Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

221

обеспечить надежную синхронизацию за счет увеличения мощности пере-

датчика и снижения эффективности использования полосы частот. Спектр

радиосигнала NTSC неравномерен, в нем выделяются три гармонических

колебания с частотами FV (несущая сигнала яркости изображения), FC (под-

несущая сигнала цветности) и FA (несущая звукового сигнала). На передачу

этих гармонических колебаний расходуется основная доля мощности, что и

означает неэффективное

использование мощности передатчика. Кроме того,

средняя мощность излучаемого сигнала зависит от содержания изображения.

Требуемая ширина полосы частот канала равна 6 МГц, а ширина спектра

сигнала яркости составляет всего 4,2 МГц, что означает не слишком эффек-

тивное использование полосы частот (полоса канала на 43% больше ширины

спектра). Однако надо отметить, что в полосе 6 МГц

передаются еще и цвет

и звук, что повышает эффективность использования полосы частот.

Техническими задачами, решаемыми в процессе проектирования сис-

темы ATSC, были минимизация объема данных, несущих информацию об

изображении и звуке, и достижение предельно высокой пропускной способ-

ности канала связи при сохранении заданного качества. Хотя стандарт не

регламентирует строго формат представления передаваемого

изображения,

ясно, что речь идет о телевидении высокой четкости. Система ATSC осно-

вывается на подмножестве MPEG-2, определяемом как высокий уровень ос-

новного профиля MPEG-2. Это подмножество включает форматы с числом

активных строк до 1152 и числом элементов в активной части строки до

1920, причем скорость потока компрессированных данных не должна пре-

вышать 80 Мбит/с. Параметры

системы ATSC находятся в пределах этих

ограничений.

Модуляция 8-VSB (Система ATSC). В системе VSB допустим как

двухпозиционный модулирующий сигнал, так и многопозиционный. При

двухпозиционной передаче, обозначаемой как 2-VSB, модулирующий сиг-

нал совпадает по форме с сигналом передаваемых данных и принимает в ин-

тервале каждого символа один из двух уровней. Удельная скорость передачи

данных, благодаря тщательной отработке системы модуляции 1,79

(бит/с)/Гц, близка к

теоретическому пределу. При многопозиционной пере-

даче характеристические значения, располагающиеся симметрично относи-

тельно нуля, выбираются так, чтобы интервалы между ними были одинако-

выми. Например, при восьмипозиционной передаче в системе 8-VSB моду-

лирующий сигнал принимает в интервале символа одно из восьми значений

(-7, -5, -3, -1, +1, +3, +5, +7). В интервале одного символа передаются три

двоичных разряда потока данных. При

увеличенной в три раза удельной

скорости в полосе 6 МГц система 8-VSB способна передавать поток данных

32,3 Мбит/с.

Система VSB разработана в нескольких вариантах, предусматриваю-

щих разную структуру модулирующего сигнала: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 8T-

VSB, 16-VSB. Количество уровней модулирующего сигнала меняется от

222

двух до шестнадцати, при этом соответственно изменяется и скорость пере-

дачи данных, вычисляемая как частота следования символов, умноженная на

логарифм количества уровней. Чем больше количество уровней модули-

рующего сигнала, тем меньше помехозащищенность. Исключением из этого

правила является только система 8T-VSB, в которой используется дополни-

тельное кодирование с целью борьбы с помехами (буква

T - Trellis символи-

зирует наименование этого кодирования - решетчатый код).

8T-VSB (далее просто 8-VSB) - высокочастотный тип модуляции, ис-

пользуемый в цифровом телевизионном стандарте DTV (ATSC), используе-

мый для наземной передачи цифровых ТВ сигналов к потребителю. Так как

любая система наземного телевидения должна преодолеть многочисленные

помехи вроде отраженных сигналов, случайного шума и взвешенных шумов,

постепенного затухания сигнала, интерференции

, прежде чем достигнуть по-

требителя, выбор правильного формата модуляции очень важен. Модуляция

8-VSB - основа стандарта ATSC.

В мире цифровых коммуникаций, основой являются два базовых стан-

дарта, про которые нужно помнить, говоря о законченной DTV системе: 8-

VSB и MPEG-II. 8-VSB - способ модуляции сигнала, а MPEG-II - формат па-

кетирования и сжатия видеосигнала. Чтобы преобразовывать студийный ви-

деосигнал высокого

разрешения в форму, необходимую для передачи по

эфиру, согласно стандартам DTV, необходимы два основных преобразова-

ния: MPEG-II кодирование и 8-VSB модуляция. Соответственно, требуется

MPEG-II кодер и 8-VSB модулятор.

MPEG-II кодер получает основной цифровой видеосигнал и кодирует

его с целью уменьшения скорости цифрового потока, используя дискретное

косинусное преобразование; детальное рассмотрение проблем сжатия видео-

сигнала не входит в

задачи пособия. MPEG-II кодер мультиплексирует полу-

ченную видеоинформацию с кодированным сигналом звукового сопровож-

дения Dolby АС-3 и любыми дополнительными данными, которые необхо-

димо передать. В итоге получаем поток блоков MPEG-II со скоростью пере-

дачи данных порядка 19,39 Mбит/c. Это довольно важный момент, так как

скорость потока цифрового видеосигнала высокого разрешения, поданного

на вход кодера MPEG-II,

могла иметь скорость передачи данных 1 Гбит/c

или даже больше. Поток данных со скоростью 19,39 Мбит/с представляет

собой транспортный уровень DTV. Выход MPEG-II кодера соединен с вхо-

дом 8-VSB возбудителя, с помощью последовательного интерфейса, в соот-

ветствии со стандартом SMРTE-310.

Хотя методы сжатия MPEG-II могут достигать значительных значений

снижения скорости передачи данных, нужны определенные технические ре

шения, чтобы упаковать транспортный поток 19,39 Мбит/с (DTV сигнал) в

частотный канал с пропускной способностью 6 МГц. Это и есть задача, за

решение которой отвечает 8-VSB модулятор.

На рисунке 5.2 показана блок-схема типичного модулятора 8-VSB.

223

Рис. 5.2. Блок-схема модулятора 8-VSB

Синхронизация данных. Кодер 8-VSB после получения пакетов дан-

ных MPEG-II синхронизирует его с входным потоком данных. Перед даль-

нейшей обработкой сигналов 8-VSB возбудитель должен правильно распо-

знать начальные и конечные биты каждого блока данных MPEG-II. Это про-

исходит с помощью специального бита синхронизации MPEG-II. Пакет

MPEG-II содержит 188 битов, причем первый бит всегда является битом

синхронизации. Если MPEG-II бит синхронизации

забракован, то он будет

заменен синхронизацией сегмента ATSC в более поздней стадии обработки.

Рандомизация данных. За исключением сегментных и полевых сиг-

налов синхронизации, поток данных 8-VSB должен иметь полностью слу-

чайную, шумоподобную структуру (для использования полосы канала с мак-

симальной эффективностью). В системе по рандомизации данных значение

каждого бита изменено согласно модели случайных чисел. Этот процесс ре-

версирован в приемнике, чтобы восстановить исходные значения данных.

Кодирование Рида-Соломона. Кодирование Рида-Соломона является

способом прямой коррекции ошибок - Forward Error Correction (FEC), кото-

рый применяется к входному потоку данных. Код Рида-Соломона это сово-

купность методов, которые используются, чтобы исправить ошибки, кото-

рые возникают в процессе передачи (многолучевое распространение, вре-

менные затухания сигнала, нелинейность передатчика).

Кодер Рида-Соломона использует 187 байтов входного MPEG-II пакета

данных (бит синхронизации

пакета был удален) и математически рассматри-

вает их как один блок, чтобы создать дополнительную группу проверочных

данных, основываясь на полученном пакете данных. Она занимает 20 допол-

нительных битов, которые прикрепляются в конец исходного пакета из 187

224

битов. Эти 20 битов представляют собой биты четности кода Рида-

Соломона. Приемник сравнивает полученный блок из 187 битов с 20 битам

четности, чтобы обнаружить возможную потерю данных. Если погрешности

обнаружены, ресивер использует биты четности, чтобы определить точное

место ошибки, изменить разрушенные биты, и восстановить первоначаль-

ную информацию. До 10 поврежденных битов в пакете может быть

исправ-

лено таким образом. Если повреждено большее число битов, достоверность

данных больше не гарантируется, и полный MPEG-II пакет должен быть за-

бракован.

Скремблирование. Скремблер, меняет порядок следования данных, и

рассредоточивает MPEG-II данные по времени (в диапазоне приблизительно

4,5 мс) с помощью буферов памяти. Скремблер составляет новые пакеты

данных, включающие фрагменты от различных MPEG-II (предварительно

перемешанных) пакетов. Эти новые пакеты данных имеют длину первона-

чальных MPEG-II пакетов: 207 байтов (с учетом кодирования Рида-

Соломона).

Если увеличение уровня шумов вызовет

потерю сигнала в процессе его

распространения, и один блок будет потерян (то есть несколько миллисе-

кунд), множество различных MPEG-II пакетов потеряют незначительную

часть информации. При этом на экране такая помеха не вызовет сколько-

нибудь заметного искажения сигнала.

Решетчатое кодирование. Решетчатое кодирование - другая форма

непосредственного исправления ошибок. В отличие от кодирования Рида-

Соломона, которое обрабатывает целый MPEG-II пакет как отдельный блок,

решетчатое кодирование - код, который отслеживает поток битов в течение

времени, учитывая значение кода для предыдущих символов. Соответствен-

но, кодирование Рида-Соломона известно как форма блочного кода, в то

время как решетчатое

кодирование является сверточным кодом.

При решетчатом кодировании, каждый 8-разрядный бит, делится на

четыре 2-разрядных слова. В кодере, осуществляющем решетчатое кодиро-

вание, каждое новое 2-разрядное слово сравнивается с прошлой хронологией

предыдущих 2-разрядных слов и в итоге генерируется 3-разрядный двоич-

ный код, описывающий изменение по отношению к предыдущему 2-

разрядному слову. Эти 3-разрядные

коды заменяют первоначальные 2- раз-

рядные слова и передаются по эфиру как восьмиуровневые символы 8-VSB

(3 бита = 2 в 3-й степени = 8 комбинаций или уровней). Для каждых двух би-

тов, которые поступили в кодер решетчатого кодирования, на выходе полу-

чается три бита. Поэтому, кодер решетки в системе 8-VSB, имеет разряд-

ность 2/3.

Декодер решетчатого кодирования в приемнике

использует получен-

ные 3-разрядные коды, чтобы восстановить исходный вид потока данных,

состоящего из последовательности 2-разрядных слов. Таким образом, ре-

шетчатое кодирование отслеживает изменения от одного слова к другому во

225

времени.

Сигналы синхронизации и пилот-сигналы.

Следующий шаг в про-

цессе обработки данных - введение различных вспомогательных сигналов,

которые позволяют 8-VSB-декодеру точно определить и демодулировать

принятый высокочастотный сигнал. К ним относятся: пилот-сигнал ATSC,

сегментная синхронизация, и синхронизация полей. Пилот- и синхросигналы

добавляются после рандомизации сигнала и добавления кода коррекции

ошибок, чтобы не нарушить временные и амплитудные зависимости переда

ваемого сигнала.

Восстановление синхросигнала, необходимое для декодирования по-

лученного ВЧ сигнала, всегда считалось одним из самых сложных процессов

в системах цифровой связи. Данные декодируются в соответствии с сигна-

лом синхронизации приемника. В то же время, синхронизация приемника

непосредственно зависит от точности восстановления принятых данных. В

системе цветного телевидения NTSC используется мощный

синхроимпульс.

Таким образом, цепи синхронизации приемника могли выделять синхросиг-

налы и сохранять правильную кадровую синхронизацию изображения даже в

том случае, если само изображение было искажено шумами.

8-VSB использует подобную структуру синхроимпульсов и остаточ-

ных несущих колебаний, которые позволяют приемнику выделять синхро-

импульсы и декодировать их, даже при наличии высокого уровня отражен-

ных сигналов и значительном уровне шума.

Первый сигнал, нужный для синхронизации,- пилот-сигнал ATSC. Не-

посредственно перед модуляцией, небольшой сдвиг постоянной составляю-

щей применяется к 8-VSB модулирующему сигналу (постоянная состав-

ляющая которого была предварительно установлена на ноль). Это вызывает

малое остаточное несущее колебание, которое появится в точке нулевой час-

тоты результирующего спектра модулированного

сигнала. Это пилот-сигнал

ATSC. Это дает возможность цепям фазовой автоподстройки в приемнике 8-

VSB получить опорный сигнал. Но все же пилот-тон ATSC намного мень-

ше, чем несущая изображения NTSC, и составляет 0,3 дБ или 7 (процентов)

от мощности передатчика.

Другие сигналы, необходимые для синхронизации,- синхроимпульсы

сегментной и полевой синхронизации. Сегмент данных АТSС состоит

из 207

битов пакета перемешанных данных. После решетчатого кодирования, сег-

мент из 207 байтов был увеличен до потока в 828 восьмиуровневых симво-

лов. Синхронизация сегмента ATSC - это четыре импульса, которые добав-

ляются к началу каждого сегмента данных и восполняют отсутствие первого

бита (бит синхронизации пакета) исходного MPEG-II пакета данных. Син-

хронизация сегмента появляется через каждые 832 символа

и всегда имеет

вид качающегося импульса с размахом +5 и -5 уровня сигнала (рисунок

5.3).

226

Рис. 5.3. Структура сегмента данных ATSC и позиция сегментной синхронизации

Приемник использует строгую периодичность следования синхроим-

пульсов сегмента, ведь в случае искажения сигнала на входе появляется не-

периодичная последовательность данных, и в этом случае ресивер будет ис-

пользовать собственную синхронизацию, основываясь на ранее полученных

данных. После появления синхроимпульсов на входе, приемник использует

входной сигнал и восстанавливает системную синхронизацию. Из-за высо

кой частоты повторения синхросигналов, большой амплитуды колебаний

уровня сигнала и повышенной продолжительности, сигналы синхронизации

сегментов просты для распознавания приемником. В результате, точное вос-

становление синхронизации возможно при уровне шума и помех значитель-

но больше значений, при которых возможно восстановление данных. Эта до-

вольно устойчивая система синхронизации, наряду с пилот-тоном ATSC,

по-

зволяет ресиверу быстро восстановить синхронизацию при переключении

каналов и других кратковременных потерях сигнала.

В стандарте ATSC сегмент данных аналогичен строке NTSC, а синхро-

низация сегмента - несколько подобна строчной синхронизации NTSC. Од-

нако их продолжительность и частота следования различны. Длина импульса

синхронизации сегмента ATSC составляет 0,37 мс; импульс синхронизации

NTSC – 4,7 мс. Сегмент данных ATSC передается в течение 77,3

мс; строка в

NTSC передается 63,6 мс. Анализ этих параметров показал, что синхрониза-

ция сегмента ATSC более уязвима по сравнено с NTSC. Это сделано, чтобы

максимизировать поток полезной информации и минимизировать время, от-

водимое на синхронизацию. 313 последовательных сегментов данных со-

ставляют поле данных. На рисунке 5.4 показана структура поля данных

стандарта ATSC.

Полевая синхронизация стандарта ATSC - целый

сегмент данных, ко-

торый повторяется один раз в 1 поле (24,2 мс) и примерно аналогичен вер-

тикальному интервалу NTSC. Полевая синхронизация ATSC имеет вид би-

полярных импульсов и также используется приемником, чтобы устранить

повторения сигнала, вызванные плохим (многолучевым) приемом. Это реа-

227

лизовано путем сравнения полученной полевой синхронизации (содержащей

некоторую ошибку) с известной до передачи полевой синхронизацией.

Рис. 5.4. Поле данных ATSC

Полученные в итоге векторы погрешности используются, чтобы выра-

ботать сигнал приемника, поступающий на устройство-корректор (эквалай-

зер), которое убирает повторения сигналов. Подобно сегментным синхроим-

пульсам, значительное колебание уровня сигнала и периодически повто-

ряющаяся природа полевых синхронизаций позволяют успешно восстанав-

ливать их при очень высоком уровне шума и помех (до 0 дБ).

В конце каж-

дого сегмента полевой синхронизации двенадцать конечных символов по-

следнего сегмента данных повторяются дважды, чтобы перезапустить кодер

решетки в приемнике. Помехоустойчивость сегментных и полевых синхро-

низаций делает возможным точное восстановление синхронизации и удале-

ние отраженных сигналов в 8-VSB приемнике, даже если само изображение

(данные) невосполнимо испорчено неудовлетворительными условиями

приема.

Это позволяет фильтру, удаляющему отраженный сигнал, успешно

выполнить свою работу до декодирования основных данных.

Амплитудная модуляция. Далее восьмиуровневый DTV сигнал, с

сигналами синхронизации и сдвигом постоянной составляющей (пилот-

сигналом), модулируется по амплитуде на промежуточную частоту несущего

колебания. При этом создается спектр с двойной боковой полосой относи-

тельно основной несущей частоты (рис. 5.5).

Ширина занимаемой полосы частот этого сигнала слишком широка,

чтобы его можно было передать по стандартному каналу шириной

в 6 МГц.

Однако есть возможность отфильтровать большую часть этого спектра без

повреждения той цифровой информации, которую мы передаем. Из рисунка

5.5 видна высокая степень избыточности двойных боковых полос спектра

амплитудной модуляции. Боковые разных порядков являются просто

уменьшенными копиями центрального спектра, и весь участок нижней боко-

вой полосы является зеркальным отображением верхней

боковой полосы.

228

Это дает возможность, не использовать почти всю нижнюю боковую полосу

и все гармоники в верхней боковой полосе.

Рис. 5.5. Двухсторонний спектр, полученный в результате амплитудной модуляции

исходного сигнала

Оставшийся сигнал (верхняя половина центрального спектра) может

быть урезан на половину на основании теоремы Найквиста, из которой сле-

дует, что необходима только половина ширины полосы частот, чтобы пере-

дать цифровой сигнал на заданной частоте следования данных. Фильтрация

боковых полос спектра сигнала осуществляется с помощью фильтра Найк-

виста.

Фильтр Найквиста. В результате добавочных данных, добавленных к

потоку аудиовизуальной информации для непосредственного исправления

ошибок, а также вставок синхронизации, скорость передачи данных увели-

чилась с 19,39 Мбит /с на входе возбудителя и до 32,28 Мбит/с на выходе

кодера решетки. Так как 3 бита передаются в каждом символе, то при восьми

уровнях 8-VSB результирующая скорость передачи данных

- 32МБ/3 = 10,76

миллиона символов в секунду. На основании теоремы Найквиста известно,

что 10,76 миллиона символов в секунду могут быть переданы в канале с час-

тично подавленной боковой полосой (vestigial sideband signal - VSB) с ми-

нимальной шириной полосы частот 1/2 · 10,76 МГц = 5,38 МГц. Так как

имеющаяся полоса пропускания канала 6 МГц, то в результате имеется даже

небольшой запас. Эта избыточная

ширина полосы частот (обозначаемая

"Альфой"-«α») составляет 11,5 % для системы ATSC 8-VSB. То есть 5,38

МГц (минимальная ширина полосы частот по теореме Найквиста) + 620 кГц

(ширина свободной части полосы частот-11.5 %) = 6,00 МГц (используемая в

настоящее время ширина канала). Чем выше используемый альфа-фактор,

тем проще аппаратная реализация, снижаются требования к фильтрам и точ-

ности синхронизации. Результирующая

частотная характеристика после

229

фильтра Найквиста, показана на рисунке 5.6. Хорошо заметен пилот-сигнал

у нижней границы канала. Более низкая боковая полоса (ниже частоты пилот

-сигнала) почти полностью удалена.

Рис. 5.6. Высокочастотный спектр 8-VSB

Это искусственное устранение более низкой боковой полосы, наряду с

узкополосной фильтрацией верхней боковой полосы, создает очень сущест-

венные изменения в итоговом высокочастотном сигнале, который и переда-

ется. Огибающая 8-VSB подвергается преобразованию и теряет четкость,

почти полностью исчезает ступенчатая восьмиуровневая структура, которая

имелась перед фильтрацией. Сигнал принимает вид, представленный на ри-

сунке 5.7.

При

этом передача 8-VSB осуществляется без потерь, так как инфор-

мация распознается в определенный момент времени на основе осуществле-

ния выборки в приемнике. В другие моменты времени, амплитуда импульса

не имеет значения.

Если узкополосная частотная фильтрация выполнена правильно, со-

гласно теореме Найквиста, результирующая последовательность импульсов

будет ортогональный. Это значит, что в каждый

определенный момент осу-

ществления выборки, только один символ будет определять конечную фор-

му волны огибающей; все предшествующие и последующие импульсы в этот

конкретный момент будут проходить нулевое значение амплитуды. Таким

образом, когда ресивер будет декодировать полученный сигнал, результи-

рующее напряжение будет соответствовать текущей амплитуде входного

сигнала (одному из восьми возможных уровней

Ненулевые значения гармоник (между временами выборки) от множе-

ства символов могут составлять в целом очень большие напряжения сигнала.

В результате получается довольно характерный сигнал, несколько похожий

230

на белый шум(рис. 5.8).

Рис. 5.7. Огибающая сигнала после фильтра Найквиста: верхний рисунок – сигнал до

фильтра Найквиста, нижний – после фильтра

Пик-фактор такого сигнала может достигать 12 дБ, хотя трансмиттер и

может ограничить это значение до 6 - 7 дБ с минимальными потерями. Чер-

ные области представляют текущую осциллограмму сигнала; серые области

показывают сохраненные значения всех прошлых значений.

Рис. 5.8. Вид сигнала 8-VSB на выходе кодера