10 МГц и 1,712 МГц (последняя – для мобильных сервисов).
В целом, все эти нововведения позволяют создать очень гибкую и в то же время чрезвычайно эффективную систему трансляции мультимедийных потоков. При этом максимальная скорость входного транспортного потока после предобработки (например, удаления нулевых пакетов) может превосходить 50 Мбит/с (табл.3).
Разумеется, совсем не обязательно использовать все возможности стандарта. В том числе – и трансляцию множества мультимедийных потоков. Однако в сочетании с новыми видами кодирования видеосигнала (такими как MPEG-4) эта технология является существенным шагом вперед. И что важно с точки зрения сетей широкополосного доступа, стандарт DVB-T2 – это уже не "просто" система транспорта пакетов цифрового видеоконтента. Это – мощный инструмент мультимедийного вещания, в который изначально заложены огромные возможности по расширению функциональности. Конечно, в силу своей однонаправленности он не может рассматриваться как конкурент традиционным сетевым технологиям, но свое место в наступающую эпоху технологий широкополосной беспроводной связи четвертого поколения (4G) он, безусловно, займет. И, возможно, будет при этом не только узкоспециализированным средством доставки телевизионного контента.
Литература
1. Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). – DVB Document A122, June 2008
2. Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). – DVB Document A133, February 2009.
3. Шахнович И. Конкурирующие стандарты цифрового вещания. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, №1, с.17–19.
4. Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. – М.: Техносфера, 2006.
Отметим, что DVB-T2 – это стандарт второго поколения. Первый стандарт второго поколения консорциум DVB выпустил в 2003 году – стандарт цифрового спутникового вещания DVB-S2. Но его рассматривать мы не будем, поскольку практически все заложенные в DVB-S2 идеи были воплощены в стандарте DVB-T2. Кроме того, мы будем анализировать DVB-T2 в сравнении с его предшественником DVB-T, который описан многократно и достаточно подробно (см., например, [3, 4]), поэтому основные принципы формирования и трансляции сигнала в DVB-T останутся за рамками нашего рассмотрения. Напомним лишь, что стандарт DVB-T подразумевает трансляцию кодированного цифрового ТВ-сигнала (в формате кодирования MPEG-2, а впоследствии – в более совершенных форматах, например, MPEG-4). Для передачи цифровой сигнал кодируется и преобразуется в OFDM-сигнал. OFDM – это технология модуляции посредством ортогональных несущих, т.е. модулируются множество (в DVB-T – порядка 8 тыс.) несущих, расположенных в заданной полосе с фиксированным шагом по частоте. Скорость модуляции отдельной несущей при этом достаточно мала, что позволяет использовать эффективное помехоустойчивое кодирование и принимать меры для борьбы с межсимвольной интерференцией (вводить специальные защитные интервалы в каждый OFDM-символ). Это актуально при вещании в условиях сложного рельефа и городской застройки, когда происходит переотражение и многолучевое распространение сигнала, возникают зоны замирания и т.п. Сама OFDM-модуляция реализуется посредством алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье (на передающей стороне) в цифровой форме. Основные параметры OFDM-сигнала – отношение длительности защитного интервала к общей длительности символа, число номинальных поднесущих, тип модуляции поднесущей (информационная емкость одного модуляционного символа, в нашем случае зависящая от числа возможных положений значений амплитуды и фазы сигнала).
Стандарт DVB-T2 призван как минимум на 30% улучшить емкость сетей ЦТВ по сравнению с DVB-T, при той же инфраструктуре сети и частотных ресурсах. Однако на практике выигрыш оказывается не ниже 50%. DVB-Т2 принципиально отличается как архитектурой системного уровня (МАС-уровня – Media Access Control), так и особенностями физического уровня.
На системном уровне принципиальное отличие нового стандарта – это концепция магистральных потоков физического уровня (Physical Layer Pipe – PLP). Если стандарт DVB-T был предназначен исключительно для передачи пакетов MPEG-2, то сеть DVB-T2 способна транслировать самые разные по природе и структуре информационные потоки (рис.1). Система DVB-T2 способна передавать несколько независимых мультимедийных потоков, каждый со своей схемой модуляции, скоростью кодирования и временными интервалами. Возникает относительно сложная кадровая структура как на логическом, так и на физическом уровне – ничего подобного в DVB-T не было. Соответственно, в системе DVB-T2 появляется новая функция – предварительная обработка входных потоков (рис.2). В целом, общая схема обработки сигналов в системе DVB-2T существенно усложняется (рис.3).
В стандарте различаются три основных типа потоков – транспортный поток (Transport Stream – TS), обобщенный инкапсулированный поток (Generic Encapsulated Stream – GSE) и обобщенный непрерывный поток (Generic Continuous Stream – GCS). Каждый поток представляет собой последовательность пользовательских пакетов (UP – User Packet). Транспортный поток – это последовательность пакетов фиксированной длины (пакеты MPEG-2, 188 байт, первый байт – всегда синхробайт со значением 4716). Поток GSE характеризуется пакетами переменной или фиксированной длины, которая указывается в заголовках этих пакетов. Поток GCS представляет собой непрерывный поток битов. Реально – это или последовательность пакетов без указания их длины, или пакеты максимально возможной длины 64 Кбит.
Пакеты каждого магистрального потока объединяются в потоковые (Baseband) кадры (ВВ-кадры) – отдельно для каждого потока (рис.4). ВВ-кадр содержит ВВ-заголовок (80 бит), поле данных и поле выравнивания. В последнем можно передавать данные внутриканальной сигнализации. В заголовке пакета содержится информация о типе транспортного потока, размере пользовательского пакета (при необходимости) и всего поля данных, наличии режимов удаления пустых пакетов и дополнительных синхропакетов, используется постоянная/переменная модуляция и т.п. Размер поля данных и выравнивающего поля определяется параметрами сверточного кодера (в сумме не более 53770 бит).
Стандарт DVB-T2 ориентирован на передачу телевизионных потоков, в которых зачастую используются пустые пакеты (для выравнивания скорости потока), разного рода задержки и т.п. для сохранения постоянной скорости потока. Поэтому в DVB-T2 предусмотрены средства удаления этой избыточной информации, но с возможностью ее восстановления на приемном конце. Кроме того, опционально предусмотрен и механизм сверточного кодирования CRC-8 на уровне пользовательских пакетов.
Сформированный ВВ-кадр скремблируется (рандомизируется путем перемножения на псевдослучайную последовательность) и подвергается корректирующему кодирования. Механизм защитного кодирования – еще одна принципиальная особенность стандарта DVB-T2. В качестве корректирующего кода используется каскадный код. В качестве внешнего кода в нем применен блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ, ВСН). В качестве внутреннего – низкоплотностный код с проверкой на четность (LDPC). В зависимости от скорости кодирования LDPC, размер входного блока данных для БЧХ-кодера может различаться (табл.1.), однако выходной размер кодового слова после LDPC всегда составляет 64800 бит (рис.5).
Перед модуляцией (кроме BPSK и QPSK) кодовые слова подвергаются побитному перемежению и распределяются по модуляционным символам (см. рис.3).
В DVB-T2 добавлена модуляция 256-QAM (8 бит на символ), что повышает емкость канала передачи на 33% (относительно схемы 64-QAM в DVB-T). Обычно переход от 64-QAM к 256-QAM требует увеличения соотношения сигнал/шум на поднесущей на 4–5 дБ. Однако благодаря применению корректирующих кодов BCH-LDPC, эффективность которых гораздо выше традиционных кодов исправления ошибок (в т.ч. Рида-Соломона), в DVB-T2 скорость кодирования может быть намного выше и общая пропускная способность канала существенно возрастает.
Еще одно новшество DVB-T2 – введение схемы модуляции с "вращающимся" сигнальным созвездием (рис.6). Эта процедура означает, что сформированный модуляционный символ поворачивается в комплексной плоскости на определенный угол, зависящий от числа уровней модуляции (29° для QPSK, 16,8° – для 16-QAM, 8,6° для 64-QAM и arctg(1/16) для 256-QAM). Более того, перед началом вращения квадратурная (Q) координата каждого модуляционного символа циклически сдвигается в рамках одного кодового слова (т.е. берется из предыдущего символа этого слова, Q-компонента первого символа становится равной Q-компоненте последнего).
В чем суть поворота сигнального созвездия? В квадратурных каналах передаются проекции точки сигнала на соответствующие оси (синфазную и квадратурную). При обычном сигнальном созвездии несколько точек расположены на нескольких общих ортогональных линиях, и их проекции совпадают. После поворота сигнального созвездия (см. рис.6) у каждой точки – уникальные Q- и I-координаты. Некоторые из координат оказываются достаточно близко друг к другу, но по одной координате точки всегда можно восстановить другую ее координату. А механизм сдвига Q-координаты приводит к тому, что исходные координаты сигнальной точки оказываются в разных модуляционных символах (т.е. заведомо на разных поднесущих), что существенно снижает вероятность их одновременной деградации как из-за случайных импульсных помех, так и по причине селективных затуханий в канале. В работе [2] отмечено, что применение такой техники обеспечивает операционное усиление 7,6 дБ (рис.7).
После формирования модуляционных символов происходит их перемежение в пределах кодового слова.
Все рассмотренные до сих пор процедуры выполняются параллельно для отдельных магистральных потоков. В результате для каждого PLP формируется последовательность модуляционных символов. Из них необходимо сформировать OFDM-символы. Но если в DVB-T эта процедура была абсолютно прозрачной, то в DVB-T2, из-за возможности транслировать несколько мультимедийных потоков, необходимо сформировать достаточно сложную кадровую структуру.
Кадр физического уровня DVB-T2 (Т2-кадр) (рис.8) начинается с преамбулы Р1. Это OFDM-символ с модуляцией DBPSK, двумя защитными интервалами с двух сторон (в сумме 1/2 длительности символа). Он служит для синхронизации, идентификации потока DVB-T2, а также содержит 7 информационных бит с начальной информацией о Т2-кадре, а именно число номинальных поднесущих в OFDM (1К–32К) и формат передачи следующей за Р1 преамбулы Р2 (режимы MISO или SISO). Вся остальная информация о Т2-кадре (длина, модуляция, скорость кодирования и т.п.) передается в преамбуле Р2, которая может занимать несколько OFDM-символов. Далее следует поле данных (информационные OFDM-символы). Замыкает Т2-кадр специальный завершающий OFDM-символ. В зависимости от параметров OFDM, в Т2-кадре может быть от 60 до 2098 OFDM-символов при полосе передачи 8 МГц (табл.2). Максимальная длительность Т2-кадра – 250 мс.
Т2-кадры объединены в суперкадр. Помимо Т2-кадров в суперкадр входят поля, зарезервированные для дальнейшего использования (FEF – Future Extension Frames). Они могут чередоваться в произвольном порядке. Максимальная длительность суперкадра – 128 с. Если в суперкадре нет FEF, его максимальная длительность ТSF = 64 c, что соответствует 256 Т2-кадрам по 250 мс.
Распределением потоков по кадрам занимается специальный диспетчер еще на стадии формирования ВВ-кадров. Уже тогда, задолго до формирования OFDM-символов, создается сигнальная информация. Стандарт DVB-T2 чрезвычайно гибок с точки зрения мультиплексироания множества потоков в единый трансляционный сигнал. Видимо, разработчики хотели предусмотреть не только все, что они только могли вообразить, но и то, что они даже представить пока не могли. Поэтому не будем удивляться столь многообразному и, казалось бы, избыточному набору возможностей.
Формирование OFDM-кадров неразрывно связано с распределением фрагментов различных магистральных потоков как внутри Т2-кадра, так и в рамках суперкадра. С этой точки зрения стандарт выделяет три типа потоков PLP – общий, а также потоки данных типа 1 и 2. Общий PLP – это информация, общая для группы из нескольких PLP (например, таблицы программ и сервисов PSI/SI для нескольких транспортных потоков). Потоки PLP типа 1 в Т2-кадре не подразделяются на фрагменты – иными словами, в каждом Т2-кадре может быть только один фрагмент каждого PLP типа 1. Наконец, потоки типа 2 могут в пределах Т2-кадра разделяться на несколько фрагментов (от 2 до 6480), следующих в кадре попеременно (рис.9).
Потоки могут отображаться на Т2-кадры по определенным правилам. Например, поток N передается в группах по три смежных Т2-кадра, следующих через интервал в один кадр. Более того, перед распределением по Т2-кадрам в рамках каждого PLP возможно временное перемежение. Для этого кодовые слова потока PLP после формирования модуляционных символов и их перестановки группируются в т.н. интерливинговые кадры, содержащие динамически изменяющееся целое число кодовых слов. Интерливинговый кадр состоит из одного или нескольких инетрливинговых блоков (рис.10). Перемежение символов происходит в пределах всего интерливингового блока. Процедура разбиения на интегрливинговые блоки и кадры выполняется на уровне магистральных потоков, с учетом их специфики. Интерливинговые кадры отображаются на кадры физического уровня (Т2-кадры) – один в один или один интерливинговый кадр в несколько Т2-кадров (см. рис.10). Отметим, что плюс ко всем перечисленным видам перемежения – на уровне бит в кодовых словах, модуляционных символов, временного интервливнига, – используется еще и частотный интерливинг, т.е. перестановка поднесущих в пределах OFDM-символа.
В стандарте DVB-T2 изменения коснулись и структуры OFDM-символов. Увеличено возможное число номинальных поднесущих – помимо 8К (8×1024) добавлены режимы 16К и 32К поднесущих (а также 1К и 4К). Поскольку с увеличением числа поднесущих для OFDM-сигналов спектральная характеристика становится более крутой (рис.11), можно расширить используемый частотный диапазон, не выходя за границы разрешенной спектральной маски. Это позволяет использовать в OFDM-символе больше поднесущих для передачи данных. Такой режим допустимо использовать при 8К, 16К и 32К поднесущих. Эффект от расширенного режима составляет от 1,4% (8К) до 2,1% (32К).
Чем больше номинальных поднесущих, тем длительнее может быть OFDM-символ. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить защитный интервал до 1/128 (против 1/32 в DVB-T). Использование такого защитного интервала при 32К номинальных поднесущих эквивалентно защитному интервалу 1/32 при 8К поднесущих. Однако пропускная способность при этом возрастает весьма существенно. Всего в DVB-T2 разрешено использовать семь относительных длин защитных интервалов – 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128 и 1/4.
В DVB-T2 возможно и более гибкое распределение пилотных поднесущих. Вместо одной фиксированной схемы распределения пилотных частот в DVB-T, в DVB-T2 предусмотрено восемь различных схем их распределения. Выбор варианта зависит от числа номинальных поднесущих и размера защитного интервала. В результате если в DVB-T распределенные пилотные поднесущие составляли 8% всех поднесущих, то в DVB-T2 этот показатель может составлять также 1, 2 и 4%.
Еще одна принципиально новая возможность – передача в режиме MISO с использованием схемы Аламоути, т.е. приемник обрабатывает сигнал от двух передающих антенн. Вводятся и дополнительные частотные полосы – 10 МГц и 1,712 МГц (последняя – для мобильных сервисов).
В целом, все эти нововведения позволяют создать очень гибкую и в то же время чрезвычайно эффективную систему трансляции мультимедийных потоков. При этом максимальная скорость входного транспортного потока после предобработки (например, удаления нулевых пакетов) может превосходить 50 Мбит/с (табл.3).
Разумеется, совсем не обязательно использовать все возможности стандарта. В том числе – и трансляцию множества мультимедийных потоков. Однако в сочетании с новыми видами кодирования видеосигнала (такими как MPEG-4) эта технология является существенным шагом вперед. И что важно с точки зрения сетей широкополосного доступа, стандарт DVB-T2 – это уже не "просто" система транспорта пакетов цифрового видеоконтента. Это – мощный инструмент мультимедийного вещания, в который изначально заложены огромные возможности по расширению функциональности. Конечно, в силу своей однонаправленности он не может рассматриваться как конкурент традиционным сетевым технологиям, но свое место в наступающую эпоху технологий широкополосной беспроводной связи четвертого поколения (4G) он, безусловно, займет. И, возможно, будет при этом не только узкоспециализированным средством доставки телевизионного контента.
Литература
1. Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). – DVB Document A122, June 2008
2. Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). – DVB Document A133, February 2009.
3. Шахнович И. Конкурирующие стандарты цифрового вещания. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, №1, с.17–19.
4. Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. – М.: Техносфера, 2006.
Отзывы читателей
