Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового вещательного телевидения

Подождите немного. Документ загружается.

251

Отметим, что сама постановка вопроса о сравнении систем ATSC

и DVB-T требует ряда оговорок. Дело в том, система ATSC для всех усло-

вий эксплуатации определена одним конкретным набором параметров.

Система DVB-T может быть построена, исходя из требуемого сочетания

параметров, выбираемых при проектировании сети вещания в зави-

симости от внешних условий как компромисс между устойчивостью

системы и скоростью передачи. Поэтому при сравнении систем должно

быть четко указано, какой вариант системы DVB-T является предметом

рассмотрения. Соответственно, оценивая достоинства и недостатки сис-

тем, следует иметь в виду, что они относятся к конкретному варианту

построения системы DVB-T, работающему в данных условиях.

Каждая из сравниваемых систем имеет свои преимущества и недос-

татки. Анализ расчетных характеристик и данных лабораторных и по-

левых испытаний показывает, что система 8-VSB ATSC и максимально

близкие к ней по скорости передачи варианты системы COFDM DVB-T

с точки зрения радиотехнических показателей в целом отличаются

мало, хотя при определенных условиях та или иная система может

иметь некоторые преимущества.

В канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) обе схемы

модуляции (8-VSB и OFDM) имеют близкие характеристики. Но в кана-

ле систем цифрового ТВ вещания действуют также импульсный шум,

эхо-сигналы из-за многолучевого распространения, фединг и переход-

ные помехи — в этих условиях имеют место различия.

Система 8-VSB ATSC более устойчива в канале с АБГШ, имеет более

высокую спектральную эффективность, более низкое отношение пиковой

мощности к средней. Она имеет сопоставимые с DVB-T характеристики

при низких уровнях эхо-сигналов и помех от аналогового телевидения

в совмещенный канал цифрового телевидения. Это могло бы учиты-

ваться при построении многочастотных сетей (МЧС).

Система COFDM DVB-T имеет существенное преимущество в отноше-

нии переходных помех от цифрового канала в совмещенный аналоговый

канал, но система 8-VSB ATSC лучше при действии помех типа цифра-

цифра. Что касается соседних ТВ каналов, то обе системы демонстрируют

одинаковую помехоустойчивость для всех видов передач. С другой сто-

роны, система ATSC имеет лучшие характеристики помехоустойчивости

для некоторых типов импульсного шума, а система DVB-T лучше работает

в каналах, характеристики которых подвержены изменению во времени

и в каналах со значительными статическими и динамическими искаже-

ниями из-за многолучевого распространения. Для системы DVB-T допус-

5.3. СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

252

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

тимы более высокие уровни эхо-сигналов (– 3 дБ, в некоторых случаях

до 0 дБ) при их большой задержке (до 4,2 мкс) [5.83, 5.91].

При планировании ТВ вещания в расширенной зоне покрытия воз-

можны два подхода: применение ретрансляторов совмещенного канала

и построение одночастотных сетей (ОЧС). При использовании мало-

мощных ретрансляторов, получающих сигнал по эфиру и излучающих

на той же частоте, нет необходимости в их синхронизации по времени

с основным передатчиком. При использовании ОЧС все ретранслято-

ры сети должны быть синхронизированы с основным передатчиком.

Для подачи на них сигнала требуются параллельные распределительные

тракты: спутниковые, волоконные или радиорелейные. Главная про-

блема ОЧС — активные эхо-сигналы, создаваемые соседними передат-

чиками сети. Так как системы COFDM более устойчивы по отношению

к эхо-сигналам, то они лучше подходят для создания одночастотных

сетей. Для построения ОЧС требуется выбирать достаточно большие

защитные интервалы, значения которых пропорциональны расстоя-

нию между соседними передатчиками. Система COFDM DVB-T может

быть выгодной для служб, предназначенных для построения больших

ОЧС (в режиме излучения 8k) или для приема на подвижных средствах

(в режиме излучения 2k).

Системы COFDM обладают повышенной гибкостью и масштаби-

руемостью, что позволяет оптимально выбирать их параметры при-

менительно к различным условиям вещания. В системе с одиночной

несущей существует возможность выбора мощности канального ко-

дирования, типа модуляции и формы сигнального созвездия. В сис-

темах COFDM к ним добавляются выбор длительности защитных ин-

тервалов, выбор числа несущих и групп несущих, а также исключение

части несущих на тех частотных позициях, где максимален уровень

переходных помех.

Выбор подходящей системы цифрового наземного ТВ вещания явля-

ется важным этапом перехода от аналогового к цифровому вещанию.

Этот процесс является предметом пристального внимания МСЭ-Р, где

разрабатываются подходы, формализующие и облегчающие такой вы-

бор. Окончательный выбор систем ЦНТВ с разными методами моду-

ляции основывается на том, насколько хорошо эти системы могут со-

ответствовать специфическим требованиям или приоритетам каждой

страны, учитывать также другие критические факторы не технического

плана, такие, как географические и экономические аспекты, а также

взаимосвязи с окружающими странами и регионами.

253

В качестве первого шага МСЭ-Р разработал руководство по выбору

стандарта национальной системы, основные моменты которого заклю-

чаются в следующем [5.12].

Процесс выбора обычно носит итеративный характер и состоит

из трех фаз:

Начальная оценка, удовлетворяющая главным требованиям веща-

теля, принимающего во внимание преобладающие технические и за-

конодательные обстоятельства.

Более детальная оценка «взвешенных» различий характеристик

систем.

Общая оценка коммерческих и эксплуатационных факторов, влия-

ющих на выбор системы.

Ниже приводится описание этих трех фаз.

Начальная оценка. В качестве отправной точки при выборе систем

ЦНТВ могут использоваться данные табл. 5.1, с помощью которых

можно определить, какая из систем лучше других удовлетворяет спе-

цифическим требованиям вещателя.

Оценка взвешенных различий в характеристиках. После начальной

оценки, проведенной на основе табл. 5.1 потребуется этап выбора, исходя

из сравнительной оценки характеристик потенциально привлекательной

системы. Это означает, что должны иметься средства для идентифика-

ции небольших различий в характеристиках, являющихся предметом

сравнения и выбора. Ясно, что малое различие между системами в кри-

тическом параметре, вероятно, будет влиять на выбор больше, чем боль-

шие различия в относительно менее важных критериях выбора.

Поэтому для второй фазы оценки системы рекомендуется следую-

щая методология:

Шаг 1-й требует идентификации параметров характеристик, ко-

торые являются существенными для администрации или вещателя,

выбирающих систему ЦНТВ. Эти параметры могли бы включать рабо-

чие характеристики цифровой системы как таковой, ее совместимость

с существующими аналоговыми службами и необходимость взаимо-

действия с другими службами передачи изображений или службами

вещания.

Шаг 2-й требует присвоения «весов» параметрам в порядке их важ-

ности или критичности к среде вещания, в которой должна быть внед-

рена служба цифрового телевидения. Это взвешивание могло бы быть

представлено двумя простыми множителями, например, 1 для «нор-

мального» параметра и 2 для «важного» параметра.

5.3. СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

254

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

Шаг 3-й включает в себя накопление данных результатов лаборатор-

ных и полевых испытаний. Эти данные могут быть собраны непосредс-

твенно сторонами, осуществляющими оценку, или могут быть получе-

Таблица 5.1. Параметры для начального выбора системы.

Учитываемые требования Подходящие системы

Максимальная скорость

передачи данных

в Гауссовском канале

для заданного порога

отношения сигнал / шум

Требуется A

Не требуется A, B или C

Максимальная

устойчивость к помехам

из-за многолучевости

Требуется B или C

Не требуется A, B или C

Построение одночастотных

сетей (SFN)

Требуется B или C

Не требуется A, B или C

Мобильный прием

1, 2

Требуется B или C

Не требуется A, B или C

Одновременная передача

различных уровней

качества (Иерархическая

передача)

Первоочередная важность

Требуется B или C

Не требуется A, B или C

Независимое

декодирование подблоков

данных (например,

чтобы облегчить звуковое

радиовещание)

Требуется C

Не требуется A, B или C

Максимальный

охват центральным

передатчиком при

заданной мощности

в гауссовском канале

Требуется А

Не требуется A, B или C

Максимальная

устойчивость по отношению

к импульсным помехам

Требуется

Не требуется

A, B, или C

Примечания:

Возможен обмен на частотную эффективность и другие параметры системы.

Возможно, в этом режиме нельзя будет обеспечить прием ТВЧ.

Для всех систем в ситуациях, когда для покрытия теневых зон будут требоваться рет-

рансляторы.

По сравнению с системами B и C в режиме 2k.

Первые результаты испытаний режима 8k в Австралии показали существенные улучше-

ния относительно режима 2k. Возможно, что характеристики систем B и C в режиме 8k

смогут быть сопоставимы с характеристиками системы A. Однако, для точного соотнесения

характеристик систем A, B и C требуются дальнейшие сравнительные испытания.

255

ны от других организаций, проводивших такие испытания или оценки.

Ожидается, что в МСЭ-Р будет подготовлен отчет, обеспечивающий

полные технические сведения о различных системах ЦНТВ. Предпо-

лагается, что этот отчет может быть использован в ситуациях, когда

требуемые данные об испытаниях не доступны из других надежных

источников.

Шаг 4-й требует согласования данных об испытаниях с техническими

характеристиками и определения рейтинга каждого параметра. Сум-

марный рейтинг используется для выбора системы, которая наилучшим

образом удовлетворяет требованиям. Некоторые администрации сочли

полезной табличную структуру, которая использует простую числовую

оценку и шкалу взвешивания. Желательно избежать ненужного преуве-

личения различий, но, в то же время, следует заботиться о том, чтобы

процесс выбора был адекватен потребностям создаваемой службы. Од-

ним из путей достижения этих целей может быть применение простой

и компактной шкалы числовых рейтингов.

В табл. 5.2 и 5.3 приведены примеры таких шкал, которые могли бы

быть полезны при выборе системы ЦНТВ:

Таблица 5.2. Шкала числовых рейтингов

Характеристика Рейтинг

Удовлетворительная 1

Хорошая 2

Отличная 3

По этой шкале нулевое значение (0) присваивается системе ЦНТВ,

которая не обеспечивает удовлетворительную характеристику в отно-

шении заданного параметра или параметров, которые не могут быть

оцененными.

Таблица 5.3. Шкала весовых оценок

Важность Вес

Нормально 1

Существенно 2

Критично 3

Пример табличной структуры, которую можно использовать для срав-

нительной оценки различных систем ЦНТВ, приведен в табл.5.4.

5.3. СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

256

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

Таблица 5.4. Форма для сравнительной оценка различных систем

№ Критерий

Характеристика

системы

Вес

Оценка

системы

ABC ABC

Характеристики переданных

сигналов

a Помехоустойчивость сигнала

Устойчивость к электриче-

ской помехе

Эффективность передачи

сигнала

Эффективная зона охвата

Прием на комнатную антенну

Характеристика для соседне-

го канала

Характеристика для

совмещенного канала

b Устойчивость к искажениям

Устойчивость

к многолучевости

Прием на подвижные

средства

Прием на носимые средства

Оценка коммерческих и эксплуатационных аспектов. Заключитель-

ная фаза выбора системы — это оценка коммерческих и эксплуатаци-

онных аспектов, призванная установить, которая из систем является

действительно лучшим решением. Такая оценка примет во внимание

требуемые сроки внедрения, цену и доступность оборудования, взаи-

модействие в рамках общего развития средств вещания, и т. д.

5.4. СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Системы кабельного телевидения (КТВ) предназначены для распреде-

ления вещательных и невещательных сигналов, а также разнообразных

спутниковых и других сигналов посредством коаксиальных кабельных

и волоконно-оптических линий связи [5.239]. Тракты передачи в совре-

менных системах КТВ строятся, как правило, по гибридной волоконно-

коаксиальной схеме, когда протяженные отрезки от головных станций

257

выполнены в виде волоконно-оптической линии, а подводка к домам

и внутридомовая разводка — с помощью коаксиального кабеля.

Уже сегодня многоцелевые системы КТВ на базе цифровых методов

с учетом расширения предоставляемых ими услуг связи, интерактив-

ности, цифрового кинематографа, мультимедиа и ряда других примене-

ний становятся одним из важнейших наиболее интегрированных мно-

гофункциональных составляющих информационного общества. Такая

значимая роль системы КТВ была давно предсказана в [5.236, 5.237].

Сети КТВ могут быть однонаправленными, служащими исключи-

тельно для распределения программ от головной станции, или интер-

активными, позволяющими вести диалог с провайдером. Применитель-

но к цифровому ТВ вещанию наибольший интерес представляют сети,

допускающие интерактивный режим.

Однонаправленные цифровые системы КТВ по структуре и ряду па-

раметров, включая номинальные полосы частот каналов, во многом

аналогичны системам ЦНТВ. Основные отличия подсистем адаптации

для наземных и кабельных каналов связаны с высокой помехозащи-

щенностью кабельных трактов. Поэтому в кабельных трактах можно

снизить требования к исправляющей способности кодеков и увеличить

кратность модуляции сигналов.

Система АТSС в кабельном варианте по своей структуре не отличается

от варианта для наземного вещания. Отличие связано с увеличенным

вдвое числом уровней модулирующего сигнала, что характеризуется

соответственно индексом 16-VSВ вместо 8-VSВ [5.208]. Система цифро-

вого вещания по кабелю DVВ-С [5.212] имеет больше принципиальных

отличий от наземной (DVВ-Т) и спутниковой (DVB-S) систем.

Структура системы DVВ-С максимально гармонизирована со струк-

турой спутниковой системы DVВ-S, но в качестве типа модуляции в ней

используется М-QАМ с числом позиций М от 16 до 256. На рис. 5.11

показана структурная схема головной станции кабельной линии и або-

нентского приемника-декодера.

Входными сигналами на головной станции являются транспортные

пакеты МРЕG-2 и такты, получаемые через интерфейс в основной по-

лосе от спутниковой линии, технологических линий, локальных про-

граммных источников и т. п. Методы инверсии каждого восьмого байта

для цикловой синхронизации, рандомизации, перемежения и кодиро-

вания кодом Рида — Соломона не имеют отличий от аналогичных ме-

тодов и устройств в системах DVВ-S и DVВ-Т. Преобразователь байтов

в кортежи (короткие последовательности битов, равные значности моду-

5.4. СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

258

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

Рис. 5.11. Структурная схема системы DVB-C

259

лирующего кода) осуществляет формирование битовых структур, удов-

летворяющих условию последующего получения символов QАМ. С це-

лью получения сигнального модуляционного созвездия, не зависящего

от вращения несущей, к двум старшим разрядам каждого символа QАМ

применяется дифференциальное кодирование. На этом формирование

кортежей заканчивается и осуществляется найквистовская согласован-

ная фильтрация для формирования спектра в квадратурных каналах I

и Q. Затем сигналами I и Q модулируются квадратурные несущие, и сиг-

нал QАМ переносится по спектру в полосу рабочего кабельного канала,

для сопряжения с которым служит физический интерфейс. На приеме

в соответствующем порядке выполняются обратные операции по демо-

дуляции и декодированию сигнала в цифровой приставке SТВ.

Характерной особенностью рассмотренного тракта адаптации является

отсутствие внутреннего сверточного кодека и наличие формирования спек-

тра в основной полосе. Защита от пакетированных ошибок производится

исключительно за счет перемежения на выходе кодера Рида-Соломона.

Сведения о стандартах на цифровые интерактивные системы КТВ

приведены в [5.232].

В настоящее время в Европе действуют две группы стандартов: DOCSIS

(Data Over Cable Service Interface Specification, спецификация интерфейса

службы передачи данных по кабелю) и DVB. Вначале в США консорци-

ум МСNS разработал стандарт на передачу данных по сетям КТВ DOCSIS

1.0, который в 1998 году был отражен в Рекомендации МСЭ-Т J.112

Аnnех В [5.217]. Эта Рекомендация жестко ориентирована на использо-

вание Internet, а также на параметры действующих в Северной Америке

и Японии ТВ каналов с полосой пропускания 6 МГц и диапазоном частот

5-42 МГц, отведенным для передачи в обратном направлении.

В 1999 году был опубликован модернизированный стандарт DOCSIS 1.1,

обеспечивающий поддержку IР-телефонии и других услуг. Для использова-

ния в Европе оборудования, разработанного по стандарту DOCSIS 1.1, была

создана версия EuroDOCSIS, которая является модификацией DOCSIS 1.1.

В этой версии учтены отличия европейских сетей КТВ от американских:

ширина ТВ канала принята равной 8 МГц, а диапазон частот, отведенный

для передачи в обратном направлении (от абонента), — 5-65 МГц. Версия

EuroDOCSIS включена в европейский стандарт ЕS 201.488 [5.233].

Затем в США был разработан стандарт DOCSIS 2.0. Основным преиму-

ществом этого стандарта по сравнению с предыдущей версией DOCSIS 1.1

стала более высокая (до 30 Мбит / с) скорость передачи данных в обратном

канале (от абонента). В новой версии стандарта используется сразу два спо-

5.4. СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

260

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

соба множественного доступа к каналу передачи: с временным (A-TDMA,

Advanced Frequency Agile Time Division Multiple Access, множественный

доступ с временным разделением сигналов и улучшенным распределением

частот) и кодовым разделением (Code Division Multiple Access, S-СDМА).

Цифровая интерактивная система КТВ применительно к стандарту

DVB- C описана в [5.213-5.216]. Система, модель которой показана на рис.

8.4 (см. главу 8), содержит прямые каналы для передачи интерактивных

данных из адаптера интерактивной сети в блок сетевого интерфейса або-

нентского пульта управления, т. е. в терминал STB, и обратные интерактив-

ные каналы для передачи сообщений пользователей службам (провайдерам

услуг). Предусматривается возможность адаптации терминала к интерак-

тивной сети и синхронной передачи данных по обратным каналам.

Обратный цифровой поток разделяется на временные сегменты (слоты),

каждый из которых может использоваться различными абонентами в ре-

жиме множественного доступа с временным разделением сигналов TDMA

(Time Division Multiple Access). Один прямой канал может синхронизиро-

вать до восьми обратных каналов, обеспечивая разделение передаваемых

по ним сообщений на слоты. Из адаптера интерактивной сети периодически

передаются данные для подстройки синхронизации, обеспечивающие рабо-

ту всех абонентских терминалов с одним и тем же тактовым сигналом. Это

позволяет распределять слоты между различными абонентами системы.

В системе предусматриваются три режима множественного доступа.

Один из них базируется на доступе с конкуренцией и дает возможность

пользователям передавать обратные сообщения в любое время с риском

конфликтов с передачей данных других пользователей. Два других ре-

жима позволяют исключить появление конфликтных ситуаций путем

выделения адаптером интерактивной сети определенного числа слотов

отдельному терминалу STB или обеспечения заказанной абонентом ско-

рости передачи обратных данных до прерывания соединения по запросу

модуля. Эти режимы обеспечивают динамическое распределение слотов

с соответствующим уведомлением терминалов.

В адаптере интерактивной сети предусматривается периодическое

опознавание новых активных пользователей системы с предоставлени-

ем им возможности синхронизации по тактовому сигналу интерактив-

ной сети без риска конфликтов с другими работающими в данное время

пользователями. Для подачи обратных сообщений новым пользовате-

лям выделяется достаточно большой интервал времени, учитывающий

задержку передачи информации из адаптера в терминалы STB и в про-

тивоположном направлении.