Беляев Ю.В., Галочкин Ю.И. Цифровое телевидение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.24. Этапы ПКО

Внешнее кодирование использует код обнаружения и исправления ошибок

Рида-Соломона (PC). При этом кодировании не корректируются пакеты ошибок,

т. е. ошибки в смежных битах. Перемежение позволяет преодолеть это

ограничение; оно удаляет друг от друга смежные биты перед передачей. Если

среда передачи вносит длинные пакеты ошибок, то на приемной стороне

ошибки удаляются друг от друга путем обращения переме-жения до поступле-

ния на декодер внешнего кода. Код PC, выбранный для цифровой телевизионной

передачи, — это код 204:188, в котором к пакетам транспортного потока

добавлены 16 дополнительных байтов ( рис. 1.25) Внешний кодер PC может

обнаруживать и исправлять 16 байтов ошибок в 204-байтовом пакете.

Наконец, уже упомянутое ранее внутреннее кодирование представляет

собой иной тип сверхточного кодирования , который обладает большей спо-

собностью исправления ошибок. Полное (100%) устройство сверхточного

внутреннего кодирования формирует два одновременных выходных битовых

потока, X и Y, каждый из которых повторяет исходный поток данных. Битовые

потоки X и Y модулируются и передаются. Хотя этот способ обеспечивает

очень эффективное исправление ошибок, он, по существу, удваивает требо-

вания к ширине полосы канала. Избыточность можно снизить, используя

способ, называемый прокалыванием , в соответствии с которым из двух

одновременных битов потоков X и Y один выбирается для модуляции. Ис-

пользуется чередование битов X и Y в пределах определенного соотношения,

называемого отношением прокалывания. Высокое отношение прокалывания

увеличивает эффективность коррекции ошибок ценой уменьшения пропу-

скной способности канала. Вещательная компания в зависимости от мощности

передатчика, размера антенны и желаемого качества может выбрать от-

ношение прокалывания 3/4 или 2/3.

Рис. 1.25. Транспортный пакет с битами прямой коррекции ошибок

1.13. Модуляция

Конечное уменьшение битовой скорости осуществляется с помощью

современных способов модуляции. Обычная частотная модуляция, при

которой логический 0 и логическая 1 представляются двумя различными

частотами, крайне неэффективна в отношении требований к битовой скорости

и диапазону рабочих частот.

В цифровом телевизионном вещании используются три типа модуляции:

относительная квадратурная фазовая манипуляция ( ОКФМн) для спутнико-

вого телевидения, квадратурная амплитудная модуляция для кабельного

телевидения и кодированное ортогональное частотное уплотнение (coded

orthogonal frequency division multiplexing - COFDM) для наземного цифрового

телевидения.

В спутниковом цифровом телевещании применяется тот же вид модуля-

ции (ОКФМн), что и в системе NICAM. Четыре значения фазы, 45°, 135°, 225°

и 315°, формируются двумя несущими с одинаковой частотой, располо-

женными под прямыми углами друг к другу. Каждая фаза используется для

представления комбинации из двух битов. Для работы обычной квадратурной

фазовой манипуляции ( КФМн), требуется эталонный фазовый угол. В

ОКФМн в качестве эталонного фазового угла используется предыдущая фаза,

причем каждое изменение фазы представляется 2-битовой комбинацией.

Квадратурная амплитудная модуляция. Фазовую манипуляцию можно

улучшить путем увеличения числа фазовых углов от 4 для КФМн, или 4-ФМн,

до 8 или 16 для 8-ФМн и 16-ФМн соответственно. В случае кодирования 8-

ФМн несущая может иметь один из восьми различных фазовых углов ( рис.

1.26), причем каждый вектор будет представлять одну из восьми 3- битовых

комбинаций. Квадратурная амплитудная модуляция ( КАМ) является

расширением ФМн в том смысле, что несущая для увеличения числа битов в

представлении изменяется как по амплитуде, так и по фазе. Например,

кодирование 16- КАМ увеличивает битовую ширину модуляции до 4, как

показано на рис. 1.27.Используются 12 различных фазовых векторов несущей,

четыре из которых имеют по две амплитуды, что делает возможным 4-битовое

представление. На рис. 1.28 изображены все возможные фазовые углы и ампли-

туды несущей для 16-ФМн; такую диаграмму называют звездной картой. В ка-

бельном цифровом телевещании используется цифровая модуляция более

высокого порядка, 64- КАМ, в которой каждое сочетание значений фазы и

амплитуды несущей представляет одну из 64 возможных 6-битовых комбина-

ций. Звездная карта для кодирования порядка 64-КАМ показана на рис. 1.29.

Рис. 1.26 . Векторная диаграмма для 8-ФМн

Рис. 1.27. Векторная диаграмма для 16-КАМ

Рис. 1.28. Звездная карта для 16-ФМн

Рис. 1.29. Звездная карта для 64-КАМ

Кодированное ортогональное частотное уплотнение . Несмотря на

свою высокую эффективность , кодирование 64-КАМ при использовании для

наземного вещания страдает от замираний и многолучевой интерференции. В

аналоговых системах замирание и многолучевая интерференция вызывают

ухудшение изображения. В цифровых системах, особенно когда изменение

фазы на отраженном пути составляет 180° по отношению к прямому пути,

возможно серьезное ухудшение и даже полное исчезновение изображения.

Этого можно избежать, используя модуляцию с несколькими несущими ,

называемую ортогональным частотным уплотнением (OFDM).

Поскольку цифровой сигнал кодируется с применением прямой

коррекции ошибок, этот процесс модуляции называют кодированным

ортогональным частотным уплотнением (COFDM).

Способ COFDM включает в себя распределение высокоскоростного после-

довательного битового потока по большому числу близкорасположенных инди-

видуальных несущих, разнесенных по доступной полосе частот; каждая несущая

передает только часть общего битового потока. Несущие обрабатываются (или

модулируются) одновременно в течение регулярных интервалов времени. Набор

несущих, обрабатываемых на каждом интервале, называют символом COFDM.

Вследствие большого числа несущих длительность символа COFDM

существенно больше, чем длительность одного бита в исходном битовом потоке.

Рис. 1.30. Частотный спектр одной несущей COFDM

Пусть, например, число модулирующих битов равно 500, причем каждый из

них используется в течение 0,1 мкс для обработки (модуляции) 500 несущих с

целью формирования символа COFDM. Тогда длительность символа COFDM

составит приблизительно

500

мкс

⋅

Большая длительность символа по-

зволяет приемнику ждать, пока не придут все отраженные сигналы, и только после

этого произвести оценку и обработку сигнала. Таким образом, отраженные

колебания, приходящие в этот период времени, будут улучшать путь прямой пе-

редачи. Возможно дальнейшее его улучшение посредством введения перед сим-

волом защитного интервала (называемого также защитной полосой), во время

которого приемник ждет перед тем, как начать оценку несущих.

Расстояние между несущими выбирается равным 1Д, где t

— продолжи-

тельность модулирующего символа. На рис. 1.30 показан частотный спектр

каждой несущей. При использовании всех несущих получается плоский час-

тотный спектр с паразитными боковыми лепестками на каждом его крае

(рис.1.31). Введение защитного интервала улучшает частотный спектр,

уменьшая вторичные боковые лепестки.

Рис. 1.31. Частотный спектр набора несущих COFDM

Быстрое преобразование Фурье. Набор несущих, формируемых OFDM,

очень напоминает то, что получается в алгоритме БПФ, которое производит

разложение непрерывного колебания на частотные составляющие.

Рис. 1.32. Структурная схема передачи с использованием COFDM

Для получения непрерывного колебания, которое можно применить для

модуляции УВЧ-несущей, над несущими COFDM выполняется обратное

быстрое преобразование Фурье (ОБПФ). На приемной стороне сигнал от УВЧ-

демодулятора поступает на кристалл БПФ для получения исходных несущих

COFDM (рис. 1.32.)

Мощность эквивалентного изотропного излучателя. Плоский

частотный спектр уменьшает требования к мощности эквивалентного

изотропного излучателя ( МЭИИ) цифрового телевизионного приемника

примерно на 20 дБ ( в 100 раз) по сравнению с аналоговым наземным ве-

щанием, при котором мощность несущей концентрируется в узкой полосе

вокруг несущей изображения, поднесущих цвета, ЧМ-звука и звука NICAM

(рис. 1.33). Энергия, передаваемая несущими COFDM, более равномерно

распределена по всему спектру.

Рис. 1.33. Распределение энергии при аналоговом наземном телевещании

Одночастотная сеть. Кроме улучшения качества приема имеется

дополнительное преимущество, которое заключается в высокой устойчивости

по отношению к замираниям и многолучевой интерференции. Это дает

основание вещательным компаниям использовать одночастотную сеть по всей

стране. При аналоговом телевещании идентичный сигнал от соседнего

передатчика вызовет повторное изображение. Но при цифровом наземном

телевещании его невозможно будет отличить от сигнала, передаваемого

другим передатчиком, так же как и отраженные колебания. Если посторонние

сигналы поступят во время защитного интервала, то будут отвергнуты.

Режимы COFDM 8k/2k. Для цифрового наземного телевидения

европейская система DVB базируется на модуляции COFDM с 8 кб или 2 кб

несущими с длительностью символа ( t

) 896 и 224 мкс соответственно.

Эффективное число несущих, т. е. фактическое число несущих, которые

можно использовать для модуляции COFDM, составляет 6818 для режима 8кб

и 1706 для режима 2 кб. Остальные несущие используются для защитного

интервала и как непрерывные и рассеянные пилот-несущие. Непрерывные

пилот-несущие передают параметры конкретной передачи, а рассеянные

пилот-несущие используются как эталонные несущие.

1.14. Управление цифровым мультиплексором

Мультиплекс транспортного потока передает две или более программы,

каждая из которых содержит несколько элементарных программных потоков.

Информация о различных компонентах программы и о том, как они соотно-

сятся друг с другом, содержится в битах данных специальной программной ин-

формации (СПИ) внутри пакета служебных данных. СПИ состоит из нескольких

таблиц, которые содержат всю информацию, необходимую для настройки и

выбора программы. Существуют четыре основные таблицы.

• Таблица размещения программ (programme allocation table - PAT) уста-

навливает связь между программой и программным идентификатором

(PID) пакетов, несущих карту программ.

• Таблица карты программ (programme map table - РМТ) указывает

программные идентификаторы элементарных потоков , составляющих

программу.

• Таблица условного доступа (conditional access table - CAT) содержит дан-

ные управления доступом.

• Частная таблица содержит частную информацию.

Изменение программ, или заппинг (быстрая смена телезрителем просма-

триваемой программы с помощью пульта дистанционного управления),

является поэтому намного более длительной операцией по сравнению с

аналоговым телевидением ; процесс синхронизации и идентификации

занимает более одной секунды в зависимости от того, где происходит

изменение: внутри или снаружи канала.