/
Author: Кривошеев М.И. Зубарев Ю.Б. Красносельский И.Н.
Tags: электротехника цифровая обработка сигналов информационные технологии цифровая электроника цифровая обработка
ISBN: 5-88230-055-X
Year: 2001
Text
Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев, И.Н.Красносельский
ЦИФРОВОЕ
ТЕЛЕВИЗИОННОЕ
ВЕЩАНИЕ
основы | методы | системы
Москва 2001
НИИР—
УДК 621.37/.39
Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев, И.Н.Красносельский.
Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы. —
М.: Научно-исследовательский институт радио (НИИР), 2001.
— 568 с.: ил.
В книге показана ключевая роль технологии цифровой пере-
дачи сигналов изображения, звука и данных в глобальной ин-
формационной инфраструктуре. Подчеркнуты экономические
выгоды для вещателей, операторов связи и промышленности
при внедрении цифрового ТВ вещания. Впервые системати-
чески изложен признанный в международном масштабе фун-
даментальный вклад России в развитие цифрового ТВ веща-
ния.
ISBN 5-88230-055-Х
© Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев, И.Н.Красносельский
Предисловие
Телевизионное вещание является одним из самых распространен-
ных средств информационного обслуживания и находит широкое при-
менение в различных сферах деятельности общества. Известно, что
сегодня происходит слияние средств вещания, телекоммуникаций и ком-
пьютерных технологий в целях интеграции служб в глобальном ин-
формационном пространстве. Радикальным способом на пути достиже-
ния этих целей является переход вещания от аналоговых к цифровым
методам формирования и передачи сигналов.
Применение цифровых методов позволяет устранить многие недо-
статки аналоговых систем вещания, в том числе искажения сигналов
при их формировании, обработке и передаче, накапливающиеся с уве-
личением числа преобразований, переприемов и перезаписей. Разрабо-
танные эффективные методы сжатия данных и цифровой модуляции
обеспечили возможность многопрограммного ТВ вещания, при кото-
ром по одному каналу вместо традиционной передачи сигнала одной
программы можно передавать сигналы нескольких вещательных про-
грамм, включая и ТВЧ. Одновременно открывается возможность предо-
ставления телематических, интерактивных, мультимедийных и других
услуг, в том числе электронной кинематографии, а также пользования
различными информационными службами, в частности Интернетом.
Данная монография посвящена анализу и систематизации комплек-
са важных, в том числе международных проблем создания интерактив-
ного цифрового ТВ вещания и связанных с ними методов кодирования,
формирования, преобразования, передачи и приема объединенных циф-
ровых потоков в различных системах вещания.
Материалы монографии сгруппированы в трех частях, в которых
рассматриваются:
теоретические основы передачи информации в системах цифрово-
го вещания;
международная стандартизация и реализация цифрового ТВ ве-
щания;
принципы построения и особенности внедрения систем цифрово-
го ТВ вещания.
В первой части изложены основы теории цифровой передачи инфор-
мации применительно к задачам цифрового ТВ вещания, включая обоб-
щенную модель системы, оценку качества приема сигналов, методы
согласования сигналов с каналами, методы корректирующего кодиро-
вания и модуляции, вопросы эффективности и помехоустойчивости си-
стем передачи.
Во второй части систематизирован признанный в мировом масшта-
бе фундаментальный вклад России в развитие цифрового ТВ вещания.
Авторы, в течение ряда лет непосредственно участвуя в разработке
4
Предисловие
Рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ), сочли необ-
ходимым включить во вторую часть главу с изложением наиболее важ-
ных аспектов данной проблемы и на конкретных примерах показать
вклад России в прогресс международной стандартизации систем цифро-
вого ТВ вещания, в том числе ТВЧ. Учитывая, что системы цифрового
ТВ вещания базируются на стандарте MPEG-2, приведены основные по-
ложения этого стандарта, касающиеся методов структурирования, муль-
типлексирования и транспортировки цифровых потоков, а также пере-
дачи сервисной информации. Подробно освещены вопросы вещания
данных и ограничения доступа к ним.
В третьей части на основе глобального подхода и анализа эталонной
модели изложены принципы построения и основные параметры назем-
ных, спутниковых и кабельных цифровых систем, дана концепция до-
машней мультимедийной платформы. Обобщен международный опыт
планирования, стратегии внедрения, испытаний и сравнения характе-
ристик различных систем цифрового вещания. Рассмотрены современ-
ные подходы к построению интерактивных систем, абонентских терми-
налов и приставок. Изложена концепция внедрения этих систем в
России.
В приложениях к монографии даны перечни действующих Рекомен-
даций МСЭ и европейских стандартов цифрового ТВ вещания. Приве-
дены основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ
вещания в России, разработанного авторами применительно к созда-
нию и испытаниям отечественных опытных зон цифрового ТВ веща-
ния.
Область цифрового ТВ вещания развивается быстрыми темпами.
Буквально каждый месяц высказываются новые идеи, сообщается о
разработке новых устройств и стандартов. Даже на этапе редактирова-
ния рукописи авторы стремились, насколько возможно, учесть и отра-
зить последние достижения.
Настоящее издание может быть полезным для понимания и реше-
ния современных проблем внедрения цифрового ТВ вещания, изуче-
ния методологии международной стандартизации в этой области. Оно
предназначено для широкого круга специалистов в области телевиде-
ния, вещания, связи и информационных служб, аспирантов и студен-
тов учебных заведений радиотехнического профиля и всех интересую-
щихся перспективными системами вещания.
Изложенные материалы могут оказать большую практическую по-
мощь при внедрении цифрового ТВ вещания, а также в создании но-
вых служб и технологий интерактивного цифрового вещания. С уче-
том результатов международной стандартизации в этой области переход
к цифровым методам явится стимулом для промышленности, разра-
батывающей и выпускающей аппаратуру ТВ вещания нового поколе-
ния: от средств подготовки программ до ТВ приемников.
Монография написана коллективом авторов, работающих в НИИР
Министерства Российской Федерации по связи и информации, и высы-
лается почтой. Заказы направлять по адресу: 103064, Москва, ул. Ка-
закова, 16.
I. Теоретические основы передачи
информации в системах цифрового
ТВ вещания
1. Введение в цифровые методы передачи
информации
1.1. Обобщенная модель цифровой системы передачи
информации
Обобщенная модель цифровой системы передачи (ЦСП) информа-
ции включает три фундаментальных процесса: кодирование-декодиро-
вание источника, кодирование-декодирование канала, модуляция-демо-
дуляция при передаче по каналу. Структурная схема модели ЦСП
показана на рис. 1.1. На передающей стороне все виды обработки ин-
формационных сообщений служат цели преобразования их в сигналы,
наиболее подходящие для передачи по каналу конкретного типа. На
приемной стороне производятся обратные операции, направленные на
восстановление информации в исходном виде с минимально возможны-
ми ее искажениями. При этом следует иметь ввиду, что искажения
информации могут быть обусловлены либо неидеальностью процессов
ее прямого-обратного преобразования, либо неидеальностью характе-
ристик тракта, включая воздействие помех.
Процесс кодирования источника имеет своей главной целью сокра-
щение объема передаваемой информации, т.е. снижение требований к
таким ресурсам системы, как время передачи, полоса пропускания,
объем памяти при обработке или при хранении информации. Если ин-
формация имеет аналоговую природу, то кодирование источника пре-
дусматривает, во-первых, аналогово-цифровое преобразование и, во-вто-
рых, собственно сжатие данных.
Кодирование канала используется для исправления ошибок, возни-
кающих при приеме цифрового сигнала из-за действия различных по-
мех и искажений. В общем случае, кодирование канала может быть
реализовано либо с использованием перезапросов искаженных блоков
информации, либо путем прямой коррекции ошибок при использова-
нии специальных кодов. В трактах вещания информации программ-
ных служб применяется только прямое исправление ошибок, а в об-
ратных каналах интерактивных систем, особенно в телефонных каналах,
возможно комбинированное применение обоих методов. В любом слу-
6
1. Введение в цифровые методы передачи информации
Рис. 1.1 Структурная схема обобщенной модели ЦСП
чае кодирование канала приводит к увеличению объема передаваемых
данных, так как алгоритмы обнаружения и исправления ошибок тре-
буют добавления специальных служебных символов, а повторы пере-
запрошенных блоков непосредственно увеличивают время передачи.
Модуляция используется для преобразования сигналов, представлен-
ных в основной (исходной) полосе частот, в радиосигналы заданной
полосы частот, что обеспечивает возможность их передачи по конкрет-
ному физическому каналу. Дополнительным свойством сложных видов
модуляции является более плотная упаковка данных в частотной обла-
сти, когда на единицу полосы приходится больше передаваемой инфор-
мации.
Оптимальный выбор методов организации этих трех фундаменталь-
ных процессов и их параметров задает эффективность ЦСП, т.е. сте-
пень использования пропускной способности канала, определяемой из-
вестной теоремой Шеннона [1].
На первом этапе ЦСП создавались на базе действующих аналоговых
систем, а кодеки источника, кодеки канала и модемы разрабатывались
независимо друг от друга с разносом во времени. Тем самым задача
1.1. Обобщенная модель цифровой системы передачи информации
7
оптимизации решалась отдельно для модемов и отдельно для кодеков с
необходимостью последующего согласования этих устройств с целью
получения требуемой эффективности ЦСП в целом [2]. С точки зрения
практики такое разделение представлялось целесообразным, так как
позволяло проектировать кодеки канала независимо от свойств источ-
ника и получателя, с одной стороны, и системы передачи сигналов по
каналу, с другой стороны. Однако последующие достижения теории
информации и технологии цифровой связи привели к осознанию прин-
ципа дуальности между кодированием источников и кодированием кана-
лов, согласно которому кодер источника работает подобно декодеру ка-
нала, а декодер источника — кодеру канала [3].
Практическое воплощение принципа дуальности означало переход
ко второму этапу развития ЦСП — совместной оптимизации кодеков
источника и кодеков канала. Одновременно велись исследования по со-
вместной оптимизации модемов и кодеков канала. В настоящее время
наступил третий этап разработки новейших ЦСП, когда одновременно
проектируется вся система, а ее основные подсистемы оптимизируются
как единое целое. В современных ЦСП прослеживается тенденция к
слиянию модема и кодека, т.е. к наилучшему согласованию источника
сообщений с непрерывным каналом связи. Иными словами, если кодек
оптимизирует передачу сообщений по дискретному каналу, а модем
производит формирование и передачу сигналов по непрерывному кана-
лу, то их совместные действия адекватны реализации идеи приема сиг-
нала "в целом", т.е. оптимизации процессов преобразования сообще-
ний в сигнал и обратно [2].
В цифровых системах передачи процесс модуляции-демодуляции
можно рассматривать как способ преобразования кода в сигнал и об-
ратно. Конкретный метод модуляции выбирается, исходя из особенно-
стей построения системы, требуемой скорости передачи по предостав-
ленному каналу, заданной верности приема (включая возможности
системы защиты от ошибок) и пр. Таким образом, постановка пробле-
мы совместной оптимизации модема и кодека направлена на решение
одной важной задачи — наилучшего согласования сигнала с характе-
ристиками канала. При поиске оптимального варианта согласования
чаще всего останавливаются на выборе одного из двух критериев [2]:
— высокой спектральной эффективности, т.е. передачи с высокой
скоростью в узкой полосе;
высокой энергетической эффективности, т.е. передачи с низким
отношением несущая/шум и с максимальным занятием всей дос-
тупной полосы.
В первом случае применяют плотные созвездия сигналов (например,
модуляция 64-КАМ или 16-КАМ) совместно с малоизбыточными кода-
ми, исправляющими ошибки. Во втором случае используются разре-
женные созвездия (4-ОФМ) совместно с высокоизбыточными корректи-
рующими кодами. С учетом реальных ограничений на допустимую
полосу канала и достижимое отношение несущая/шум выбирается не-
8
1. Введение в цифровые методы передачи информации
обходимый компромисс между спектральной и энергетической эффек-
тивностями.
В последующих главах будут показаны теоретические пути и прак-
тически реализуемые методы цифровой передачи информации в систе-
мах цифрового телевизионного вещания.
1.2. Шум и другие факторы, влияющие на качество
принимаемого сигнала (верность принимаемой информации)
1.2.1. Факторы, влияющие на качество принимаемого сигнала
При приеме цифрового сигнала и декодировании переданной инфор-
мации неизбежно возникают ошибки в отдельных битах или в более
обширных фрагментах цифрового потока. В хорошо спроектирован-
ной и работающей системе передачи ошибки возникают крайне редко.
В противном случае они могут существенно исказить принятое сообще-
ние или вовсе сделать невозможным его использование. Существует
достаточно много факторов, каждый из которых может привести к
возникновению ошибок в декодированном сигнале. Но чаще всего ошиб-
ки вызывает совокупность факторов при том, что отдельно взятые фак-
торы не носят доминирующего характера.
Основные категории искажений в системе и конкретные факторы,
их порождающие, приведены в табл. 1.1.
Все указанные искажения и факторы так или иначе пересчитывают-
ся в эквивалентное случайное изменение уровня принимаемого сигнала
в точке решения, т.е. в снижение отношения сигнал/шум [4].
Таблица 1.1. Факторы, вызывающие искажения и ошибки
Категория искажений Влияющие факторы Место возникновения
Искажения формы сигнала в виде межсимвольных и квадратурных искажений Переходная характеристика Модулятор
Шаблон формы АЧХ и ФЧХ Формирующий фильтр
Линейные искажения Канал связи, приемник, корректор
Ограничение полосы Канал связи, приемник
Фазовые ошибки несущей Нестабильность частоты Модулятор, демодулятор
Неточность квадратуры Модулятор, демодулятор
Ошибки при восстановлении несущей Демодулятор
Дрейф пороговых уровней решающего устройства Дрейф выходного сигнала демодулятора Демодулятор
Дрейф опорного источника Решающее устройство
Неточность установки зоны решения Решающее устройство
Шум Тепловой шум Входные каскады радиоприемника
1.2. Шум и другие факторы, влияющие на качество принимаемого сигнала
9
Продолжение табл. 1.1
Шум Шум устройств синхронизации Шум задающих генераторов или синтезаторов передатчика и приемника, фазовый джиттер восстановленных несущей и тактов
Помехи Индустриальные помехи Внешние источники в канале связи, побочный прием
Эхо-сигналы Многолучевое отражение, несогласованность кабельных линий
Сигналы других радиопередающих средств Передатчики совмещенного канала, внеполосные излучения, побочный прием
Анализ воздействия шумов и помех на передаваемый сигнал, а так-
же методы борьбы с помехами относятся к стержневым вопросам тео-
рии и техники передачи информации. Поэтому приведем основные све-
дения, характеризующие свойства шумов.
1.2.2. Шум и его описание
Для описания свойств шума обычно используют такие понятия тео-
рии вероятностей, как распределение вероятности и плотность вероят-
ности [5]. Интегральная функция распределения вероятностей
F (V ) =Р К < V }
(1-1)
характеризует вероятность того, что мгновенное значение случайной
величины Е, (в данном конкретном случае — шумового напряжения)
меньше некоторого порогового уровня V. Вероятность того, что напря-
жение шума не выходит за пределы некоторого интервала между уров-
нями VI и V2, равна разности (интегральных функций распределения
для верхнего и нижнего пределов
Р {VI < Е> < V2 } = F (V2 ) — F (VI ).
(1.2)
Производная от интегральной функции распределения называется
плотностью вероятности непрерывной случайной величины
р (V ) =dF (V )/dV.
(1.3)
По смыслу она равна отношению вероятности попадания случайной
величины внутрь узкого интервала (V, V+AV) к длине этого интервала
AV и имеет размерность 1/У.
Вероятность нахождения случайной величины внутри интервала (VI,
V2 ) может быть выражена через плотность вероятности как
V2
Piyi<i<V2}=\p^dV. (1.4)
VI
1 о
1. Введение в цифровые методы передачи информации
Численно (1.4) равна площади под кривой плотности распределения
на интервале (VI, V2 ).
Для исчерпывающего описания свойств случайного шума необходимо
также знать его характеристики в частотной и временной областях. Во
временной области для этого используется функция автокорреляции B(t),
отражающая степень последействия, т.е. вероятностную связь между
значениями шумового сигнала в любые два момента времени [6, 7]:
т2Т
Спектр шума случайного процесса
2 °°
G(a>) = — f B(t)cos((ot) dr.
7Т J
О
(1.5)
(1.6)
По существу спектр случайного процесса G(tt>) есть средняя спект-
ральная плотность мощности.
Поскольку в большинстве случаев шумовой сигнал не ограничен во
времени, то для него не существует энергетического спектра во време-
ни (спектра Фурье). В качестве адекватной характеристики использу-
ют спектр мощности или спектральную плотность, т.е. спектр мощнос-
ти на сопротивлении нагрузки в 10м [7].
1.2.3. Белый шум
Среди всех источников шума наиболее распространенным на прак-
тике и наиболее широко используемым в качестве модели случайного
процесса является шум, описываемый нормальным (гауссовским) рас-
пределением. Такой шум возникает в результате одновременного воз-
действия многих независимых случайных источников. Нормальное рас-
пределение отражает положения центральной предельной теоремы
теории вероятностей, согласно которой случайная величина х, полу-
ченная суммированием статистически независимых случайных вели-
чин х2,..., хп с произвольными плотностями, имеет плотность, при-
ближающуюся к нормальной, если п стремится к бесконечности.
Типичным примером шума с нормальной плотностью является тепловой
шум, обусловленный броуновским движением электронов в проводнике.
Шум подобного типа принято называть белым шумом [8]. Наибольший
интерес при анализе систем представляет аддитивный белый гауссовский
шум (АБГШ).
Аналитическое выражение для нормальной плотности, в общем слу-
чае, имеет вид
/ \ 1 —~м--
р(х)= -j=C 2а2 ,
<5л/2л
(1.7)
1.2. Шум и другие факторы, влияющие на качество принимаемого сигнала
1 1
где ц — среднее значение;
о — среднеквадратичное отклонение.
Обычно пользуются табулированной плотностью вероятности нор-
мированной случайной величины z = (х-ц)/о с нулевым средним и еди-
ничным среднеквадратичным отклонением
2
-Z
е 2 •
(1.8)
Идеальный белый шум, обладая неограниченным однородным спек-
тром, представляет собой последовательность бесконечно коротких
импульсов, имеющих случайную высоту и следующих друг за другом
через случайные промежутки времени. Для идеального белого шума
мощность шума, приходящаяся на конечную полосу частот, т.е спект-
ральная плотность, бесконечно мала. Для анализа процессов в реаль-
ной области положительных частот используют одностороннюю спект-
ральную плотность No, Вт/Гц. При теоретическом анализе в области
положительных и отрицательных частот используют двустороннюю
спектральную плотность N0/2, Вт/Гц. Очевидно, что в обоих случаях
мощность шума остается одной и той же. Постоянство спектральной
плотности идеального белого шума означает, что в бесконечно широ-
кой полосе частот средняя мощность шума бесконечно велика, т.е. та-
кое свойство является не более, чем математической идеализацией.
Однако практически полоса пропускания системы всегда ограничена,
что автоматически ограничивает и мощность шума в этой полосе. По-
этому значение спектральной плотности за пределами полосы пропус-
кания не влияет на анализируемые параметры сигнала и шума.
Реальный белый шум соответствует идеальному белому шуму, про-
шедшему через фильтр. Он имеет ограниченный спектр, т.е. импульсы
конечной длительности. При ограниченной ширине спектра мощность
реального белого шума в конечной полосе частот также конечна.
Обычно при расчетах мощности N реального белого шума в полосе В
(Гц) используют спектральную плотность мощности No = N/В (Вт/Гц) и
абсолютную температуру источника шума Т (К°), где К° = С° + 273°
[7, 9].
При этом наибольшая мощность шума, которую можно получить от
теплового источника,
N = kTB, (1.9)
где k = 1,38 1023 [Дж/К] — постоянная Больцмана.
Величины NQ и N могут быть выражены в децибелах
N = -228,6 + 10 logT + 10 logB дБ(Вт), (1.10)
12
1. Введение в цифровые методы передачи информации
No = -228,6 +10 logT дБ(Вт/Гц).
(1.11)
1.2.4. Рэлеевский шум
Рэлеевским называется шум, плотность вероятности которого опи-
сывается распределением Рэлея,
х
= х>0,
G
(Ы2)
а функция распределения имеет вид
F(x) = l-e 2о-, л >0 .
(1.13)
Рэлеевский шум — это узкополосный шум. Его физической интер-
претацией является синусоидальная несущая с частотой, равной сред-
ней частоте полосы пропускания, и модулированная по амплитуде низ-
кочастотным узкополосным шумовым напряжением положительной
полярности. Это модулирующее напряжение соответствует напряже-
нию на выходе линейного детектора, на вход которого подан узкопо-
лосный гауссовский шум с высоким уровнем [7].
Рэлеевский шум отражает физические процессы в узкополосных си-
стемах, в частности, в приемной аппаратуре, в которой используется
линейный детектор.
По сравнению с гауссовским шумом рэлеевский имеет более чем на
2 дБ меньший пик-фактор, т.е пиковое напряжение, превышаемое в
течение 0,01% времени (9,64 дБ против 11,80 дБ).
1.2.5. Импульсный шум
Импульсный шум — это последовательность импульсов произволь-
ной длительности и амплитуды, следующих друг за другом через слу-
чайные промежутки времени. Отличие импульсного шума от непрерыв-
ного в том, что длительность импульсов импульсного шума значительно
меньше промежутков между ними, поэтому появление каждого импульса
рассматривается как независимое событие. Число независимо возника-
ющих импульсов в течение любого промежутка времени подчиняется
пуассоновскому распределению
Р (п)=(уТ )neVT/nl,
(1-14)
где Р (п) — вероятность появления равна п импульсов за время Т;
v — среднее число импульсов в единицу времени.
Прохождение импульсного шума через полосовую цепь приводит к
размытию импульсов, т.е. к расширению импульсов и слиянию их в
1.2. Шум и другие факторы, влияющие на качество принимаемого сигнала
13
непрерывный шум. Но значение пикового уровня шума при этом про-
порционально ширине полосы пропускания, а значение среднего уров-
ня — корню квадратному из полосы [7].
1.2.6. Шумовая полоса четырехполюсника
При измерении шумовых и вероятностных характеристик радиопри-
емных устройств, анализе и моделировании параметров трактов сис-
тем передачи информации важное значение имеет определение шумо-
вой полосы устройства, а тем самым мощности и структуры шума,
воздействующего на полезный сигнал.
В большинстве практических случаев интерес представляет мощ-
ность шума, действующего на выходе некоторого эквивалентного че-
тырехполюсника, характеристики которого отображают последователь-
ное соединение нескольких устройств или звеньев реальной цепи. Если
коэффициент передачи такого четырехполюсника имеет максимальное
значение Ко на некоторой частоте w0, то область частот (21?^)эфф в окре-
стности w , определяемую из соотношения
(2А<0).и|4
КЦсо)
К.,
(1-15)
называют эффективной полосой пропускания четырехполюсника.
Определение эффективной полосы пропускания четырехполюсника
показано графически на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Шумовая полоса четырехполюсника
1 4
1. Введение в цифровые методы передачи информации
Эффективная (шумовая) полоса численно равна основанию прямоу-
гольника, площадь которого равна площади под кривой К2(а>) в облас-
ти а» О, а высотой является К(}. Поэтому можно записать:
ср.вых
2N К2(2Да>)
О 0 х 7эфф
(1.16)
Выражение для Р р можно записать в виде [10]
со со
= JJ NKUX(f)df ,
(1.17)
ГДе ) = 2лЛГвЫх(®)-
Если спектральная плотность шума на входе постоянна, т.е.
N (f) = N=o2
bxxi ' 0 0
(1.18)
или
W (со) = N (f )/2л = N /2 л = о2 /2л,
вхх 7 Bxxf 7/ О' О'’
то с учетом равенства (24/) = (2Да>) /2л и
(1.19)
получаем
ср.вых
)эфф “ 9 j
2Л *
(1.20)
2NпК22тг (24/ ) ,, =
0 0 х * 7эфф
4лЛГ,Д2(24/) ,,. (1.21)
0 0х • 7эфф х 7
1.3. Отношение сигнал/шум и вероятность ошибки при приеме
цифровой информации
1.3.1. Отношение сигнала к шуму
При анализе процессов в системах передачи информации использу-
ется несколько близких показателей, характеризующих энергетичес-
кие соотношения между сигналом и шумом.
Отношение сигнал/шум может быть выражено:
1) отношением пикового значения сигнала к среднеквадратическо-
му уровню напряжения шума V/q;
2) отношением пиковой или средней мощности сигнала к средне-
1.3. Отношение сигнал/шум и вероятность ошибки при приеме цифровой информации 1 5
квадратической мощности шума S/N (при определении полосы,
в которой измеряется шум);
• в полосе скорости передачи сигнала 1/Ть, где Ть — тактовый
интервал;
• в полосе Найквиста равной 1/2 Ть при передаче в основной поло-
се частот, и 1/Ть — при передаче в полосе частот радиоканала;
3) отношением энергии, приходящейся на один бит передаваемого
сигнала, к спектральной плотности шума Eb/NQ.
В цифровых системах передачи, особенно при сравнении различных
методов исправления ошибок, принято использовать нормированное
отношение средней энергии на бит информации к спектральной плот-
ности мощности шума Eb/NQ. Это отношение удобно тем, что в нем не
фигурируют абсолютные значения полосы частот и длительности так-
тового интервала [11]. Спектральная плотность мощности шума N имеет
размерность энергии, поэтому с ней следует сравнивать энергию сигна-
ла Е, а не среднюю мощность S.
Учитывая, что Е = ST0, N = NQB, где TQ — время передачи сигнала,
В — полоса фильтра, получаем соотношение между двумя показателя-
ми
E/No = SBT0/N = BT0S/N. (1.22)
Величина ВТ0 называется базой сигнала и в данном случае является
коэффициентом пересчета отношения энергий сигнала и шума в отно-
шение их средних мощностей.
Очевидно, что средняя энергия одного символа информации Es = STs,
где Ts — тактовый интервал символа. Тогда отношение энергий символа
сигнала и шума связано со средним за длительность символа отношени-
ем мощностей символа и шума выражением
EjNn = SBTjN = BT„S/N. (1.23)
о и О О х '
При передаче двоичных сигналов Es = Еь, в противном случае
Es = Eblog2L, (1.24)
где L — число уровней.
При передаче многоуровневых импульсов в основной полосе, совпадаю-
щей с полосой Найквиста BN = 1/2Ть, мощность символа S = (E^/T^Jlo^L,
а мощность шума равна N = N0(l/2Tb).
Следовательно,
A = 2(log2L)^-. (1.25)
1 6
1. Введение в цифровые методы передачи информации
Среди показателей, характеризующих отношение мощностей, широ-
ко используется также отношение несущая/шум С/N, которое показы-
вает, во сколько раз мощность С принимаемой модулированной радио-
частотной несущей на выходе приемного фильтра с полосой Найквиста
больше мощности N шума, порождаемого совместным действием всех
источников шума данного тракта [9]. Отношение С/N является удоб-
ным параметром при расчетах энергетики на входе радиоприемника, в
РЧ и ПЧ каскадах демодулятора.
Оба коэффициента соотносятся как [12]:
Eb/N, (дБ) = С/TV (дБ) + 10log
Шумовая полоса (Гц)
Скорость битов (бит/с)
(1.26)
Для систем с модуляцией М-КАМ величина Eh/NQ может быть заме-
нена отношением мощностей S/N на входе решающего устройства при-
емника (после фильтра Найквиста) по формуле перехода [13]:
-З-(дБ) = ^(дБ) +1OlogJ^^
Р N I
' W ;v() 1-Г1Л
(1-27)
где Ps — средняя мощность модулированной несущей М-КАМ;
PN — среднеквадратичное значение мощности белого шума на вы-
ходе фильтра Найквиста с полосой BW = ВА(1+ос) и коэффициентом
скругления спектра а;
Ао — односторонняя спектральная плотность мощности АБГШ;
М — число элементов пространства сигналов при цифровой моду-
ляции.
1.3.2. Вероятность ошибки при приеме сигналов
Помехоустойчивость цифровых систем передачи оценивается отно-
шением сигнал/ шум, необходимым для получения некоторой заданной
вероятности ошибки. Практический интерес представляет значение от-
ношения сигнал/шум на входе решающего устройства, т.е. именно того
узла, работа которого вызывает появление ошибочных битов. Хотя в
современных системах применяются сложные методы амплитудно-фа-
зовой модуляции, но реально решение принимается о соотношении меж-
ду уровнем демодулированного импульса и порогом. Поэтому поясним
механизм возникновения ошибок на простой модели двоичного бипо-
лярного сигнала с нулевым пороговым уровнем. В случае многоуровне-
вых импульсов аналогичная картина будет характеризовать случай раз-
личения двух смежных уровней относительно порога, проходящего
между ними.
На рис. 1.3 показана модель приемника-решающего устройства, а
на рис. 1.4 двоичный сигнал со значащими уровнями А и В, которые
искажены действием аддитивного шума. В предположении, что шум
1.3. Отношение сигнал/шум и вероятность ошибки при приеме цифровой информации
17
'W ЛА/
АБГШ
Рис. 1.3. Модель приемника-решающего устройства
Рис. 1.4. Положение порога решения об уровне импульса, искаженного шумом
одинаково воздействует на оба уровня, справа от импульса показаны
одинаковые кривые гауссовского распределения, центрированные от-
носительно уровней А и В. Размах сигнала, т.е. расстояние между уров-
нями, равен V, Ошибка в решении об уровне импульса возникает при
превышении шумом порогового уровня, отстоящего от номинальных
сигнальных уровней на значение V/2. На возникновение ошибки ока-
зывают влияние импульсы шума, имеющие полярность противополож-
ную полярности сигнала. Так как гауссовское распределение не имеет
1 8
1. Введение в цифровые методы передачи информации
ограничения по оси абсцисс, то всегда существует вероятность случай-
ного события, состоящего в превышении шумом порога У/2.
Вероятность ошибки определяется известным выражением [14]
Ре = Р (A/В )Р (В) + Р (В/А)Р (А).
(1.28)
Исходя из симметрии распределений шума и равновероятности по-
явления уровней А и В, положим Р (А/В )=Р (В/A) и Р (В )=Р (А)=1/2.
Тогда вероятность ошибки
оо
Р=Р(А/В) = J p(x)dx.
V/2
(1.29)
Рис. 1.5. Вероятность ошибки биполярного сигнала в зависимости от отношения
размаха сигнала к среднеквадратическому напряжению шума
1.3. Отношение сигнал/шум и вероятность ошибки при приеме цифровой информации
19
Подставляя в (1.29) плотность вероятности напряжения нормаль-
ной флуктуационной помехи
z х 1
Р (X ) — г-
<7л/27Г
(1.30)
где s — эффективное значение переменной составляющей помехи,
среднее значение которой равно нулю, получаем
Ре
(1.31)
Выражение (1.31) показывает, что при фиксированном значении s
вероятность ошибки зависит только от расстояниями между уровнями
V, независимо от того, ведется передача однополярным сигналом (0, V )
или биполярными сигналами (+V/2, -V/2). В более широком смысле
выражение (1.31) зависит от отношения размаха сигнала к среднеквад-
ратическому (эффективному) значению напряжения шума V/s. Графи-
ческая зависимость V/в показана на рис. 1.5.
1.3.3. Преобразования функций ошибок и интегралов вероятностей
В литературе по теории вероятностей и в прикладных работах по
помехоустойчивости цифровых систем передачи используется несколь-
ко различных интегральных форм нормального распределения. При
этом одни и те же функции могут обозначаться по разному, и, напро-
тив, одинаковые обозначения могут применяться для разных функ-
ций. Поэтому следует обращать оробое внимание на математическое
выражение функции и при необходимости пользоваться соответствую-
щими формулами перехода от одной формы к другой. Ниже даны опре-
деления часто встречающихся вероятностных интегральных форм, а в
табл. 1.2 приведены формулы перехода.
Таблица 1.2. Формулы перехода
Функция erf z erfc z P*(z) F(z)
erf z erf z 1 -erfc(z) 2Ф0(^2 xz) F(a/2 xz)
erfcz 1 -erf(z) erfc z 1 - 2O0(V2 xz) 1- F(V2xZ)
0,5erf(z/\'2) ®o(z) 0,5F(z)
P*(z) 0,5(1- erf(z/V2)) 0,5erfc(z/V2) О,5-Фо(г) P*(z)
F(z) erf(z/\'2) 1 - erf(z/^2) 2Ф0(г) F(z)
20
1. Введение в цифровые методы передачи информации
Определения вероятностных интегральных форм [15, 16]:
Интеграл вероятностей (функция Лапласа, функция Крампа, интег-
рал ошибок)
erf z =
(1.32)
Дополнительный интеграл вероятностей
erfc z = 1 - erf z =
оо
Г ~t2
J е dt •
z
(1.33)
Интеграл Лапласа-Гаусса
2 dt •
(1-34)
Интеграл ошибок
1 оо Г
P\z) = ^=\e~^dt-
л/2л ,
(1.35)
Функции нормального распределения
(1.36)
(1-37)
Взаимосвязь Р *(z) и F0(z)
(1.38)
но
(1.39)
1.4. Пропускная способность канала
21
2 л
z t2
je 2 dt = <Z>0(z).
о
Следовательно,
Р *(г) = 0,5 - F0(z).
Учтем, что
erf(z) = 20o(V2z) ,
erfc(z) = l-20o(V2z)-
Тогда
P(z) = 0,5 I —erf
z
/2
= 0,5erfc —.
V2
(1.40)
(1.41)
(1.42)
(1.43)
(1-44)
Применяется также нормальная функция распределения
1 г
F(z) = -7=Je 2A = l-P*(z) = O,5 + 0o(z).
Формула перехода к функции ошибок:
erf(z) = 2F(V2z)-l.
(1.45)
(1.46)
1.4. Пропускная способность канала
В теории передачи информации и цифровой связи исключительно
важное значение имеет формула, связывающая максимальную скорость
передачи информации С в полосе канала W с отношением сигнал/шум
P/N [1]:
C = Wlog2
, бит/с.
(1.47)
Выражение (1.47), известное как формула Шеннона, определяет про-
пускную способность частотно-ограниченного непрерывного канала с
22
1. Введение в цифровые методы передачи информации
аддитивным белым гауссовским шумом при ограничении средней мощ-
ности передаваемого сигнала значением Р.
Условие непрерывности канала подразумевает, что число возмож-
ных уровней ансамбля передаваемых сигналов бесконечно велико, т.е.
сигнал имеет свойства шума. Передача сигнала должна производиться
с использованием корректирующего кодирования либо в основной по-
лосе, либо с помощью однополосной модуляции [11]. В качестве эле-
ментов сигнала можно использовать, в общем случае, любую функцию
времени, ограниченную по спектру полосой частот W, Гц. Этому усло-
вию удовлетворяет, в частности, функция вида sin(x)/x.
Пропускная способность в канале с шумом имеет конечное значение
только при ограничении мощности передатчика. В канале без шума
или в канале с шумами, но без ограничения мощности передатчика
отношение сигнал/шум и соответственно пропускная способность, как
следует из (1.47), стремятся к бесконечности.
При проектировании и анализе цифровых систем передачи наиболь-
ший интерес представляет пропускная способность, отнесенная к еди-
нице полосы частот
бит/(сТц).
(1.48)
Формула (1.48) имеет смысл максимальной удельной скорости пере-
дачи и применяется при оценке эффективности систем связи. График
удельной скорости в непрерывном канале с АБГШ в зависимости от
отношения сигнал, шум (1.48) при выборе вида модуляции, обеспечи-
вающего передачу п = 2WT символов в полосе W за время Т, показан
на рис. 1.6. Фактически он определяет идеальную верхнюю границу, к
которой стремятся приблизиться, оптимизируя те или иные парамет-
ры цифровых систем.
В реальных системах передаваемые сигналы имееют конечное число
значащих позиций, поэтому при их анализе используется модель не
непрерывного, а дискретного канала с шумом. Пропускная способность
дискретного канала аналитически выражается через матрицу переход-
ных вероятностей между состояниями передаваемых и принимаемых
сигналов, и при числе позиций больше двух соответствующие форму-
лы достаточно сложные. На рис. 1.6 показаны также зависимости удель-
ной скорости от отношения сигнал/шум для систем с различным чис-
лом значащих позиций (уровней) [17].
В дискретных каналах, каковыми являются реальные каналы циф-
ровых систем, с ростом отношения сигнал/шум удельная скорость вна-
чале растет тем же темпом, что и в непрерывном канале, но по дости-
жении некоторого порога ее рост резко замедляется, и она фактически
перестает зависеть от отношения сигнал/шум, достигая своего номи-
нального значения, определяемого числом значащих позиций для ка-
нала без шума. Таким образом, представленные графики однозначно
показывают, что в системе с дискретным каналом и фиксированной
1.4. Пропускная способность канала
23
Рис. 1.6. Удельная пропускная способность канала в зависимости от отношения
сигнал/шум
Рис. 1.7. Пропускная способность канала в зависимости от нормированной полосы
пропускания
2 4
1. Введение в цифровые методы передачи информации
полосой частот рост пропускной способности может быть обеспечен толь-
ко путем увеличения числа значащих позиций сигнала. Но это, в свою
очередь, требует либо соответствующего увеличения отношения сиг-
нал шум, что не всегда возможно, либо применения мощных кодов,
исправляющих ошибки, что также имеет свои ограничения. Учет этих
противоречивых требований и поиск компромисса является предметом
оптимизации параметров цифровой системы передачи.
Учитывая, что мощность шума N = NQW , где No — спектральная
плотность мощности шума (энергия в полосе 1 Гц), и полагая, что
мощность шума в полосе WQ равна мощности сигнала Р = NQWQ , при-
ведем (1.48) к виду
С W , f,
— = —log, 1+ —
% w
бит/(сТц).
(1.49)
График пропускной способности, отнесенной к полосе Шо, в зависимос-
ти от относительной полосы W Wo показан на рис. 1.7, из которого вид-
но: пока мощность сигнала не превышает мощность шума (W/Wo < 1)
пропускная способность растет очень быстро, но при превышении мощ-
ности шума ее рост замедляется и монотонно стремится к асимптотичес-
кому значению [1],
С
W
W W
= —log е = 1,443-------
ч W(1
(1.50)
Следовательно работать надо в области шумов, защищаясь от оши-
бок кодированием.
Достоинством формулы Шеннона является то, что она связывает
воедино основные параметры сигнала и позволяет осуществлять их ком-
промиссный выбор. Например, при неизменном отношении сигнал/шум
одно и то же количество информации в битах может быть передано
либо в широкой полосе частот при малом времени сигнала, либо в
узкой полосе с помощью продолжительного сигнала. В некоторых сис-
темах цифрового ТВ вещания для приближения к границе Шеннона
используют параллельную передачу по большому числу узкополосных
каналов. В современных системах цифрового ТВ вещания с помощью
использования самых передовых методов обработки и передачи сигна-
лов достигается достаточно хорошее приближение к границе Шеннона.
Список литературы
25
Список литературы
1. Математическая теория связи/В кн. К.Шеннон. Работы по теории
информации и кибернетике. М.: ИЛ. 1963.
2. Статистическая теория связи и ее практические приложения/Под.
ред. Б.Р.Левина., М.: Связь. 1979.
3. Витерби А.Д., Омура Дж. Принципы цифровой связи и кодиро-
вания: Пер. с англ./Под ред. К.Ш.Зигангирова. М.: Радио и связь.
1982.
4. Yamamoto Н., Morito К., Kornaki S. QPSK System Error Rate
Performance//Review Electr. Commun. Labs. May-June 1977. Vol.25.
№ 5-6.
5. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники.
Книга первая. М.: Советское радио. 1974.
6. Харкевич А.А. Очерки общей теории связи/Избранные труды,
T.IIL М.: Наука. 1973.
7. Системы передачи сообщений: Пер. с англ./ Под ред. А.А.Визеля,
С.А.Дворкина. М.: Связь. 1976.
8. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спект-
рального анализа: Пер. с англ./ Под ред. И.Н.Коваленко. М.: Мир.
1983.
9. Manuel sur les telecommunications par satellite/UIT, CCIR. — Geneve.
1985.
10. Борисов Ю.П., Пенин П.И. Основы многоканальной передачи
информации. М.: Связь. 1967.
11. Передача цифровой информации: Пер. с англ./Под ред. С.И.Са-
мойленко. М.: ИЛ. 1963.
12 .ITU-R. Doc.lO-llS/129-Е, 11.10.1993. — BSS (Sound) Handbook.
Satellite sound broadcasting to Vehicular portable and Fixed receivers
in the range 500-3000 MHz.
13. Byun K.S. Implementation of the 64-QAM digital TV signals in
conventional CATV Networks. — 19th Intern. TV Symposium.
Montreux. 8-13 June 1995.
14. Былянски П., Ингрем Д. Цифровые системы передачи: Пер. с
англ./Под ред. А.А.Визеля. М.: Связь. 1980.
15. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками
и математическими таблицами: Пер. с англ./Под ред. М.Абрамови-
ца и И.Стиган. М.: Наука. 1979.
16. Справочник по вероятностным расчетам. Г.Г. Абезгауз, А.П. Тронь
Ю.Н. Копенкин, И.А. Коровина М.: Воениздат. 1970.
17. Reference data for radio engineers. Forth edition/lTT Corporation.
— American Book — Stratford Press Inc. N.Y. 1964.
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
2.1. Постановка задачи согласования параметров сигнала с
характеристиками канала
Реальный канал связи характеризуется номинальной и фактической
полосами частот, линейными и нелинейными искажениями, максималь-
но допустимой передаваемой мощностью, уровнями шумов и внешних
помех. Поэтому передаваемый сигнал должен быть согласован с ха-
рактеристиками канала, что означает выбор его параметров, обеспечи-
вающих наименьшие искажения в точке приема. Одним из принципи-
альных вопросов является выбор формы сигнала или согласование его
спектра с полосой частот канала.
Естественной формой представления сигналов в цифровых устрой-
ствах является импульсно-потенциальная, которой соответствуют близ-
кие к прямоугольным однополярные двоичные или многоуровневые
импульсы. Подобные импульсы можно использовать и для передачи
сигналов, если полоса канала, начинаясь от постоянного тока, позво-
ляет передать не менее 90% энергии импульса. Как правило, такие
условия обеспечиваются в коротких соединительных линиях, цепях
стыка и в тех трактах, где частоты, ограничивающие полосу канала,
выходят за пределы спектра сигнала.
В цифровых системах связи качество передачи и приема сигнала
(как в основной полосе, так и в полосе модулированного сигнала) во
многом определяется формой импульсов, передаваемых по каналу свя-
зи. Во многих практически важных случаях (в многоканальных систе-
мах передачи, системах ТВ и звукового радиовещания, протяженных
магистральных каналах и др.) полоса частот канала либо строго нор-
мирована, либо претерпевает естественный завал верхних частот, про-
порциональный длине линии. При работе по таким каналам с высокой
скоростью, когда значение тактовой частоты сравнимо со значением
полосы канала, обычно определяемой по снижению уровня АЧХ на
ЗдБ (в специальных случаях во внимание принимаются также харак-
терные относительные уровни -6, -20, -40 дБ), канал рассматривается
как частотно-ограниченный и требуется согласование спектра (формы)
передаваемого сигнала с полосой частот канала. Передача по частотно-
ограниченному каналу последовательности импульсов произвольной
формы приводит к их искажению, растягиванию во времени и наложе-
нию друг на друга, т.е. взаимному влиянию. Это явление называется
межсимволъной интерференцией (МСИ) и без принятия мер по коррек-
ции сигнала на приеме МСИ может привести как к росту вероятности
ошибки, так и к полному отказу в работе системы. При правильном
выборе формы импульсов межсимвольные искажения на выходе кана-
ла минимизируются. При этом не только снижается вероятность ошибки
при вынесении решения об уровне импульса, но и улучшается работа
системы синхронизации, снижаются помехи соседним каналам.
2.1. Постановка задачи согласования параметров сигнала с характеристиками канала
27
Условия, обеспечивающие передачу цифровых сигналов без МСИ,
были впервые сформулированы Найквистом в виде трех критериев [1].
Суть этих критериев сводится к следующему.
В основной полосе поставленным условиям наиболее полно отвеча-
ют сигналы, спектры которых ограничены сверху по частоте и не вы-
ходят за пределы полосы частот канала. Кроме того, срез спектра дол-
жен иметь кососимметричный характер относительно частоты f
(частоты Найквиста), численно равной половине скорости передачи сим-
волов Rs. Это означает, что уровень спектральной составляющей на
частоте fN должен быть равен половине ее уровня на нулевой частоте.
Границы кососимметричного спектра определяются коэффициентом
скругления спектра а = (/, — fN)/fN = (fN — гДе гранич-
ные частоты по уровням 1 и 0 соответственно для нормированной фор-
мы спектра. При а < 1 спектр имеет равномерный участок от 0 до f и
кососимметричный срез от f до f . В качестве примера на рис. 2.1
показаны популярные спектры со срезом косинус-квадратичной фор-
мы для ряда значений коэффициента а, а на рис. 2.2 — соответствую-
щие им формы сигналов. Чем меньше коэффициент а, тем больше
относительный уровень боковых колебаний, тем медленнее они затуха-
ют. Так как коэффициент скругления спектра определяет реально не-
обходимую полосу частот канала, превосходящую полосу Найквиста,
Относительная частота f/f„
г
----- О
— 0,25
0,5
----- 0,75
----- 1
Рис. 2.1. Спектры со срезом косинус-квадратичной формы
28
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Относительный уровень импульса Относительный уровень импульса
Относительное время fNt
Рис. 2.2. Формы сигналов с косинус-квадратичным срезом спектра
2.1 Постановка задачи согласования параметров сигнала с характеристиками канала
29
его иногда называют коэффициентом расширения полосы частот или
коэффициентом избыточной полосы.
Отличительной особенностью сигналов Найквиста является их пе-
риодичность (Первый критерий): в относительном масштабе времени
fNt импульсная реакция переходит через ноль в моменты ft = ±0,5/?,
где /?=1, 2, 3,.... При -0,5 < fNt < 0,5 имеет место центральный импульс
импульсной реакции, и в отсчетный момент времени fNt = 0, т.е. при
/?=0 он достигает максимального относительного уровня равного еди-
нице. Свойство периодичности импульсной реакции позволяет переда-
вать последовательность импульсов по каналу с полосой, численно рав-
ной fN, со скоростью 2fN, т.е. с тактовым интервалом ТИ = l/(2fN). При
таком тактовом интервале вершины любого из главных импульсов пос-
ледовательности совпадают в отсчетные моменты времени с точками
перехода через ноль "хвостов" всех остальных импульсов. Следователь-
но, в отсчетные моменты на входе решающего устройства импульсы
последовательности не влияют друг на друга и не снижают верности
приема.
Косинус-квадратичный импульс с а=1 имеет дополнительные нули
при fNt = ±0,25/, где j=3, 5, 7,.... При /=±1 (моменты времени на удале-
нии в половину тактового интервала от центра импульса) относитель-
ный уровень главного импульса составляет 0,5, другими словами, ши-
рина импульса по уровню 0,5 точно равна тактовому интервалу.
Последнее свойство удовлетворяет Второму критерию Найквиста, ко-
торый определяет условия передачи не только без МСИ, но и без крае-
вых искажений импульсов.
Воплощение на практике Первого критерия Найквиста, строго гово-
ря, невозможно. Жесткое ограничение сигнала по спектру требует его
бесконечной продолжительности во времени. Реально временные рам-
ки любой передачи ограничены. Помимо этого цифровые формирова-
тели сигнала синтезируют его в пределах нескольких тактовых интер-
валов, а аналоговые фильтры не обладают абсолютной линейностью
характеристик и бесконечно большим затуханием за пределами рабо-
чей полосы частот. Все это приводит к тому, что сигнал, будучи огра-
ничен во времени, приобретает частотные компоненты, превышающие
его номинальную полосу частот. Следствием этого является принципи-
альная невозможность передачи последовательности символов без МСИ,
но при тщательном проектировании формирователей сигнала уровень
этих МСИ получается очень малым. Поэтому были разработаны теоре-
тические и практические подходы к использованию для передачи им-
пульсов синус-квадратичной или гауссовской формы, которые формально
не отвечают положениям Первого критерия.
Согласование сигнала с каналом обычно осуществляется в основной
полосе частот (без модуляции). При модуляции спектр сигнала перено-
сится из основной полосы в полосу ВЧ канала, но все расчетные соот-
ношения согласования сохраняются. Пусть, например, в основной по-
лосе частот сигнал имеет прямоугольный спектр (ос=0) с граничной
частотой fN. Хотя такой спектр и соответствующий ему сигнал
g(t)=sinc(2nfNt) физически не реализуемы, их часто используют в каче-
30
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
стве простой теоретической модели [2]. При амплитудной или фазовой
модуляции несущей fc сигналом g(t) образуется полосовой спектр с двумя
боковыми полосами, каждая шириной f . Этому спектру соответствует
высокочастотный модулированный сигнал s(t)=sinc(2pfNt)cos(2pfct+f),
где первый сомножитель — это модулирующий сигнал, а второй —
колебание немодулированной несущей с начальной фазой f.
На рис. 2.3 показаны формы модулированных сигналов: s^t) — с
нулевой начальной фазой (f=0) и sQ(t) — со сдвигом на f=p/2. Для
наглядности выбрано низкое значение несущей частоты fc=3fN. Огиба-
ющая модулированного сигнала в точности соответствует модулирую-
щему сигналу g(t), значение фазового сдвига f определяет характер
заполнения огибающих сигналом несущей. Обе несущие на рис. 2.3
имеют взаимный фазовый сдвиг р/2, т.е. находятся в квадратуре. Их
линейное суммирование позволит получить сигнал квадратурной мо-
дуляции, переносящий удвоенное количество информации (подробнее
этот вопрос рассмотрен в гл.З).
2.2. Выбор формы передаваемого сигнала и его оптимальная
фильтрация
Если правильный выбор формы или спектра импульса устраняет
компоненту ошибок, связанную с МСИ, то для снижения влияния шу-
мов и внешних помех необходимо осуществлять оптимальную фильт-
рацию сигнала. Одновременное решение этих двух задач вносит свои
особенности в проектирование формирователей сигнала передающих и
приемных фильтров.
При расчете требуемой формы передаваемого сигнала под каналом
понимают всю совокупность технических средств, образующих цепь от
выхода устройства формирования сигнала в передатчике до входа ре-
шающего устройства в приемнике. Тогда желаемая форма сигнала на
входе решающего устройства определяется как спектром сформиро-
ванного в передатчике сигнала, так и амплитудно-частотной и фазо-
частотной характеристиками всего тракта. В общем случае существу-
ют три возможности формирования спектра сигнала:
1) полное формирование спектра в передатчике;
2) полное формирование спектра в приемнике;
3) совместное формирование спектра — частично в передатчике и
частично в приемнике.
Установка фильтров в передатчике уменьшает мощность излучения
в полосе соседних каналов, т.е. создание помех другим системам, но
при этом падает защищенность приемника от внешних помех. Уста-
новка фильтров в приемнике позволяет лучше отфильтровать внепо-
лосные шумы и помехи от передатчиков в соседних каналах, но свой
передатчик создает максимальные помехи в соседних каналах. Вари-
ант с разделением фильтров между приемником и передатчиком явля-
ется наиболее общим и позволяет осуществить оптимальную согласо-
2.2. Выбор формы передаваемого сигнала и его оптимальная фильтрация
31
Относительный уровень sQ(f) Относительный уровень s/f)
Относительное время fN t
Рис. 2.3. Формы модулированных сигналов Найквиста
32
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
ванную фильтрацию смеси сигнала и шума. В структурной схеме, по-
казанной на рис. 2.4, формирующий фильтр разделен на две части —
передающую с передаточной функцией и приемную с передаточ-
ной функцией Н2(;со), выделенную из канала в самостоятельный блок.
Сквозная передаточная функция канала связи
W(/(o)=И^ю)
(2.1)
отражает факт последовательного соединения всех звеньев и устройств
тракта со своими амплитудно-частотными и фазочастотными характери-
стиками. Поскольку в радиотракте используются полосовые фильтры, то
в модели тракта их заменяют низкочастотными эквивалентами [3].
Ко входу
Шум
Передаваемые
данные
Формирующий
фильтр
передатчика
Канал связи
и его передаточная
функция
Формирующий
фильтр
приемника
Рис. 2.4. Расположение фильтров в тракте передачи сигнала
а
Пусть на вход приемного фильтра H2(j(o) из канала поступает сум-
ма сигнала sc(t) и белого шума n(t). В результате фильтрации на вы-
ходе фильтра должен быть получен полезный сигнал g(t) со спектром
S (/co)=Sn((d), удовлетворяющий условиям передачи без МСИ, и сигнал
помехи njt). При этом отношение сигнал/шум на выходе фильтра
g(t)/ne(t) должно быть максимально возможным.
Как известно, отношение сигнал/шум на выходе фильтра максимизи-
руется при согласованной фильтрации, для чего амплитудно-частотная
характеристика приемного фильтра должна соответствовать спектру сиг-
нала на его входе |H2(jco)|=fc|Sc(jco)|, а фазочастотная характеристика дол-
жна отличаться только значеним фазового спектра задержки (—cef0) [4].
В идеальном случае, когда комплексная частотная характеристика
канала не вносит искажения в передаваемый сигнал, т.е. TV(jco)=l, а на
вход передающего фильтра поступают символы данных, представлен-
ные 8-функциями или очень узкими импульсами с равномерным спект-
ром в пределах полной полосы формирующих фильтров, то имеют ме-
сто следующие соотношения:
S„((o) = |5с(ус9)||Я2(7®)| = |Н2(7<,
откуда //2(cd) = ^5w(w) ;
(2.2)
(2.3)
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с АЧХ канала
33
SN(w) = l/7|(/'to)ll//2(/’to)l = H,(to)^(to),
откуда Ht (to) = .
(2.4)
(2.5)
Если импульсы на входе передающего формирующего фильтра име-
ют конечную длительность (их спектр Х(усо) в рабочей полосе является
неравномерным) или передаточная функция канала ИХ/со) вносит иска-
жения в передаваемый сигнал, или имеет место и то и другое, следует
внести соответствующую поправку в передаточную функцию передаю-
щего формирующего фильтра:
Н j к ( ^)
Js, (to)
X(co)W(co)
(2.6)
При такой частотной характеристике HJco) происходит коррекция
соответствующих частотных компонентов, и спектры Sc(co) и вДсо) на
входе и выходе приемного фильтра остаются неизменными. При этом
следует учитывать, что характеристика фильтра типа И1К(со) приобрета-
ет подъем в области граничной частоты, что может изменить энергетику
системы передачи и вызвать искажения. По этой причине цифровые
системы передачи имеют корректор характеристик канала, устанавли-
ваемый обычно на приемной стороне.
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с
АЧХ канала
Вопрос о выборе форм сигналов и их спектров имеет длительную
историю и был достаточно полно исследован. Основные теоретические
аспекты, сформулированные Найквистом, получили свое развитие в
фундаментальной работе [2]. Затем они были обобщены на случай ка-
налов с несимметричной формой среза АЧХ и нелинейной ФЧХ [5].
Условия, при которых возможна передача с минимальными пиковым
уровнем и воздействием фазового дрожания тактовой частоты, опреде-
лены в [6]. Опубликовано также большое число работ, в которых пред-
ложены различные формы импульсов, обладающие теми или иными
полезными свойствами применительно к различным условиям переда-
чи. В частности, исследованы возможности и условия передачи сигнала-
ми, спектры которых заметно выходят за пределы полосы канала [7].
Показанные на рис. 2.2 импульсы с косинус-квадратичным срезом
спектра были первыми описанными сигналами Найквиста. Они обла-
дают очень хорошими свойствами по согласованию с каналом и про-
стотой математического описания во временной и частотной областях.
Их используют в большинстве современных цифровых систем переда-
чи, в том числе, в системах цифрового телевидения.
34
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Выбор конкретной формы импульса для цифровой системы произ-
водят, исходя из оптимальных условий его передачи по каналу и обра-
ботки в приемнике. Определены две границы оптимальности формы
импульса [6]: с косинус-квадратичным срезом спектра (обладает мак-
симальной скоростью затухания импульсной реакции, но имеет повы-
шенную мощность шума при фазовом дрожании) и с линейным срезом
спектра (обеспечивает минимальную вероятность ошибки при фазовом
дрожании восстановленной в приемнике тактовой частоты, но имеет
повышенную амплитуду выбросов). Эти импульсы обеспечивают ло-
кальный оптимум по одному из двух рассматриваемых параметров при
одновременном ухудшении другого параметра. Однако во многих слу-
чаях желательно обеспечить оптимизацию по совокупности парамет-
ров, т.е. использовать импульсы некоторой формы, являющейся опти-
мальной в узком смысле применительно к конкретным условиям
передачи по каналу. Назовем такие импульсы и соответствующие им
спектры квазиоптималъными.
При поиске квазиоптимальных сигналов в качестве желательных
параметров обычно рассматривают форму и крутизну среза спектра,
размах и скорость затухания колебаний импульсной реакции. Ряд ин-
тересных квазиоптимальных сигналов и их спектров показаны на
рис. 2.5 [8]. Приведенные математические выражения их форм и спек-
тров содержат тригонометрические, гиперболические и специальные
функции. Это затрудняет их сравнение и анализ, а также выполнение
необходимых расчетов при построении шаблонов, анализе искажений
и в других прикладных задачах.
Некоторый универсальный подход к описанию и синтезу различных
квазиоптимальных сигналов с помощью единых аналитических выра-
жений состоит в аппроксимации среза спектра импульса алгебраичес-
ким полиномом Лагранжа, параметрами которого являются коэффи-
циенты скругления и кривизны среза [8]. Для заданного коэффициента
скругления спектра изменение формы импульса в широких пределах
осуществляется при помощи одного параметра — коэффициента кри-
визны, что обеспечивает получение практически любой из реально ис-
пользуемых форм импульсов.
Поскольку общим свойством различных сигналов, удовлетворяющих
условиям передачи без МСИ, является кососимметричный срез спект-
ра с фиксированными относительными уровнями 1; 0,5 и 0 на трех
характерных частотах f , f и f соответственно, то, изменяя уровни
на некоторых промежуточных частотах, а тем самым кривизну и кру-
тизну среза спектра, становится возможным синтезировать широкий
набор квазиоптимальных сигналов.
При использовании степенных полиномов фЬрма среза спектра тем
сложнее, чем больше узлов интерполяции, но при этом возрастает и
число параметров кривизны, которые усложняют аналитическую за-
пись сигнала. Для большинства практических случаев удовлетворитель-
ную точность дает использование двух дополнительных узлов интерпо-
ляции, равноудаленных от частот fH и fN, fNnfL.
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с АЧХ канала
35
1. Сигнал с прямоугольным спектром
g1(t)=sinc(2nftl t)
S1(f)=1/2fNnpuf/fN<1; S1(f)=O при f/f>1
S\(f/fN)
0 I 2
2. Сигнал с треугольным спектром
g2(t)=sinc2(2nfNt)
S2(f)=(1/2fN)(l-f/2fN)
3. Сигнал с линейным срезом спектра
g3(t)=sinc(2n fN t)sinc(2nafN t)
S3(f)=M2fN при f<fH, S3(f)=(M2fN)[^+a)/2a-f/2afN]
при fH<f
Рис. 2.5. Квазиоптимальные сигналы и их спектры (1—3)
36
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
4. Гауссовский сигнал
g(t)=exp[-p(2fNt)2],
S4(f)=( 1/2fN)(7i/p)1/2exp[-(ji2/4p)(f/fN)2]
5.
Сигнал sinc(x) с гауссовским взвешиванием
g5ft)=exp [-p(2fN t)2] sinc(2rcfw t),
S5tf)=(1/4fw Xerf[K( 1 +f/fN )/2<p] -
erf [7t(f/fN-1 )/2д/р]}
6. Косинус-квадратичный сигнал
g6(t)=cos2(nfNt) при \t\=1/2fN,
S6(f)=(1/2fN)sinc(7tf/fN )/[1-(f/fN )2]
Рис. 2.5. Квазиоптимальные сигналы и их спектры (4—6)
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с АЧХ канала
37
0 12 3 4
Рис. 2.6. К пояснению интерполяции среза спектра
Для проведения интерполяции определим исходный срез спектра зна-
чениями его ординат у. в пяти равноотстоящих точках i (0, 1, 2, 3, 4)
оси частот. Значения ординат среза спектра приведены в таблице, где
используется относительный масштаб частоты х = f/fL. Соответствующие
построения показаны на рис. 2.6. Граничные верхняя и нижняя частоты
среза спектра f и f , выраженные через частоту Найквиста fN и коэффи-
циент расширения спектра а, равны соответственно: fH =
f = (1+ос)/^. Шаг интерполяции выбран равным h = а/2. Ординаты уг=А
и z/2=1-A в промежуточных точках = (1-ос/2)/^ и f2 = (l+oc/2)/^ задают
форму и кососимметричный характер среза спектра относительно цент-
ральной точки f = fN, где yN = 0,5. Таким образом, параметр А является
коэффициентом кривизны среза спектра.
В качестве интерполяционного полинома, определенного в точках
х, используем полином Лагранжа как наиболее общий среди степен-
ных полиномов.
Таблица 2.1. Ординаты среза спектра
/ 0 1 2 3 4
X 1 1 -ос 1 -ос/2 1 1 +ос/2 1 +ос
X 1 А 0,5 1-А 0
38
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Искомый полином Лагранжа определяется выражением [9]
(2.7)
где t = (х — х0)/й;
Пп+1(/) = /(г-1)(/-2)...(г-/О;
Сп = пУ1Л(п-1)1;
п = 4.
После необходимых подстановок и преобразований получаем:
где В. = 2а/За ;
В2 = -ЗВ.;
В = ЗЯ3(1-а2) + (8л-3)/6а;
В{} = -В. (1 - ос)3 - ЗЯ3ос(1 - а)2 - (8а - 3)(1 - а) / 6а +1;
а = 4Д-3-
(2.8)
Выражение (2.8) определяет закон скругления спектра, который,
учитывая нормирующий множитель и включая при а < 1 равномер-
ный участок 0-/^, преобразуется в формулу
(2.9)
На рис. 2.7 показаны некоторые возможные формы срезов спектра
для а = 1, построенные при А = 0,646; 0,750; 0,800; 0,827; 0,849;
1,000 и обозначенные соответственно А1-А6.
Рассмотрим некоторые частные случаи.
При А = 0,750 L(f/fN) = l-f/2fN , т.е. срез спектра — линейный.
При А > 0,844 форма среза спектра носит колебательный характер
и выходит за пределы зоны, ограниченной уровнями 0 и 1.
При А = 0,849 полином аппроксимирует косинус-квадратичный срез
спектра
$(/) =
1 +COS
(2.10)
1
4Л
с абсолютной погрешностью не более 0,004.
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с АЧХ канала
39
Относительная частота f/fN
А 1=0,647
А2=0,750
АЗ=0,800
А4=0,827
А5=0,849
А6= 1,000
Рис. 2.7. Срезы спектра квазиоптимальных сигналов
При А < 0,750 кривизна среза спектра меняется на противополож-
ную. В частном случае при А = 0,647 аппроксимируется спектр, зер-
кально косинус-квадратичный относительно линейного среза и выра-
женный формулой
----0,5 cos
Вычислив обратное преобразование Фурье функции спектра (2.9),
найдем формулу, определяющую форму сигнала [8]:
g(t) = Sa Sa 1 - L sin z sin az. Sa sin г cos az (2.12)
3 7 Lot z 3a Г a 2 z~ 2 3 ’ a z:
где z=2nfNt.
40
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Нормированное время fNt
---- А=0,647
---- А=0,750
---- А=0,800
---- А=0,827
---- А=0,849
---- А= 1,000
Рис. 2.8. Квазиоптимальные сигналы с а=1
Например, для линейного среза А2 = 0,750
и а = 0, в силу чего
запись g(t) упрощается до аналитической и принимает вид
g(t) = sinc(27tfNt)sinc(27iafNt).
(2.13)
На рис. 2.8 и 2.9 показаны квазиоптимальные сигналы g(t), построен-
ные для двух значений а: 1,0 и 0,5 соответственно (обозначения на этих
рисунках соответствуют обозначениям на рис. 2.7). Поскольку централь-
ные импульсы этих сигналов в общем случае близки к форме хорошо
изученного сигнала с косинус-квадратичным срезом спектра, т.е.
8т(2тиЛуО cos(27ia/Nt)
(2.14)
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с АЧХ канала
41
А1 =0,647
А2=0,750
АЗ=0,800
А4=0,827
А5=0,849
А6=1,000
Нормированное время fNt
Рис. 2.9. Квазиоптимальные сигналы с а=0,5
то на рис. 2.8 и 2.9 показаны преимущественно боковые колебания при
fNt > 0,5, в которых имеются существенные отличия. Приведенные гра-
фики показывают, что от значения параметра А зависят амплитуды
колебаний импульсной реакции (2.12), соотношения между положи-
42
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
тельными и отрицательными выбросами и моменты пересечения нуле-
вого уровня в интервалах 0,5n < fNt < 0,5(я+1), где п = 1, 2, .... Таким
образом, варьируя значение коэффициента А, можно в достаточно ши-
роких пределах изменять уровни и полярность боковых колебаний,
минимизировать их размах в интервале \f t >0,5.
В частном случае, когда А = 0,82725 при ос = 1, сигнал имеет мини-
мальную амплитуду выбросов, равную 0,01552 на интервале
0,5 <| fNt\ < 1, причем уровни положительного и отрицательного выбро-
сов равны. Амплитуда этих выбросов в 1,8 раза меньше, чем у сигнала с
косинус-квадратичным спектром. Детальный анализ сигналов с ос = 1
показывает, что в отсчетные моменты крутизна сигналов с
0,750 < А < 0,850 меньше, чем у сигнала с косинус-квадратичным
спектром. Поэтому в целом ряде случаев использование квазиопти-
мального сигнала А = 0,82725 может оказаться предпочтительным.
Условие равенства нулю в отсчетные моменты соблюдается также и
для сигналов, фазочастотная характеристика которых претерпевает раз-
рывы (скачки на л), что имеет место при А > 0,844. При А < 0,750 сигна-
лы переходят через ноль в отсчетные моменты 0,5я = fNt, но первый
переход через ноль наблюдается при f^t\ = 0,5, что позволяет варьиро-
вать длительность центрального импульса в области его положитель-
ных значений.
Таким образом, описание формы спектра сигнала степенными поли-
номами позволяет изменением одного коэффициента кривизны полу-
чать разнообразные сигналы, что удобно не только для научных иссле-
дований, но и для практических задач. Данный метод легко реализуем
в различных корректорах и предкорректорах сигналов для компенса-
ции искажений в фильтрах приемно-передающей аппаратуры.
2.4. Анализ глазковых диаграмм и выбор формы
импульсов для цифровой передачи сигналов
Глазковая диаграмма является традиционным наглядным средством
исследования качества передачи цифровых сигналов по каналам связи.
При анализе реальных сигналов глазковая диаграмма может наблю-
даться на экране осциллографа, на вход у которого подан цифровой
сигнал, а на вход внешней синхронизации — тактовая частота. Наблю-
даемый узор образуется за счет инерционности зрительного анализато-
ра, свой вклад вносит и послесвечение электронно-лучевой трубки. При
компьютерном моделировании изображение глазковой диаграммы фор-
мируется программным путем.
Глазковая диаграмма представляет собой виртуальное изображение,
получаемое суперпозицией в пределах одного тактового интервала (т.е.
со смещением во времени) всех возможных реализаций сигнала для
некоторой бесконечной последовательности данных.
2.4. Анализ глазковых диаграмм и выбор формы импульсов...
43
Тактовые интервалы
Рис. 2.10. Формирование узора глазковой диаграммы
Аналитически каждую из реализаций можно записать, как
оо
u(t) = У, ак g(t-kT),
к =—оо
(2.15)
где ак = ±1;
g(t) — форма импульса;
Т — тактовый интервал;
k — номер импульса.
Одна реализация от другой отличается статистическими свойствами
последовательностей данных, т.е. соответствием значения ak номеру бита.
Узор глазковой диаграммы формируется следующим образом. Пусть
центру глазка соответствует какой-либо фиксированный момент вре-
мени, например, при k = 0. Тогда, наложив друг на друга все реализа-
ции сигнала и совместив моменты времени, для которых k = 0, будет
получено изображение глазка. Процесс формирования двоичного глаз-
ка ясен из рис. 2.10, на котором для упрощения примера показано
взаимное наложение восьми изолированных импульсов различной по-
лярности. Поскольку реально невозможно получить и наложить раз-
личные реализации сигнала, то глазковая диаграмма образуется за счет
суперпозиции сдвинутых во времени фрагментов одной реализации сиг-
нала. Необходимо только, чтобы эта последовательность была доста-
точно длинной, а значения символов последовательности носили слу-
44
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
чайный характер. Практически для этих целей удобно использовать
псевдослучайные последовательности с периодом 127 бит и более.
Главным достоинством глазковой диаграммы является одновремен-
ность отображения всевозможных линий перехода между символами
передаваемого потока, зависящих от его статистических свойств. Узор
глазковой диаграммы непосредственно показывает характер линейных
и нелинейных искажений в канале, воздействие помех, минимальный и
максимальный уровни огибающей группового сигнала. При этом можно
численно оценить уровень межсимвольной интерференции в отсчетные
моменты, краевых искажений, фазового дрожания тактовой частоты.
Таким образом, изображение глазковой диаграммы однозначно характе-
ризует физическую картину процесса передачи цифровых сигналов.
В последние годы все большее число исследователей рассматривает
вопрос о согласовании сигнала с АЧХ канала, отталкиваясь не столько
от формы импульса как таковой, сколько от анализа свойств совокуп-
ности импульсов, отображаемых в виде глазковых диаграмм [7, 10].
Современным средством формирования последовательностей символов
и анализа их глазковых диаграмм является компьютерное моделиро-
вание.
При разработке компьютерной модели глазковой диаграммы число
сигнальных реализаций, образующих ее рисунок, и число тактов, в
течение которых учитываются колебания импульсной реакции каждой
реализации, должны быть ограничены. Эти ограничения обусловлены
условием физической реализуемости вычислений и техническими ре-
сурсами компьютера. Тогда выражение (2.15) принимает вид
u(t)= У z(t-kT) ,
k=-N
(2.16)
В качестве функции, описывающей форму импульса g*(t), удобно ис-
пользовать квазиоптимальный сигнал, соответствующий обратному
преобразованию Фурье от спектральной функции, заданной полиномом
Лагранжа (см. § 2.3).
Существуют различные способы написания программных моделей
глазковой диаграммы. Один из вариантов модели был реализован про-
граммными средствами с помощью системы автоматизации математи-
ческих расчетов MATLAB [11]. Программа модели написана с исполь-
зованием языка макропрограммирования системы MATLAB. В ее состав
входят программные модули для формирования двоичных и четырех-
уровневых псевдослучайных последовательностей (ПСП) различной
структуры и длины. В аналоге формирующего фильтра выбранный от-
резок ПСП умножается на функцию, задающую форму импульса.
Формирование изображения глазковой диаграммы сигнала являет-
ся наиболее сложной и трудоемкой операцией. Поэтому в целях эконо-
мии вычислительного времени при построении глазковой диаграммы
число символов в анализируемом отрезке ПСП (их взаимное влияние
определяет ход одной линии глазковой диаграммы), а также общее число
2.4. Анализ глазковых диаграмм и выбор формы импульсов...
45
линий в узоре глазковой диаграммы ограничены значениями, пример-
но равными 100. Дискретизация по времени функции формы импульса
также производится с шагом 0,01 периода глазковой диаграммы. Про-
изведение этих трех величин порождает при вычислениях матрицу объе-
мом 1000000 элементов, которая в конечном итоге и воспроизводит
глазковую диаграмму.
В ходе исследований изображений глазковых диаграмм в программу
модели закладывались различные значения коэффициентов кривизны
А и скругления спектра ос. На рис. 2.11—2.19 приведены некоторые
характерные изображения для трех значений коэффициентов А (0,647;
0,75; 0,849) и ос(100, 70, 40%) [12].
При анализе изображений глазковых диаграмм в общем случае при-
нимаются во внимание следующие параметры: относительные верти-
кальный и горизонтальный раскрывы глазка, уровень выбросов, выхо-
дящих за пределы базовой амплитуды, симметричность формы
раскрытого глазка, гладкость огибающей раскрыва. В результате ана-
лиза изображений, аналогичных показанным на рис. 2.11—2.19, было
отмечено, что в зависимости от выбора значения коэффициента кри-
визны спектра А при одном и том же коэффициенте скругления спект-
ра ос наиболее существенно меняются относительная ширина глазка и
структура узора между глазками. Различие выбросов в указанных ус-
ловиях не столь заметно. В пределе при ос = 0 все диаграммы сходятся
к единой форме, которой соответствует импульс вида sin(x)/x.
Рис. 2.11. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при Д-0,647 и а=0,4
46
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Квазиоптимальный сигнал (А = 0,647; а = 70%)
Относительное время, fNt
Рис. 2.12. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при 4=0,647 и а=0,7
Квазиоптимальный сигнал (А = 0,647; а = 100%)
1
08
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-0.5 0 0 5
Относительное время,
ф
m
о
Рис. 2.13. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при 4=0,647 и а=1,0
2.4. Анализ глазковых диаграмм и выбор формы импульсов...
4 7
Относительное время, fNt
Рис. 2.14. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при Д=0,75 и с/=0,4
Квазиоптимальный сигнал (А = 0,750; а = 70%)
1
0.8
0 6
-0.8
-1 ----------------------------1-----------------------------'
-0 5 0 0.5
Относительное время, fNt
Рис. 2.15. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при Д=0,75 и с/=0,7
48
2 Согласование сигнала с характеристиками канала
Квазиоптимальный сигнал (А = 0,750; а = 100%)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
- 0.2
- 0 4
- 0.6
- 0.8
-1
-0
5 0 0
Относительное время, fNt
Рис. 2.16. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при Д-0,75 и а=1,0
Квазиоптимальный сигнал (А = 0,849; а = 40%)
Относительное время, fNt
Рис. 2.17. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при Д=0,849 и а=0,4
2.4. Анализ глазковых диаграмм и выбор формы импульсов...
49
Относительное время, fNt
Рис. 2.18. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при 4=0,849 и с/=0,7
Рис. 2.19. Глазковая диаграмма квазиоптимального сигнала при 4=0,849 и а=1,0
50
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Наибольший интерес представляет экстремальное изменение отно-
сительной ширины глазка Ew в зависимости от коэффициента скругле-
ния спектра ос при фиксированном коэффициенте кривизны спектра А.
На рис. 2.20 показано семейство кривых, являющихся результатом
аппроксимации измеренных значений горизонтального раскрыва.
Например, сигналы с линейным падающим спектром (А = 0,750)
имеют наибольшую ширину раскрыва в районе ос = 0,7 и тем самым
превосходят в этом случае популярные сигналы типа "приподнятый
косинус" (А = 0,849). В свою очередь, сигналы с косинус-квадратич-
ным срезом достигают полного относительного раскрыва, равного еди-
нице при ОС = 1.
□ □ □ 0,647
4- 4- + 0,750
0 0 0 0,827
ххх 0,849
------ 0,647
------ 0,750
------ 0,827
------ 0,849
Рис. 2.20. Горизонтальный раскрыв глазка Ewb зависимости
от коэффициента скругления спектра а
2.5. Формирующие фильтры
5 1
Таким образом, выбор оптимальной формы импульса должен произ-
водиться и с учетом принятого для цифровой системы передачи коэф-
фициента скругления спектра а. Последний фактически определяет
удельную скорость передачи, равную С = 2/(1+а) символ/(с-Гц) и слу-
жащую показателем спектральной эффективности системы [3].
Для выбора оптимальной формы импульса при заданном коэффици-
енте скругления спектра а целесообразно ввести критерий оптимально-
сти формы, увязывающий параметры раскрыва глазка Ew и спектраль-
ную эффективность С : <р(сх) = EWC. Графические зависимости <р(ос) для
некоторых значений А показаны на рис. 2.21. Все они имеют выражен-
ный экстремальный характер, причем своеобразной границей оптималь-
ности можно считать уровень <р = 1. Его смысловым эквивалентом
является передача импульсами со спектром типа "приподнятый коси-
нус" (ос = 1), когда относительный раскрыв равен единице, а эффектив-
ность составляет 1 сим/(с-Гц). Превышение этого уровня за счет того
либо иного сомножителя дает ощутимый выигрыш. Согласно этому
графику наилучшие возможности оптимизации по уровню и ширине
рабочей зоны предоставляют сигналы с линейным срезом (А = 0,75).
Импульсы с А = 0,647 обеспечивают примерно тот же уровень опти-
мальности, но в существенно более узком диапазоне значений а.
Анализ результатов моделирования позволил сделать следующие
выводы. Изменение горизонтального раскрыва глазковых диаграмм в
зависимости от коэффициента скругления спектра сигнала носит экст-
ремальный характер, и для сигналов с различной кривизной среза спек-
тра максимальное значение горизонтального раскрыва достигается при
разных значениях коэффициента скругления спектра. Таким образом,
выбор формы сигналов следует производить, исходя из требований к
удельной скорости конкретной системы передачи. Среди сигналов с
монотонным изменением характеристики среза спектра оптимальные
возможности предоставляют сигналы с линейным срезом спектра.
2.5. Формирующие фильтры
Важным элементом модема цифровой системы передачи является
формирующий фильтр, который выполняет две важные функции. Глав-
ная из них — устранение межсимвольной интерференции на входе ре-
шающего устройства демодулятора. Как было показано в § 2.2, с це-
лью максимизации отношения сигнал/шум в демодулированном сигнале
формирующий фильтр разделяют на две части, устанавливаемые в мо-
дуляторе и демодуляторе. Каждая из частей формирующего фильтра
имеет в общем случае коэффициент передачи, изменяющийся по часто-
те пропорционально корню квадратному из полной спектральной ха-
рактеристики системы. Вторая функция формирующего фильтра мо-
дулятора — ограничение спектра цифрового радиосигнала на выходе
передатчика в границах полосы канала, что необходимо для устране-
ния перекрестных помех в соседних каналах.
По принципу действия формирующие фильтры разделяются на два
52
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
□
□
□
о
о
о
0,647
0,750
0,827
0,849
0,647
0,750
0,827
0,849
Рис. 2.21. Оптимальность формы глазка в зависимости
от коэффициента скругления спектра а
типа: аналоговые, обрабатывающие проходящие по ним сигналы дан-
ных, и цифровые фильтры-синтезаторы, которые управляются импуль-
сами данных, генерируя на своем выходе реализацию сглаженного сиг-
нала протяженностью в несколько тактовых интервалов. В передатчике
можно применять фильтры обоих типов, в аналоговом приемнике —
только первого типа. При использовании в системе сигналов с малым
коэффициентом скругления спектра ос < 0,3 изготовление для передат-
2.5. Формирующие фильтры
53
чика аналоговых фильтров с предкоррекцией искажений, возникаю-
щих при фильтрации импульсов прямоугольной формы, становится
достаточно сложной задачей и целесообразнее применять цифровые
фильтры.
В цифровых системах передающая часть формирующего фильтра
реализуется, как правило, в виде цифрового синтезатора модулирую-
щего сигнала, выполненного по структуре фильтра с конечной импуль-
сной характеристикой (КИХ-фильтра), или цифрового трансверсаль-
ного фильтра (ЦТФ). Используются также и более современные методы,
когда основу фильтра составляют постоянное запоминающее устрой-
ство (ПЗУ), в котором хранятся значения весовых коэффициентов, и
ЦАП, непосредственно формирующий передаваемый сигнал заданной
формы. Цифровые фильтры позволяют точно синтезировать во времен-
ной области передаваемые символы из ансамбля элементарных сигна-
лов, минимизируя тем самым как межсимвольную интерференцию, так
и внеполосные излучения. Принципиальным достоинством цифровых
фильтров является также возможность формировать элементы сигнала
с малым значением коэффициента расширения спектра 0,1 < ос < 0,3,
при котором спектр сигнала имеет крутой срез типа Найквиста, а коле-
бания импульсной реакции захватывают практически 10—20 такто-
вых интервалов. Формирование таких сигналов аналоговыми фильтра-
ми на высоких частотах является практически неразрешимой задачей.
Как вспомогательный элемент в трактах модулированных сигналов ус-
танавливают аналоговые полосовые фильтры, назначение которых —
дополнительное ослабление внеполосных излучений в передатчике и
шумов за пределами рабочей полосы в приемнике.
В основе любого цифрового формирователя лежит принцип времен-
ной дискретизации сигнала и аппроксимации его истинного дискретно-
го линейно изменяющегося уровня некоторым средним постоянным зна-
чением. Получающийся на выходе сигнал очень похож на квантованный
сигнал (а при некоторых вариантах формирования он таковым и явля-
ется). Точность формирования зависит от частоты дискретизации и
точности аппроксимации [13].
Классическая структура цифрового трансверсального фильтра — это
регистр сдвига, к разрядам которого подключены резисторы суммато-
ра токов (рис. 2.22). На вход регистра поступают прямоугольные им-
пульсы передаваемых данных, а частота тактирования регистра обыч-
но в 4—16 раз выше тактовой частоты данных. Тактовый интервал
данных при этом разделяется на соответствующее число подинтерва-
лов. Существуют две разновидности ЦТФ: с прямым соответствием веса
разряда значению квантованного дискрета сигнала и с накоплением
(наращиванием) весов разрядов по мере продвижения символа данных.
В первом случае значение резистора сумматора в каждом разряде
выбирается так, чтобы ток через него был пропорционален квантован-
ному уровню сигнала. По регистру продвигается импульс длительнос-
тью в один такт частоты дискретизации, т.е. в каждом такте регистра
в пределах одного тактового интервала данных в работе участвует только
один разряд.
54
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
В схеме с наращиванием весов разрядов импульс данных не укора-
чивается, поэтому по мере его продвижения по регистру токи разрядов
суммируются и квантованному уровню сигнала пропорциональна сум-
ма токов нескольких разрядов. Рисунок 2.23 поясняет формирование
простейшего импульса синусквадратичной формы [14]. Тактовая часто-
та четырехразрядного регистра сдвига FR в схеме, аналогичной на рис.
2.22, в 4 раза выше тактовой частоты данных FT. Следовательно, посту-
пивший на вход регистра импульс данных частично или полностью на-
ходится в ячейках регистра в течение семи тактов частоты FR, в восьмом
такте импульс данных полностью выводится из регистра. Находящаяся
в каждом такте часть импульса данных показана на рис. 2.23 желтым
цветом. Там же указано, какие токи участвуют в образовании каждого
уровня ступенчатого сигнала (нижняя часть рис. 2.23). В силу симмет-
рии синус-квадратичного импульса сопротивления резисторов ЦТФ по-
парно равны: Я1=Я4=6,849г, Я2=ЯЗ=2,825г, где г — некоторое нор-
мирующее значение.
Рис. 2 22. Структурная схема ЦТФ
С небольшими изменениями этот ЦТФ может использоваться для
формирования сигналов двух квадратурных несущих со стабильным
фазовым сдвигом 90°. Схема такого формирователя показана на
рис. 2.24. На вход формирователя подается прямоугольное колебание
частоты несущей FT, а на тактовый вход — частота 8ЕГ. На выходах
резисторных сумматоров формируются ступенчатые сигналы квадра-
турных несущих Uj и UQ.
Если использовать два раздельных регистра сдвига, включив между
ними и общей резисторной матрицей блок мультиплексоров, то можно
легко сформировать четырехуровневый ступенчатый сигнал, необхо-
димый, например, для получения модуляции 16-КАМ. Для этого на
вход одного регистра следует подать сигнал управления полярностью,
а на вход другого — сигнал управления относительным уровнем фор-
мируемого сигнала. Таким образом, рассмотренную схему в качестве
базового элемента можно применять в различных устройствах моде-
мов цифровых систем связи и вещания.
2.5. Формирующие фильтры
55
Рис. 2.23. Импульс, сформированный с помощью ЦТФ
56
2. Согласование сигнала с характеристиками канала
Рис. 2.24. Схема цифрового формирователя квадратурных несущих
Список литературы
1. Nyquist Н. Certain Topics in Telegraph Transmissio Theory // A.LE.E.
Trans. April 1928.
2. Sunde E.D. Theoretical fundamentals of pulse transmission. — Part I
11 BSTJ. May 1954. Vol.33. №3.
3. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информа-
ции Под. ред. А.Г.Зюко. М.:Радио и связь. 1985.
4. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь.
1983.
5. Gibby R.A., Smith J.W. Some extensions of Nyquist’s telegraph
transmission theory // BSTJ. September 1965. Vol. 44. №7.
6. Amoroso F., Montagnana M. Distorsionless data transmission with
minimum peak voltage // IEEE Trans. Inform. Theory. July 1967.
Vol. IT-13. №3.
7. Sousa E.S., Pasupathy S. Pulse shape design for teletext data
transmission // IEEE Trans. Communs. July 1983. Vol. COM-31. №7.
Список литературы
57
8. Красносельский И.Н. Квазиоптимальные импульсные сигналы для
цифровых систем передачи // Труды НИИР. 1984. №2.
9. Демидович В.II., Марон И.А. Основы вычислительной математи-
ки. М.: Наука. 1966.
10. Kim D.Y. Lower-bound eye widths of minimum-bandwidth systems //
IEEE Trans. Communs. February—April 1995. Vol. 43. №2—4.
11. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB 5.0/5.3. Система сим-
вольной математики. М.: Нолидж. 1999.
12. Красносельский И.Н. Анализ глазковых диаграмм и выбор фор-
мы импульсов для цифровой передачи сигналов // Электросвязь.
1997. №6.
13. Макаров С.Б., Цикин И.А. Передача
радиоканалам с ограниченной полосой
связь. 1988.
дискретных сообщений по
пропускания. М.: Радио и
14. Cooper J.C. Sine Squared Shaping of Sync and Drive Pulses // IEEE
Trans, on Broadcsting. June 1990. Vol. 36. №2.
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
3.1. Предварительные замечания
В технике цифровой связи методы модуляции играют весьма значи-
мую роль. Помимо своей основной функции — преобразования символ-
сигнал — процесс модуляции является составной частью общего про-
цесса согласования сигнала с характеристиками канала. Современные
методы многопозиционной модуляции в полном соответствии с теоре-
мой Шеннона могут рассматриваться и как способ кодирования дан-
ных сообщения в символы канала. Последнее свойство будет рассмот-
рено подробнее в § 4.7 применительно к методам построения решетчатых
сигнально-кодовых конструкций.
Специфика выбора тех или иных методов модуляции в системах циф-
рового телевидения обусловлена заданностью сетки каналов эфирного
вещания, а именно, использованием уже существующих частотных пла-
нов. В разных странах доступными являются радиоканалы с полосами
частот 6, 7, или 8 МГц. Цифровой поток различных служб, который
должен передаваться в этих полосах в нормальных условиях составляет
в разных системах вещания около 20 Мбит с и выше. Таким образом,
удельная скорость передачи должна составлять примерно 4 бит/(с-Гц) в
полосе 6 МГц и 3 бит/(с-Гц) в полосе 7 или 8 МГц. Но включение в
тракт передачи фильтров, задающих коэффициент скругления спектра
25-35%, а также необходимость повышения скорости передачи дан-
ных за счет ввода символов кодовой защиты от ошибок приводит к
дополнительному повышению удельной скорости сверх приведенных
теоретических значений.
Теоретически спектральную эффективность до 4 бит/(с-Гц) могут
обеспечить такие виды модуляции, как 16-QAM, 4-VSB или 16-PSK. Но
по указанным причинам приходится поднимать кратность модуляции и
применять модуляцию более высокого порядка, такую как 64-QAM и
8-VSB. В кабельных распределительных ТВ системах, где уровень по-
мех существенно ниже, чем при наземном вещании, есть возможность
еще более увеличить кратность модуляции и использовать 256-QAM и
16-VSB [1].
В наземном цифровом ТВ вещании есть ряд особенностей, связан-
ных с распространением радиоволн (многолучевое отражение, селек-
тивное затухание, влияние осадков), а также с воздействием помех от
индустриальных объектов и других радиосредств, работающих в со-
вмещенном или в соседних каналах. Одним из методов борьбы с этими
явлениями является переход от схемы модуляции с последовательной
передачей данных на одной несущей в канале (одночастотной модуля-
ции) к схеме модуляции с параллельной передачей данных на многих
несущих в одном канале (многочастотная модуляция).
Дальше будут рассмотрены основные виды и схемы модуляции, на-
ходящие применение в системах цифрового ТВ вещания.
3.2. Сигнальные созвездия
59
Особо отметим, что для обозначения видов модуляции обычно ис-
пользуют аббревиатуры, для которых существуют латинские и частич-
но русские эквиваленты. Однако, поскольку материал книги во многом
базируется на международных стандартах и других нормативных до-
кументах, а некоторые передовые схемы модуляции пока еще не полу-
чили терминологически точных русских названий, во избежание пута-
ницы, особенно при описании конкретных систем, будут использованы
преимущественно латинские аббревиатуры, а при описании методов
модуляции там, где это уместно, — русские термины и сокращения.
1
3.2. Сигнальные созвездия
3.2.1. Полярные диаграммы
Удобным средством анализа характеристик модулированных сигна-
лов является отображение их с помощью полярных и квадратурных
диаграмм в виде сигнальных созвездий.
При модуляции несущего колебания изменению могут быть подверг-
нуты такие его параметры как амплитуда, фаза и частота. При про-
стых видах модуляции модулирующее сообщение изменяет только один
параметр. При комбинированных видах модуляции (а также при пло-
хой схемотехнической реализации простых схем) одновременно могут
изменяться амплитуда и фаза несущей. В известных системах цифро-
вого телевидения применяют многоуровневую амплитудную модуляцию
с частично подавленной нижней боковой полосой (8-, 16-VSB), четы-
рехпозиционную квадратурную фазовую модуляцию (QPSK) и квадра-
турную амплитудно-фазовую модуляцию (16-, 64-, 256-QAM).
Наиболее простой способ отображения амплитудно-фазовых соотно-
шений модулированного сигнала — это полярная диаграмма. При пост-
роении полярной диаграммы несущая является опорным элементом,
относительно которого отсчитывается угол фазового сдвига и изменение
уровня модулированного сигнала. Модуль радиус-вектора, исходящего
из центра окружности (начала координат), характеризует относитель-
ный уровень элементарного сигнала, а угол наклона между радиус-век-
тором и некоторым начальным радиусом — текущий фазовый сдвиг.
Математически это можно выразить стандартной записью модулиро-
ванного сигнала:
s(t) = Acos(cot+e) = ARe{e7(w* + е)} = ARe{eWe}. (3.1)
Отображение сигнала s(t) на полярной диаграмме соответствует его
"замораживанию" во времени, когда фиксируются только амплитуда
сигнала А и его начальный фазовый сдвиг 6. Экспоненциальная фор-
ма записи сигнала позволяет выделить сомножители, характеризую-
щие частоту несущей е 7 и ее фазу е 7Л При построении полярной
диаграммы частотный сомножитель исключается, а остается только
фазовый [2].
60
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
о
градусов
Рис. 3.1. Полярные диаграммы для амплитудной (а), фазовой (б) и амплитудно-
фазовой (в) модуляций
Примеры полярных диаграмм, показывающих характерные изме-
нения значащих параметров для амплитудной, фазовой и амплитудно-
фазовой модуляций, приведены на рис. 3.1. При чистой амплитудной
модуляции переход между значащими позициями (Ml и М2) осуществ-
ляется по прямой линии (кратчайшему расстоянию) между ними. При
чистой фазовой модуляции — по дуге окружности. Соответственно из-
меняются либо уровень, либо фазовый сдвиг модулированного сигнала.
При возникновении паразитной модуляции иного свойства переход бу-
дет характеризоваться некоторой кривой линией. При совместной амп-
литудно-фазовой модуляции переход осуществляется по прямой линии,
связывающей точки с различными фазовыми углами.
3.2. Сигнальные созвездия
6 1
3.2.2. Квадратурные диаграммы
Современные модуляторы для цифровых систем передачи строятся,
как правило, по квадратурной схеме [3]. В таком модуляторе выходной
сигнал образуется суммированием двух различных модулированных
сигналов, несущие которых имеют между собой фазовый сдвиг 90 .
Входы двух модулирующих сигналов квадратурного модулятора обо-
значаются I и Q : I (синфазный) относится к каналу, в котором началь-
ный фазовый сдвиг несущей принимается равным 0°, Q — к каналу,
несущая в котором сдвинута на 90°. Для адекватного отображения про-
странства сигналов на выходе квадратурного модулятора полярные ди-
аграммы преобразуют в прямоугольную систему координат, в которой
по горизонтальной оси I откладывают уровень сигнала в синфазном ка-
нале, а по вертикальной оси Q — уровень сигнала в квадратурном кана-
ле. Все остальные построения соответствуют полярной диаграмме с уче-
том того, что ось I символизирует нулевой фазовый сдвиг, а ось Q —
сдвиг на 90°. Проекции вектора сигнала на оси I и Q рассматривают
как его квадратурные компоненты. Рис. 3.2 поясняет переход от по-
лярной диаграммы к квадратурной, а полные квадратурные диаграм-
мы для 4-ФМ и 8-ФМ показаны на рис. 3.3.
Рис. 3.2. К пояснению преобразования полярной диаграммы в квадратурную
62
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
Для упрощения рисунка квадратурной диаграммы, особенно при ото-
бражении сигналов современных многопозиционных видов модуляции,
обычно изображают только конечные точки векторов, исходящих из
начала координат, а сами векторы, как правило, опускают. Часто опус-
кают и сами оси I и Q, подразумевая, что они проходят через центр
симметрии фигуры. Полное множество модулированных сигналов, изоб-
раженных на квадратурной диаграмме в виде точек, называют сиг-
нальным созвездием, а сами сигналы — точками созвездия. Форма сиг-
нального созвездия соответствует виду модуляции, а расстояния между
точками созвездия характеризуют помехоустойчивость при приеме сиг-
нала. Если требуется пометить точки созвездия, рядом с ними разме-
щают значения битов модулирующих сигналов, которые порождают
данный модулированный сигнал с конкретными значениями фазы и
амплитуды.
Рис. 3.3. Полные квадратурные диаграммы для модуляций 4-ФМ (а) и
8-ФМ (б)
б)
В качестве примера на рис. 3.4 показаны несколько простых созвез-
дий: одномерных для амплитудной модуляции (AM) и двумерных для
фазовой модуляции (ФМ), геометрическим местом точек которых явля-
ются соответственно прямая и окружность. Здесь следует заметить, что
показанные созвездия AM получаются при использовании в качестве
модулирующего сигнала биполярных импульсов, значащие уровни ко-
торых симметричны относительно нулевого уровня. При модуляции
отрицательными импульсами одновременно изменяется на противопо-
ложную и фаза сигнала. Поэтому такая AM может рассматриваться и
как разновидность ФМ. При классической AM с пассивной паузой, ког-
3.2. Сигнальные созвездия
63
-<-------
2-AM
--» » • » >
4-АМ
—•—о—О~ О О О О >
8-АМ
16-АМ
а)
4-ФМ 8-ФМ 16-ФМ
б)
Рис. 3.4. Сигнальные созвездия для амплитудной (а) и фазовой (б) модуляций
да состоянию 1 соответствует некоторый уровень несущей, а состоянию
О — отсутствие несущей, созвездие будет иметь несимметричный ха-
рактер: точка 0 будет расположена в центре координат, а точка 1 — в
области положительных значений оси I. При однополярном многоуров-
невом модулирующем сигнале созвездие AM представляется рядом то-
чек на одной из полуосей I. При классической ФМ изменению подле-
жит только фаза сигнала при неизменной его амплитуде. Поэтому в
зависимости от кратности модуляции созвездие ФМ представлено соот-
ветствующим числом точек, расположенных на окружности. Двоичная
ФМ ничем не отличается от двоичной AM с биполярным модулирую-
щим сигналом и имеет такое же одномерное созвездие.
64
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
3.2.3. Диаграммы состояний
Полярным и квадратурным диаграммам иногда придают свойства
диаграммы состояний, показывая стрелками допустимые пути перехо-
да между точками созвездия. Центр квадратурной диаграммы соответ-
ствует нулевому уровню несущей. Поэтому, если переход из одной точ-
ки созвездия в другую происходит через начало координат, то это
адекватно сильному изменению огибающей модулированной несущей с
переходом ее через ноль. Большие изменения уровня несущей повыша-
ют требования к линейности тракта, иначе в спектре сигнала могут
возникать дополнительные гармонические составляющие, приводящие
к комбинационным искажениям и расширению спектра передаваемого
сигнала. Сильные вариации уровня возникают при одновременной ин-
версии значений битов в каналах I и Q. Если инверсия битов возникает
только в одном из квадратурных каналов, то уровень несущей изменя-
ется мало, во всяком случае исключаются переходы через ноль. Для
получения эффекта ограниченного изменения уровня несущей приме-
няют специальные методы, связанные с преобразованием структуры и
формы модулирующих сигналов: относительное кодирование, сдвиг во
времени (офсет) сигналов в каналах I и Q, найквистовскую фильтра-
цию.
3.3. Принципы квадратурной модуляции
В большинстве систем цифрового телевидения модуляторы и демо-
дуляторы строят по квадратурным схемам. Квадратурный модулятор
является универсальным устройством, которое может быть использо-
вано для получения сигнала линейно-модулированной несущей с двумя
боковыми полосами, включая такие виды, как фазовая и амплитудно-
фазовая модуляции [4].
Структурная схема квадратурного модулятора показана на рис. 3.5.
Основу модулятора составляют два балансных модулятора и сумматор
ВЧ сигналов, на выходе которого образуется квадратурномодулирован-
ный сигнал s(t). Несущие, поступающие на опорные входы балансных
модуляторов, имеют взаимный фазовый сдвиг 90°, т.е. находятся в квад-
ратуре. Входные модулирующие сигналы хДО и yQ(t) являются кванто-
ванными по уровню и дискретными во времени. Длительность их так-
тового интервала определяется частотой тактирования. Таким образом,
входные сигналы — это сигналы с амплитудно-импульсной модуляци-
ей (АИМ) в основной полосе. Они могут поступать на сигнальные вхо-
ды балансных модуляторов непосредственно или через низкочастотные
формирующие фильтры, как показано на рис. 8.5. В первом случае
формируется нефильтрованный выходной ВЧ сигнал с частотными со-
ставляющими, выходящими за пределы необходимой полосы. При НЧ
фильтрации модулирующих сигналов модулированный сигнал также
локализуется по спектру и согласуется с выделенной полосой частот
канала.
Получение различных видов модуляции с помощью квадратурного
3 3. Принципы квадратурной модуляции
65
Рис. 3.5. Структурная схема квадратурного модулятора
модулятора обеспечивается подачей на его входы биполярных АИМ
сигналов xz(0 и yQ(t), квантованных на различное число уровней и сим-
метричных относительно нуля. В "вырожденном" случае, т.е. когда на
один из входов подан ноль напряжения, а на другой двоичная последо-
вательность с относительными уровнями ±1, работает только один ка-
нал, и модулятор превращается из квадратурного в обычный баланс-
ный. На выходе формируется одномерный сигнал фазовой модуляции
с изменением фазы на 180°, переносящий 1 бит/символ. При подаче
двоичных АИМ сигналов в оба канала модулятора по каждому из ка-
налов передается 1 бит/символ, а общая скорость передачи составляет
2 бит/символ. В результате образуется сигнал 4-ФМ, обычно называе-
мый квадратурной ФМ (КФМ), но формально относящейся к широко-
му классу квадратурной амплитудно-фазовой модуляции (КАФМ). Сле-
дует упомянуть, что более общим термином АФМ принято называть
виды модуляции с созвездиями, местом точек которых являются кон-
центрические окружности с различными радиусами.
Сигнал КАФМ в общем виде может быть выражен следующей фор-
мулой:
U(t) = V^{a,g(t-kT)cos((O<t)-bkg(t-kT)s,in((t)lt)], ^3 2)
к
где V — нормирующий множитель;
со. — частота несущей;
k — число учитываемых тактовых интервалов;
Т — длительность тактового интервала;
g’(f) — форма импульса;
ak и bk — две независимые переменные, отражающие значения кодо-
вых комбинаций в квадратурных каналах I и Q соответственно, т.е.
уровни модулирующих импульсов.
Модулированному сигналу 4-КФМ соответствует выбор значений а
_ К
и bk из двоичного набора ±1. Для получения разновидностей КАФМ,
66
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
обладающих большим числом позиций и переносящих т бит/канал или
2т бит на символ модулированного сигнала (т=2, 3, 4, ...), входные
сигналы модулятора должны иметь 2 т уровней, относительные значе-
ния которых выбирают из ряда ±1, ±3, ±5,...4 (2/72-1). Соответственно
для 16-КАФМ уровни ak и bk могут принимать четыре значения (-3, -1,
1, 3), а для 64-КАФМ — шесть значений (-5, -3, -1, 1, 3, 5).
При точной настройке (балансировке) квадратурного модулятора и
при точном восстановлении несущих и тактовых частот в демодулято-
ре информационные сигналы обоих каналов полностью независимы и
никак не влияют друг на друга. Модель канала передачи при этом при-
обретает вид, показанный на рис. 3.6. Поскольку по радиоканалу одно-
временно передается пара ортогональных сигналов {х (t), у (t)}, то та-
кой канал и соответствующее ему сигнальное созвездие называются
двумерными. Пара сигналов {xt, у}, соответствующая конкретному так-
товому интервалу, называется символом модулированного сигнала или
точкой сигнального созвездия. Двумерную модуляцию КАФМ с созвез-
диями, формируемыми на основе прямоугольной координатной сетки,
часто рассматривают как операцию учетверения, применяемую к двум
одномерным созвездиям АИМ. По этой причине данный вид модуля-
ции обычно называется квадратурной амплитудной модуляцией — КАМ
(Quadrature Amplitude Modulation — QAM). Таким образом, модуля-
ция 4-КФМ и 4-КАМ — это равнозначные понятия.
Пу(0
Рис. 3 6. Модель канала при квадратурной модуляции
При нарушении симметрии плеч балансных модуляторов, при от-
клонении фазового сдвига между несущими от 90 возникают переход-
ные помехи между квадратурными каналами. Сигнальное созвездие при
этом размывается, т.е. в каждом такте точка созвездия имеет случай-
ные координаты в зоне, центр которой соответствует номинальным
3.3. Принципы квадратурной модуляции
67
координатам точки. При временном наложении последовательности
"снимков" созвездия образуется квадратурная диаграмма с размытыми
пятнами точек в позициях координатной сетки. Такой же внешний эф-
фект вызывают помехи и шумы канала. Все это ведет к ошибкам при
демодуляции и декодировании сигнала. Примеры искажений формы сиг-
нального созвездия модуляции 16-КАМ (см. рис. 3.7, а), вызываемые
различными причинами, показаны на на рис. 3.7, б-е (б — шумовая
помеха, в — гармоническая помеха, г — амплитудное ограничение в
усилителе, д — несинхронная тактовая частота, е — нарушение симмет-
рии плеч балансных модуляторов) [7].
Задача согласования модулированного сигнала с радиоканалом ре-
шается, в частности, оптимизацией формы и числа точек двумерного
сигнального созвездия. Сигнал КАМ, переносящий п бит/символ, т.е.
имеющий 2п точек сигнального созвездия, обладает следующим инте-
ресным свойством. Если п — целое четное число, то сигнальное созвез-
дие представляет собой простое отображение двух независимых квад-
ратурных каналов и обладает квадратной формой, а точки созвездия
имеют координаты в виде нечетных чисел. Если число п — нечетное,
то созвездие имеет крестообразную форму при расположении точек в
узлах той же прямоугольной координатной сетки, что и для четного п.
Минимальное относительное расстояние между любыми двумя точка-
а)
г)
Рис. 3.7. Примеры искажений формы сигнального созвездия модуляции 16-КАМ
68
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
ми созвездия равно 2. При увеличении порядка созвездия (числа бит на
символ) на единицу необходимо увеличивать мощность передатчика на
3 дБ.
3.4. Одночастотные схемы модуляции
3.4.1. Относительная фазовая модуляция
Относительная фазовая (или фазоразностная) модуляция (ОФМ
или ФРМ) является практическим методом реализации приема сигна-
лов с фазовой модуляцией. Перекодировка модулирующего сигнала
данных из абсолютного в относительный код позволяет учитывать при
декодировании не абсолютные значения фазы сигнала, а ее относитель-
ные сдвиги, что устраняет неопределенность решения о значении сим-
вола. Более подробно вопросы относительного кодирования будут рас-
смотрены в § 4.10.
Благодаря своей простоте и эффективности ОФМ получила широкое
распространение в цифровых системах передачи. Этому способствова-
ли такие ее свойства, как в 4 раза более высокая скорость по сравне-
нию с ЧМ при равной помехоустойчивости в канале с АБГШ, а при
равной скорости передачи информации вдвое большая помехоустойчи-
вость, чем у ЧМ и вчетверо большая, чем у AM [5].
Относительная фазовая модуляция является двоичной, или двухпо-
зиционной модуляцией, в которой используются два значения фазово-
го сдвига, отличающихся на 180 ’ Модуляция 2-ОФМ тождественна
балансной 2-AM и имеет то же самое сигнальное созвездие, с которым
совпадает и диаграмма состояний (см. рис. 3.4п). В современных циф-
ровых системах передачи применяют сигналы многопозиционной
М-ОФМ, т.е. модуляции с повышенной кратностью К (М=2К) по отно-
шению к ОФМ, кратность которой принята за единицу. Обычно ис-
пользуют наборы сигналов 4-, 8-, 16-ОФМ, созвездия которых показа-
ны на рис. 3.46. Но 8- и 16-ОФМ проигрывают 2-ОФМ и 4-ОФМ по
энергетической эффективности, требуя значительно более высокой мощ-
ности передатчика для достижения тех же характеристик.
В цифровом телевидении для передачи по спутниковым трактам и в
наземном вещании при тяжелых условиях приема используется двукрат-
ная, или четырехфазовая модуляция 4-ОФМ, обеспечивающая наилуч-
ший компромисс по соотношению мощность-полоса [6]. Другое название
этого вида модуляции, связанное с методом получения модулированного
колебания, — квадратурная относительная фазовая модуляция (КОФМ).
В англоязычной литературе КОФМ называется QPSK (Quadrature или
Quaternary Phase Shift Keying).
Модуляция QPSK предоставляет необходимый компромисс между
скоростью передачи и помехоустойчивостью и применяется как само-
стоятельно, так и в комбинациях с другими методами. Диаграммы со-
стояний модуляции QPSK и офсетной дифференциальной QPSK
(S-DQPSK) показаны на рис. 3.8. При реализации дифференциального
3.4. Одночастотные схемы модуляции
69
Рис. 3.8. Диаграммы состояния сигналов QPSK(a) и S-DQPSK(d)
кодирования в сочетании со сдвигом несущей нал/4 сигнальное созвез-
дие формируется двумя четырехточечными созвездиями QPSK, нало-
женными со сдвигом 45°. В результате в сигнале присутствуют восемь
фазовых сдвигов, причем фазы символов выбираются поочередно то из
одного созвездия QPSK, то из другого. Последовательные символы име-
ют относительные фазовые сдвиги, соответствующие одному из четы-
рех углов: ± л/4 и ±3 л/4 [8].
Структурная схема модулятора QPSK показана на рис. 3.9.
Рис. 3.9. Структурная схема модулятора QPSK
70
3 Методы модуляции в цифровых ТВ системах
Входной поток данных D разделяется на два параллельных потока
А и В, которые затем в преобразователе кода (ПК) перекодируются в
относительный код двух каналов (компонентов) I 'и Q I Цифровые по-
токи I ' и Q 1 подвергаются сглаживанию в формирующих фильтрах
(ФФ), выходные сигналы которых I и Q непосредственно управляют
работой четырёхфазового модулятора, состоящего из двух балансных
модуляторов и сумматора.
Фазовый сдвиг несущих в каналах I и Q равен 90°. Правило кодиро-
вания фазовых сдвигов показано в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Кодирование фазовых сдвигов QPSK
А В QPSK
0 0 45°
0 1 135°
1 0 315°
1 1 225°
3.4.2. Квадратурная амплитудная модуляция
Требования к точности характеристик формирующих и полосовых
фильтров тем выше, чем больше число позиций в модулированном сиг-
нале.
Сигналы квадратурной амплитудной модуляции M-QAM широко ис-
пользуются при передаче сигналов телевидения по радиорелейным и
кабельным линиям, в некоторых системах цифрового телевизионного
наземного вещания. Наиболее распространен формат модуляции
16-QAM. Сигнальное созвездие 16-QAM показано на рис. 3.10. Оно об-
Рис. 3.10. Сигнальное созвездие 16-QAM
3.4. Одночастотные схемы модуляции
7 1
разуется ансамблем из 16 сигналов, различающихся между собой по
фазе и амплитуде. В кабельных системах распределения ТВ сигналов
наряду с 16-QAM регламентируется применение форматов 64-QAM и
даже 256-QAM, созвездия которой образованы 256 позициями фазы и
амплитуды [9, 10, 11].
Рассмотрим принципы построения модема с квадратурной модуля-
цией на примере системы цифрового вещания с 16-QAM [12]. Струк-
турные схемы модулятора 16-QAM и демодулятора 16-QAM показаны
на рис. 3.11. Входной поток данных вначале подвергается необходи-
мой цифровой обработке в процессоре данных: выделению тактовой
частоты, скремблированию, дифференциальному кодированию, после-
довательно-параллельному преобразованию. Так как модуляция 16-QAM
Полосовой
фильтр
Выход
16-QAM
а)
б)
Рис. 3.11. Структурные схемы модулятора 16-QAM(a) и демодулятора 16-ОАМ(б)
72
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
обеспечивает удельную скорость передачи 4 бит/(сТц), то для последу-
ющей модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разде-
ляется на 4 подпотока с соответственно сниженными скоростями. За-
тем производится цифро-аналоговое преобразование двух двоичных
подпотоков в один четырехуровневый с одновременным формировани-
ем их спектра в ЦТФ, где импульсам придается сглаженная форма.
Четырехуровневые сигналы в каналах I и Q управляют работой балан-
сных модуляторов, выходные сигналы которых складываются, обра-
зуя сигнал 16-QAM с двумя полосами и подавленной несущей. На ба-
лансные модуляторы несущая поступает со сдвигом л 2, т.е. в
квадратуре. Выходной сигнал модулятора на промежуточной частоте
несущей проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внепо-
лосные излучения, и может быть конвертирован в полосу любого веща-
тельного канала.
В демодуляторе имеется аналогичная пара балансных модуляторов
и блоки обратного преобразования из четырехуровневых в двоичные
сигналы с последующей обработкой данных. Принципиально сложны-
ми узлами являются схемы восстановления подавленной несущей и так-
товой синхронизации. Обе эти операции выполняются на основе анали-
за структуры принимаемого сигнала в синфазном и квадратурном
каналах. Формирующие ФНЧ на выходах балансных модуляторов до-
водят спектр сигнала до требуемого по Найквисту и ослабляют шумы и
помехи.
3.4.3. Однополосная амплитудная модуляция
Одним из методов модуляции в системах цифрового ТВ вещания
является многоуровневая амплитудная модуляция с частично подав-
ленной нижней боковой полосой (АМ-ЧПБП, более известная как 8- и
16-VSB). Модулирующий сигнал представляет собой 8- или 16-уровне-
вые импульсы, сглаженные формирующим фильтром. Протяженность
нижнего и верхнего срезов спектра составляет 620 кГц при полной
ширине спектра 6 МГц [13].
Несущая частота в процессе модуляции подавляется, дополнитель-
но подавляется большая часть нижней боковой полосы. Это осуществ-
ляется подачей модулирующих сигналов на два смесителя, имеющих
взаимный фазовый сдвиг 90 . Вместо подавленной несущей на ее часто-
те добавляется пилот-сигнал небольшого уровня. Для получения пи-
лот-сигнала перед модуляцией к многоуровневому импульсному сигна-
лу основной полосы добавляется постоянное напряжение смещения,
которое в модулированном сигнале трансформируется в пилот-сигнал
[14].
Модуляция 8-VSB предназначена для применения в наземном циф-
ровом вещании, a 16-VSB — для кабельных распределительных сетей.
Обе разновидности модуляции VSB имеют одномерные созвездия с раз-
личным числом точек, из которых только половина используется для
передачи полезной информации, а другая половина — для корректиру-
ющего кодирования. Поэтому по скорости передачи полезной инфор-
3.5. Многочастотная схема модуляции OFDM
73
мации модуляция 8- (16-) VSB фактически соответствует 4- (8-) VSB
без кодирования. Скорость передачи символов при всех вариантах VSB
практически в 2 раза выше численного значения занимаемой полосы
частот [15].
3.5. Многочастотная схема модуляции OFDM
В системах наземного цифрового ТВ вещания существуют наиболее
тяжелые условия приема сигналов, особенно при приеме на подвиж-
ных объектах. Для достижения необходимого качества приема в ряде
систем применяют очень сложные методы модуляции и канального
кодирования. К их числу относится многочастотный метод передачи,
получивший название OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex —
ортогональное частотное разделение мультиплекса). Мультиплексом
называется цифровой поток, передаваемый по одному физическому ка-
налу сети вещания. Суть метода OFDM в следующем. В полосе канала
вещания (8 МГц для России) размещается от 2 до 8 тысяч несущих.
Каждая несущая модулируется низкоскоростным потоком данных, яв-
ляющимся частью общего цифрового потока. В качестве первичного
метода модуляции разделенных несущих допускается использовать
QPSK, 16- и 64-QAM [16].
Скорость передачи данных в каждом элементарном потоке равна
общей системной скорости, поделенной на число несущих. Частотное
распределение несущих в полосе радиоканала производится по опреде-
ленному правилу их ортогональности, допускающему перекрытие ска-
тов смежных спектров, но при условии, что на центральной частоте
каждой из несущих спектральные составляющие всех остальных моду-
лированных несущих переходят через ноль. В результате за счет боль-
шого числа несущих формируется групповой спектр мощности, очень
близкий к прямоугольному при любом коэффициенте скругления спек-
тра узкополосных модулирующих сигналов, что дает максимальную
эффективность использования полосы радиоканала. Пример расстановки
несущих в спектре OFDM показан на рис. 3.12.
Каждая из N смодулированных несущих, входящих в набор OFDM,
может быть выражена формулой
SJO = cos(2ti/4), (3.3)
j i
где fn = f0 + n/Ts, n = {0, 1,.. N-l};
Ts — длительность символа;
f — частота низшей несущей,
।
а модулированнный сигнал OFDM — формулой [17]
40 =
N
к к
ак cos 2я(/04—)/ + b sin 2л,(/' 4—)t
(3.4)
7 4
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
Рис. 3.12. Групповой спектр несущих OFDM
где Т — длительность тактового интервала;
N — число несущих;
ak, bk е {-1, +1} — данные синфазного и квадратурного каналов,
модулирующие k-ю несущую.
При использовании в качестве первичного метода модуляции QPSK
удельная скорость передачи при OFDM приближается к теоретическо-
му пределу, равному 2 бит/(сТц). Для повышения эффективности ис-
пользования полосы радиоканала для модуляции несущих применяют
методы модуляции с большим числом позиций, например 16- и 64-
QAM, получая при этом значения скорости 4 и 6 бит/(сТц) соответ-
ственно [18].
Поскольку при OFDM передаваемая информация разбита на боль-
шое число низкоскоростных подканалов, то длительность тактового
интервала для каждой несущей намного больше типичной задержки
отраженных сигналов при многолучевом распространении. Это преоб-
разует подверженный селективному федингу широкополосный канал
системы с одной несущей в большое число независимо федингующих
узкополосных каналов с частотным разделением. Более того, при OFDM
3.5. Многочастотная схема модуляции OFDM
75
небольшие группы несущих могут быть полностью подавлены без по-
терь принимаемой информации. Для этого вводят корректирующее ко-
дирование данных в сочетании с частотным и временным перемежени-
ем. При таком комплексном построении модема схему модуляции часто
называют кодированным OFDM или COFDM. С точки зрения физичес-
ких процессов модуляции и передачи радиосигнала оба эти понятия
равнозначны.
Метод OFDM относится к классу методов параллельной передачи
данных. В классической системе с параллельной передачей данных
выделенная полоса частот канала разбивается на N неперекрывающихся
частотных субканалов, для разделения которых используются фильт-
ры. При этом возникают следующие недостатки: неэффективное ис-
пользование полосы, поскольку полосы разделительных фильтров дол-
жны быть не уже (l+ot)B7V (где BN — полоса Найквиста, ос — коэффици-
ент скругления спектра для каждого подканала); сложность изготовле-
ния и взаимного согласования большого числа фильтров. Частично эти
недостатки могут быть преодолены методом квадратурной модуляции
M-QAM с шахматной расстройкой, когда соседние спектры перекрыва-
ются по уровню -3 дБ, а для разделения сигналов в субканалах приме-
няется чередующийся сдвиг данных на половину тактового интервала.
Этот метод обеспечивает получение плоского группового спектра с по-
ниженными требованиями к разделительным фильтрам. Для устране-
ния недостатков, связанных с низкой эффективностью системы и слож-
ностью технической реализации, и был найден метод, получивший
название OFDM.
Для получения сигнала OFDM не требуется много отдельных генера-
торов несущих с соответствующими узлами преобразования сигналов и
субканальными разделительными фильтрами. Спектры всех субкана-
лов перекрываются между собой, но их разделение обеспечивается не
полосовой фильтрацией, а специальной обработкой модулирующих дан-
ных в основной полосе частот. В модеме реализована идея прямого
синтеза группового спектра OFDM с использованием сигнального про-
цессора, работающего по алгоритму обратного быстрого преобразова-
ния Фурье (БПФ). Обычно при практической реализации модулятора
спектр сигнала OFDM формируется на некоторой промежуточной час-
тоте, а затем конвертируется в полосу радиоканала. Преобразования
сигналов в демодуляторе приемника OFDM отличаются использовани-
ем прямого БПФ [19].
Ортогональность субканалов при выделении их в приемнике посред-
ством БПФ может быть обеспечена только в случае отсутствия меж-
символьной интерференции и интерференции между несущими. На прак-
тике эти условия не выполняются из-за искажений, возникающих в
канале. Поскольку спектры несущих в субканалах теоретически не ог-
раничены по полосе, то любое их ограничение, например, общим ка-
нальным фильтром или искажение за счет многолучевого распростра-
нения приводит к перераспределению энергии между субканалами и,
следовательно, к возникновению МСИ. Для борьбы с этим явлением
используют простое решение — общую длительность символа OFDM Тс
о
76
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
увеличивают и часть ее в начале символа отводят под защитный интер-
вал TG. Поэтому полезная длительность символа Т т = Ts — Т г В преде-
лах защитного интервала передается как бы возвращённая назад во
времени копия последующей части символа. Процесс формирования
полного символа OFDM, включающего защитный интервал, схематич-
но показан на рис. 3.13.
Циклическое расширение
во временной области
Защитный
интервал
Активный символ
Рис. 3.13. К пояснению формирования полного символа OFDM
Ти = N/W
Тз------
Правильный выбор длительности защитного интервала позволяет в
определенных пределах устранить помехи, вызываемые эхо-сигнала-
ми. На рис. 3.14 показаны временные интервалы для основного сигна-
ла и двух его эхосигналов. Задержка первого эхосигнала находится в
Полная длительность символа
Полезный символ
N-1
N+1
Эхосигнал 1
N+1
Задержка 1
Основной
сигнал
Защитный
интервал
N-1
N+1
Эхосигнал 2
Задержка 2
Рис. 3.14. Временные интервалы основного и двух эхосигналов
3.5. Многочастотная схема модуляции OFDM
77
допустимых пределах, и переходные процессы из-за стыка двух симво-
лов приходятся на защитный интервал основного сигнала, не искажая
его полезную часть. Напротив, если второй эхосигнал задержан свыше
допустимых пределов, то его переходная зона приходится на полезную
часть основного сигнала, т.е. защита не обеспечивается.
Рисунок 3.15 иллюстрирует суммирование нескольких задержанных
сигналов с образованием мешающего сигнала, устраняемого за счет
защитного интервала. На рисунке помимо основного сигнала показаны
отраженные эхосигналы 1; 2 и сигнал соседнего передатчика одночас-
тотной сети (эхосигнал 3). В приемник поступает сумма этих четырех
сигналов. При выборе времени TG больше времени импульсной реак-
ции канала или времени задержки распространения, МСИ существен-
но снижается, так как все переходные процессы от нежелательных сиг-
налов завершаются в пределах защитного интервала. Заметим, что даже
при наличии защитного интервала интерференция между несущими
сохраняется. Так как введение защитного интервала снижает пропуск-
ную способность системы, то обычно на практике его длительность не
превышает одной четверти от длительности символа. Хорошим спосо-
Сигналы:
Рис. 3.15. Защитный интервал в символе OFDM
78
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
бом увеличения длительности защитного интервала и поддержания
высокой пропускной способности является увеличение числа несущих
и, тем самым, увеличение полезной длительности символа при относи-
тельно уменьшенной длительности защитного интервала. В системном
плане радикальным средством борьбы со всеми искажениями и поме-
хами является переход к схеме с кодированием — COFDM.
Особенностью модуляции OFDM является повышенная неравномер-
ность уровня мощности группового модулированного сигнала. На
рис. 3.16 показан результат суммирования пяти смодулированных не-
сущих различных частот. Их суммарный сигнал имеет сильную нерав-
номерность амплитуды. Отношение пиковой к средней мощности в каж-
дом субканале системы OFDM также как и для систем с одиночной
несущей зависит только от вида сигнального созвездия и коэффициен-
та скругления спектра ос. Теоретически различие в значениях отноше-
ний пиковой мощности к средней для полного спектра системы COFDM
и системы с одиночной несущей составляет Л(Рм/Ро)=1О IgN, где N —
число несущих. При 7V=4000 разница должна составить 30 дБ. Однако
практически за счет рандомизации данных скремблированием и дру-
гих преобразований структуры потока теоретическое значение может
быть достигнуто в очень редких случаях, в частности, при больших
размерах сигнального созвездия. Так как скремблированный сигнал
----- sin(x)
----- sin(2x)
----- sin(3x)
----- sin(4x)
----- sin(5x)
----- U(x)
Относительное время
Рис. 3.16. Сумма несущих OFDM
3.6. Иерархические режимы модуляции
79
OFDM может рассматриваться как последовательность независимых
одинаково распределенных несущих, то согласно центральной предель-
ной теореме теории вероятностей при большом числе несущих (А > 20)
их распределение приближается к гауссовскому. При этом вероятность
того, что превышение пиковой мощности над средней мощностью со-
ставит 9,6 дБ, равна 0,1%, а что превышение составит 12 дБ — менее
0,01% [19].
3.6. Иерархические режимы модуляции
Для расширения зоны покрытия при наземном вещании можно ис-
пользовать как традиционные методы, связанные с повышением мощ-
ности передатчика и увеличением высоты антенной опоры, так и мето-
ды, специфические для систем цифрового вещания. Изменяя степень
кодовой защиты каких-либо составляющих вещаемого цифрового по-
тока или относительные расстояния между точками и группами точек
сигнального созвездия, или и то и другое одновременно, можно обеспе-
чить различную помехоустойчивость приема сигналов различных служб.
Однако, если требования к необходимому отношению несущая/шум и
к вероятности ошибки на границе зоны остаются неизменными, то для
некоторой службы рост помехоустойчивости адекватен расширению
зоны ее уверенного приема с прежним качеством. Получается, что при
одной и той же мощности передатчика существует некая центральная
зона, в которой уверенно принимаются все вещательные службы, а
также одна или несколько зон с большим удалением от передатчика,
где возможен прием только части служб. Такой режим вещания назы-
вается вещанием с постепенной деградацией, а также вещанием с при-
оритетным или иерархическим приемом служб. Схематически иерар-
хический режим вещания с несколькими приоритетами приема показан
на рис. 3.17.
Рассмотрим, какие изменения в процессе модуляции обеспечивает
режим приоритетного приема.
Как известно, вероятность ошибки при приеме сигнала зависит от
расстояния между точками сигнального созвездия. Поэтому основная
идея состоит в том, чтобы в созвездии многопозиционного сигнала сна-
чала выделить группы точек, связанные с определенными битами мо-
дулирующего потока, а потом определенным образом изменить рассто-
яния внутри и между группами точек. Чем больше точек в сигнальном
созвездии, тем больше различных вариантов его модификации. В каче-
стве возможных методов модуляции с иерархическими уровнями пред-
лагается 64-QAM и 64-DAPSK [20]. Чтобы различать обычные и иерар-
хические виды модуляции, названия последних индексируют буквами
MR (Multi-Resolution — с многократным разрешением), например,
MR16-QAM или MR64-QAM [16].
Для достижения требуемой помехоустойчивости модулирующие
транспортные потоки могут кодироваться с разными кодовыми скорос-
тями. Определенной платой за иерархический режим является невоз-
можность мгновенного переключения декодера на прием программы с
80
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
TV1, TV2, Data
j TV1, TV2, Data
I
Рис. 3.17. Иерархический режим вещания с несколькими приоритетами приема
другим приоритетом, так как необходима пауза от 0,2 до 0,5 с для
реконфигурирования цепей декодера и установления его правильной
синхронизации [21].
Для обеспечения режима приоритетного приема можно использо-
вать как обычные равномерные сигнальные созвездия, так и неравно-
мерные сигнальные созвездия с различными расстояниями между точ-
ками созвездия в квадранте и между квадрантами. Все это позволяет
осуществлять модуляцию одновременно несколькими независимыми
транспортными потоками, имеющими различные приоритеты.
3.6. Иерархические режимы модуляции
81
Рис. 3.18. Сигнальное созвездие 16-QAM
(иерархическая модуляция с а — 1)
Пример иерархической модуляции MR16-QAM при равномерном
сигнальном созвездии показан на рис. 3.18. Каждая точка сигнального
созвездия отображает комбинацию из четырех бит: z/0<?, уг , у , у . Биты
y{)q и Уъд подаются в синфазный, а биты у и y3q — в квадратурный
каналы модулятора. Двоичный номер каждой точки созвездия образу-
ется следующим образом: первые два старших бита yQq и у — опреде-
ляют номер квадранта и их значение одинаково для всех точек конк-
ретного квадранта; два младших бита — y2q и y3q — определяют номер
точки в квадранте. Очевидное решение состоит в организации модуля-
ции в два шага. На первом шаге фазовый квадрант выбирается соот-
ветственно значениям двух старших битов канального потока данных
с высоким приоритетом. Тогда созвездие мгновенных значений фазы и
амплитуды внутри предварительно выбранного квадранта формирует-
ся в зависимости от значений двух младших битов, относящихся к
другому канальному потоку данных с низким приоритетом.
На рис. 3.18 значения старших разрядов указаны посредине каждо-
го квадранта, а младших разрядов — около каждой точки внутри квад-
ранта. Все точки каждого квадранта объединены в одну зону круглой
формы. Эти четыре зоны образуют созвездие, напоминающее размытое
созвездие QPSK. Такой подход к формированию и отображению точек
созвездия позволяет интегрировать более помехоустойчивую модуля-
цию QPSK в диаграмму созвездия для системы с 16- или 64-QAM. По-
ток данных высокого приоритета при этом демодулируется независимо
посредством единственной оценки номера используемого квадранта.
Декодирование потока данных с высоким приоритетом может быть
дополнительно улучшено увеличением расстояния от осей координат
до точек созвездия, т.е. переходом к иерархической модуляции с нерав-
номерным сигнальным созвездием. Общий подход к конструированию
неравномерного сигнального созвездия с двумя уровнями неравномер-
82
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
Q
Рис. 3.19. Формирование неравномерного сигнального созвездия
ности при модуляции MR64-QAM показан на рис. 3.19 для одного квад-
ранта [20]. Различная помехоустойчивость для групп точек созвездия
достигается выбором соответствующих евклидовых расстояний dv d2,
d^ В качестве характеристики неравномерности созвездия вводятся ко-
эффициенты a=djd2 и a2=d2/d2 (не путать с коэффициентом скругле-
ния спектра, который также обозначается греческой буквой ос).
Примером практического использования иерархической модуляции
типа MR16-QAM и MR64-QAM являются нормы Стандарта EN 300 744
[9], которые для получения режима приема с двумя приоритетами рег-
ламентируют построение сигнального созвездия максимально с одним
уровнем неравномерности (ос^а, ос2=1) при трех значениях коэффици-
ента неравномерности ос:
ос = 1 — обычная неиерархическая или иерархическая модуляция с
равномерным сигнальным созвездием (см. рис. 3.10 и 3.18);
ос = 2 — иерархическая модуляция с неравномерным сигнальным
созвездием, когда расстояние между двумя ближайшими точками со-
звездия в смежных квадрантах вдвое больше расстояния в пределах
одного квадранта (рис. 3.20);
3 6. Иерархические режимы модуляции
83
Рис. 3 20. Сигнальное созвездие 16-QAM, ос = 2
ос = 4 — иерархическая модуляция с неравномерным сигнальным
созвездием, когда различие расстояний между точками внутри и меж-
ду квадрантами составляет четыре раза (рис. 3.21).
Рис. 3.21. Сигнальное созвездие 16-QAM, а = 4
84
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах
а) б)
Рис. 3.22. Сигнальное созвездие 16-QAM (ot = 2) при действии шума (а) и сильного
шума (б)
Следует отметить, что при неизменной средней мощности передат-
чика введение в созвездие неравномерности сближает точки для битов
пониженного приоритета. Поэтому повышение надежности передачи
при интегрированной QPSK со значением ос >1 данных высшего при-
оритета понижает помехоустойчивость данных низкого приоритета. Это
различие в помехоустойчивости невелико (примерно 0,1 — 0,5 дБ для
кодовых скоростей 1/2 — 3/4) в случае равномерной иерархической
модуляции [21]. Действительно, для сохранения помехоустойчивости
потока данных низкого приоритета требуется некоторое увеличение от-
ношения сигнал/шум в принимаемом сигнале.
Для компенсации снижения помехоустойчивости данных с низким
приоритетом их обычно кодируют более мощным кодом. Введение в
потоки данных с высоким и низким приоритетом их собственной защи-
ты от ошибок создает условия, при которых передача в режиме интег-
рированной QPSK менее восприимчива к помехам, чем в случае с неие-
рархической 16- или 64-QAM. При этом обеспечивается также более
высокая вероятность покрытия для потока данных с высоким приори-
тетом, что создает благоприятные условия для внедрения систем ра-
диовещания, предполагающих прием на подвижные и носимые сред-
ства.
Для наглядной демонстрации особенностей различения точек нерав-
номерного созвездия при приеме в канале с шумом на рис. 3.22 а и б
показаны полученные путем вычислительного моделирования сигналь-
ные созвездия 16-QAM с ос=2 при воздействии шума различной интен-
Список литературы
85
сивности. Видно, что шум размывает точки созвездия, и что при очень
сильном шуме (см. рис. 3.226) различить точки внутри квадрантов ста-
новится практически невозможно. Однако за счет введенной неравно-
мерности сигналы между квадрантами различаются достаточно хоро-
шо, т.е. поток с высоким приоритетом может быть декодирован с
приемлемой вероятностью ошибки.
Применение иерархической модуляции представляет интерес в от-
ношении планирования покрытия. При этом, по крайней мере для од-
ной программы, вероятность покрытия может быть значительно уве-
личена и практически может даже не снизиться для потоков данных с
низким приоритетом. За счет изменения уровня защиты от ошибок
для потоков данных с высоким и низким приоритетом возможно полу-
чать достаточно много практически необходимых вариантов.
Список литературы
1. ITU-R. Doc.ll-3/89-Е, 23.10.1995. Delayed Contribution. (TG 11/3
Special Rapporteurs). — Phisical Layer and Modulation.
2. Dittmer T.W. Digitally Modulated RF Systems. — NBC’98. Papers.
3. Digital Modulation in Communications Systems. — An Introduction
Hewlett-Packard Company. — Application Note 1298. Printed in U.S.A.
7/97. 5965-7160E.
4. Efficient Modulation for Band-Limited Channels G.D. Forney, R.G.
Gallager, G.R. Lang, et all // IEEE Trans. Select. Areas Communs.
September 1984. Vol. SAC-2. №5.
5. Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. М.: Связь. 1979.
6. Handbook on Satellite Communications (Fixed-Satellite Service) //
ITU. CCIR. Geneva. 1985.
7. Testing Digital Video Tutorial. Part 3. Network Tests and
Measurements. — The International Engineering Consortium.
http:/1 www.iec.org/ tutorials
8. Chennakeshu S., Saulnier G.J. Differentional Detection of
р/4-Shifted-DQPSK for Digital Cellular Radio / IEEE Trans. Vehic.
Tech. February 1993. Vol. 42. №1.
9. European Standard (Telecommunications series) EN 300 744 VI.1.2
(1998-08). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing Structure,
Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television
(DVB-T). EBU/CENELEC/ETSI JTC.
10. European Standard (Telecommunications series) EN 300 429 VI.2.1
(1998-04). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for cable systems. — EBU/CENELEC
ETSI JTC.
86
3 Методы модуляции в цифровых ТВ системах
ll .ITU-T Recommendation J.83 (10/95). Digital Multi-Programme
Systems for Television Sound and Data Services for Cable Distribution.
— ITU-T Recommendations on CD-ROM. Geneva.
12. Star E. Development of a prototipe system for digital terrestrial HDTV
// Tele.: English Edition. 1992. №1.
13. ATSC Digital Television Standard. — ATSC Doc.A/53. March 2000.
14. Reed-Nickerson L. Understanding and testing the 8VSB signal //
Broadcast Engineering. November 1997. Vol. 39. №12.
15. Wu Y. Modulation and Channel Coding for ATV Terrestrial
Transmission // SMPTE Journal. August 1994. Vol. 103. №8.
16. ITU-R Recommendation ВТ.1306-1. Error-Correction, Data Framing,
Modulation and Emission Methods for Digital Terrestrial Television
Broadcasting.
17. Shepherd S., Orriss J., Barton S. Asymptotic Limits in Peak
Envelope Power Reduction by Redundant Coding in Orthogonal
Frequency-Division Multiplex Modulation // IEEE Trans. Communs.
January 1998. Vol. 46. №1.
18. ITU-R. Doc.ll/4-Е, Rev.l, 18.03.1999. (Task Group 11/3). — A Guide
to Digital Terrestrial Television Broadcasting in the VHV/UHV Bands.
19. Zou W.Y., Wu Y. COFDM: An overview//IEEE Trans, on Broadcasting.
March 1995. Vol. 41. №1.
20. C. Engels V., Rohling H. Multi-Resolution 64-DAPSK Modulation
in a Hierarchical COFDM Transmission System // IEEE Trans.
Broadcast. March 1998. Vol. 44. №1.
21. Week. Coverage aspects of digital terrestrial television broadcasting //
EBU Technical Review. Winter 1996. №270.
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование
структуры данных
4.1. Основные понятия
4.1.1. Блоковые и сверточные коды
Практически важный вывод работ Шеннона состоит в том, что если
скорость передачи информации меньше пропускной способности кана-
ла, то с использованием кодов, исправляющих ошибки, можно создать
систему связи со сколь угодно малой вероятностью ошибки на выходе
декодера канала. При этом адекватная система без корректирующего
кодирования будет более сложной, дорогой и энергоемкой. Отсюда вы-
вод: система, не имеющая корректирующего кодирования и работаю-
щая без ошибок, — это крайне неэффективная система. Напротив, со-
временная эффективная цифровая система передачи должна работать
в режиме с достаточно высокой частотой ошибок в потоке на входе
декодера, а декодированный поток должен иметь крайне малую веро-
ятность ошибки на бит (квазибезошибочный режим работы). Создавае-
мые в настоящее время системы цифрового телевизионного вещания
вполне отвечают этому требованию.
Все корректирующие коды можно разделить на два больших класса:
блоковые и древовидные (сверточные). В цифровом телевидении ис-
пользуются и те, и другие.
Блоковые коды реализуются как коды "без памяти", поскольку у них
k входных информационных символов порождают блок из п = k + г
выходных символов, причем каждый блок из п символов зависит толь-
ко от своего входного блока из k символов и не зависит от других бло-
ков, т.е. отсутствует память между блоками. Задача кодирования и
поиска наилучших кодов состоит в добавлении к блоку k такого мини-
мально необходимого числа проверочных символов г, логически взаи-
мосвязанных с символами k и между собой, чтобы при декодировании
обеспечить наилучшее исправление ошибок, характерных для опреде-
ленного канала связи.
Простейшим случаем блокового кодирования является проверка на
четность. На рис. 4.1,а показан вариант одномерной проверки, когда
один проверочный разряд характеризует четность всей кодовой комби-
нации, что позволяет обнаруживать нечетное число ошибок в блоке.
Рис. 4.1, а. Байт с проверкой на четность
88
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Рис 4.1,6. Блок данных с проверкой по строкам и столбцам
На рис. 4.1,6 показан более сложный случай проверки по строкам и
столбцам блока данных, сформированного в виде двумерного массива.
В последнем случае имеется возможность определять точное местопо-
ложение одиночных ошибок.
Основные параметры блокового кода следующие:
• информационная длина блока k;
• длина блока п;
• скорость кода R = k/щ
• минимальное кодовое расстояние d .
В теории кодирования существует понятие расстояние Хемминга
d(x,y). Им называют число позиций, в которых различаются две после-
довательности х и у длины п [1]. Тогда наименьшее значение d(x.y) для
всех расстояний по Хеммингу среди всех пар кодовых последователь-
ностей хи и называется минимальным кодовым расстоянием d . Если
для блокового кода 6мин> 2t + 1, то t — число ошибок любой конфигу-
рации в кодовом блоке длины д, гарантированно исправляемых дан-
ным кодом. Отметим, что тот же код может исправить и более t оши-
бок на блок, но только для некоторых конкретных конфигураций
ошибок.
Сверточные коды являются наиболее важным подклассом так назы-
ваемых древовидных кодов, у которых текущий набор выходных сим-
4.1. Основные понятия
89
волов зависит не только от соответствующего набора входных симво-
лов, но и от определенного числа предыдущих наборов входных симво-
лов. Сверточные коды, как и блоковые, характеризуются кодовой ско-
ростью, кодовым расстоянием, а также специфическим параметром
длиной кодового ограничения. По аналогии с блоковыми кодами кодо-
вая скорость определяется как R=kJnQ. Сверточные коды формируют-
ся кодерами "с памятью", это означает, что, если в каждый момент
времени в кодер входит kQ символов входной последовательности, то на
выходе кодера образуются п0 символов выходной последовательности.
При этом в памяти кодера хранится и предыдущих наборов входных
символов. Аналогом минимального кодового расстояния d и является
свободное кодовое расстояние d . Параметр пА = vkQ сверточного кода
называется длиной кодового ограничения. Более подробно сверточные
коды будут описаны далее.
4.1.2. Конечные поля
Теория кодирования во многом опирается на такие разделы совре-
менной алгебры, как теория групп, колец и конечных полей. При опи-
сании особенностей построения тех или иных кодов и кодеков часто
употребляется понятие полей Галуа. Для объяснения этих терминов
дадим ряд самых общих определений.
Группой называется алгебраическая система, образованная непус-
тым множеством элементов и одной операцией *, которая определена
для двух любых элементов и обладает четырьмя свойствами:
1) замкнутость: для каждой пары элементов а и b множества, эле-
мент с=а*Ь также принадлежит множеству;
2) ассоциативность: ak(bkc)=(akbykc;
3) существование единичного элемента е: а*е=е*а=а;
4) существование обратных элементов: а*Ь=Ька=е.
Дополнительное свойство для некоторых групп — коммутативность:
a*b=b*a.
Указанные свойства позволяют дать такое нестрогое определение:
группа — это множество, в котором можно складывать и вычитать [1].
Группа G с конечным числом элементов q называется конечной груп-
пой, а число элементов q называется порядком группы.
Кольца и поля являются алгебраическими системами с двумя опре-
деленными для них операциями — сложением и умножением. По ана-
логии с определением группы можно сказать, что кольцо — это множе-
ство, в котором можно складывать, вычитать и умножать, а поле —
это множество, в котором можно складывать, вычитать, умножать и
делить. Поэтому для них действует закон дистрибутивности:
а(Ъ+с)=аЪ+ас, (Ь+с)а=ЬаГса для. любых элементов а, Ь, с из поля.
Единичный элемент поля относительно операции сложения называ-
90
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
ется нулем и обозначается 0, единичный элемент поля относительно
операции умножения называется единицей и обозначается 1.
Поля с конечным числом элементов называются конечными полями
или полями Галуа и обозначаются GF(q). Число элементов в поле q
называется порядком поля. Совокупность целых чисел по модулю q
образует поле, если q является простым числом (числом, не имеющих
других делителей, кроме самого себя: 2, 3, 5, 7, 11,...). В этом случае
элементами поля являются числа 0, 1,..., q -1, а операции с этими
числами выполняются по модулю q [2].
Для любого простого числа р и любого целого положительного чис-
ла т существует конечное поле порядка q = рт, обозначаемое GF (рт).
Произвольный элемент поля Галуа GF (рт) представляет собой вектор
длины т с элементами из поля GF (р). Поле GF (р) образует совокуп-
ность целых чисел по модулю р. Простое число р называется характе-
ристикой поля [3]. Если q является степенью простого числа ( q = рт
при т>1 ), то поле не может быть образовано из совокупности целых
чисел по модулю q. В этом случае элементами поля являются все мно-
гочлены степени т - 1 или менее, коэффициенты которых принадле-
жат полю GF (р). Операции с этими многочленами требуют приведения
результата по модулю некоторого специального многочлена р (х) степе-
ни т, называемого неприводимым многочленом [2, 4].
Поле Галуа наименьшего порядка GF (2) содержит только нулевой и
единичный элементы — это поле с двоичным алфавитом, т.е. со стан-
дартными для двоичной системы значениями символов 0 и 1. Напри-
мер, поле Галуа порядка 16 GF (24) содержит 16 векторов длины 4,
состоящих из элементов 0 и 1, т.е. является совокупностью целых чи-
сел по модулю 2. В цифровых системах передачи особенно широко
применяются методы кодирования и преобразования данных, основан-
ные на полях Галуа с характеристикой 2, т.е. GF (2т).
4.2. Энергетический выигрыш кодирования
Введение при кодировании для исправления ошибок в информаци-
онный сигнал избыточных символов сопровождается негативным эф-
фектом — снижением, при неизменной скорости цифрового потока (CDS),
скорости передачи полезной нагрузки(С ) обратно пропорционально
скорости кода (R): CDS = Cinf/R, бит/с. Отсюда следует, что для сохране-
ния скорости передачи полезной нагрузки необходимо расширение по-
лосы частот канала в R раз или повышение кратности модуляции.
Положительным эффектом помехоустойчивого кодирования являет-
ся либо снижение вероятности ошибки, либо снижение энергетики пере-
дачи при той же вероятности ошибки, либо и то, и другое одновременно.
Таким образом, кодирование расширяет возможности компромисса между
полосой и энергетикой канала, присущего любой системе связи.
В качестве примера системных компромиссов рассмотрим воз-
можности выбора между кратностью относительной фазовой моду-
ляции К = log2M, кодовой скоростью R и минимально необходимой
полосой BN.
4.2. Энергетический выигрыш кодирования
91
Положим, что кодер источника производит биты информации со
скоростью Vb = 1/Ть, где Ть — длительность информационного символа
(тактовый интервал) в системе без кодирования. Тогда в зависимости
от кратности модуляции М-позиционного сигнала ФМ требуется поло-
са Найквиста BN = 1/КТь. При кодировании кодом, исправляющим
ошибки, скорость группового потока, состоящего из информационных
и проверочных символов, возрастает в 1/R раз и становится равной
Vc = l/RTb, соответственно увеличивается и полоса Найквиста
BN = l/KRTb. Данные расчетов для ряда значений К и R приведены в
таблице.
Таблица. Варианты фазовой модуляции с кодирования
Число позиций сигнала ФМ М Кратность модуляции К Кодовая скорость R Полоса Найквиста
2 1 1 (без кодирования) 1/2 2/3 3/4 4/5 1/т6 2Дь 3/2ТЬ 4/ЗТь 5/4Ть
4 2 1 (без кодирования) 1/2 2/3 3/4 4/5 1/2Ть 1Дь 3/4ТЬ 2/ЗТь 5/8Ть
8 3 1 (без кодирования) 1/2 2/3 3/4 4/5 1/ЗТ6 2/ЗТ6 1/2Ть 4/9Т6 5/12ТЬ
16 4 1 (без кодирования) 1/2 2/3 3/4 4/5 1/4Ть 1/2Ть 3/8ТЬ 1/зть 5/16ТЬ
Из таблицы следует, что при передаче с неизменной скоростью
Vb = const, одно и то же значение полосы Найквиста, например,
BN= l/2Tb, обеспечивается для сочетаний (К=2, В=1), (К=3, В=2/3),
(К=4, R=l/2). Какое же сочетание лучше?
Ответ на этот вопрос дает параметр, называемый энергетическим
выигрышем кодирования (ЭВК).
Рассмотрим случай, когда передача в системах без кодирования и с
кодированием производится при неизменной средней мощности Рср. В
системе без кодирования вычисленная энергия одного бита информа-
ции составляет Еь = Р /Уъ • В системе с кодированием за счет увеличе-
ния общего числа символов энергия одного бита кодированного потока
снижается до значения Е„ = RE, <Е.иР = ErVr .
92
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Пусть в канале действует аддитивный белый гауссовский шум
(АБГШ) с односторонней спектральной плотностью мощности N . Тог-
да отношение мощности модулированного сигнала к мощности шума
на выходе приемного фильтра с полосой Найквиста (обычно называе-
мое отношением несущая/шум) равно
C/N = EcVc/N0BK=Ec/N = (Eb/N0)R, (4.1)
так как в этом случае Vc численно равна BN .
Если значения параметров в выражении (4.1) выразить в децибелах,
то его можно записать в виде
С Е ( 1 А
—(дБ) = -^-(дБ)-101g -
N Nn
(4.2)
Формула (4.2) показывает, что для некоторой вероятности ошибки
значение отношения С/N может быть на 101g(l/B) ниже, чем значение
отношения Eb /Nq для той же вероятности ошибки в системе без коди-
рования. Эта величина является некоторой постоянной составляющей
энергетического выигрыша кодирования и иногда называется выигры-
шем производительности [5].
Нь/%,дБ
Рис. 4.2. Определение ЭВК по кривым для вероятности ошибки в зависимости от
отношения Eb /NQ
4.3. Тип решения в двоичном канале и его влияние на ЭВК
93
Реально достижимый ЭВК зависит, в первую очередь, от свойств
корректирующего кода и алгоритма его декодирования. В качестве при-
мера определения ЭВК на рис. 4.2 показаны характеристики вероятно-
сти ошибки от отношения Eb/N{} jxjin системы ФМ с кодированием и без
него. Разница значений Eb /N между двумя кривыми по горизонтали
при фиксированной вероятности ошибки (на рис. 4.2 — для значений
103 и 105) и есть ЭВК (Gc).
Значение реального ЭВК зависит от той вероятности ошибки Р , при
которой он определяется. При возрастании с/ш (снижении вероятнос-
ти ошибки) ЭВК увеличивается, но до определенных пределов. Верх-
ней границей реального ЭВК является асимптотический ЭВК, который
определяется как
Ga - 101£(/Ц),
(4.3)
где df— свободное расстояние сверточного кода [6].
Типичная зависимость ЭВК от вероятности ошибки канала показа-
на на рис. 4.3, где кривая соответствует использованию сверточного
кода с R =1/2, d=5 для асимптотического ЭВК, равного 3,98 дБ.
Логарифм вероятности ошибки канала, -1g (Ре)
Рис. 4.3. Зависимость ЭВК от вероятности ошибки
4.3. Тип решения в двоичном канале и его влияние на ЭВК
Приведенная для асимптотического ЭВК формула справедлива для
канала с АБГШ при очень высоких значениях Eb/NQ и при мягком
решении демодулятора, т.е. при квантовании выхода решающего уст-
ройства на бесконечное число уровней. Схемотехнически мягкое реше-
ние реализуется установкой в решающее устройство аналогово-цифро-
94 4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
вого преобразователя (АЦП) с требуемым числом разрядов, в отличие
от однопорогового компаратора, используемого в схеме с жестким ре-
шением. Это эквивалентно тому, что на декодер, помимо основной, по-
ступает некоторая дополнительная информация, которая необходима
для уточнения параметров процесса декодирования, для повышения
исправляющей способности декодера. На структурной схеме обобщен-
ной модели ЦСП (см. рис. 1.1) дополнительная связь между демодуля-
тором и декодером, помеченная как "информация о надежности", слу-
жит для выдачи данных мягкого решения.
При переходе от жесткого решения к мягкому также изменяется
характер взаимодействия между демодулятором и декодером. В преде-
ле при бесконечно большом числе уровней квантования дискретный
канал переходит в непрерывный, а декодер может реализовать функ-
цию максимального правдоподобия. Отличительной чертой такого де-
кодера является отсутствие потери информации в процессе декодиро-
вания, что и приближает его характеристику к характеристике
оптимального декодера.
График зависимости ЭВК от числа уровней квантования решающего
устройства показан на рис. 4.4. При использовании жесткого (двоично-
го) решения ЭВК снижается на л/2 или на 1,961 дБ. В современных
системах передачи используют мягкое решение с квантованием на 4-
16 уровней. Наиболее часто используют квантование на 8 уровней, при
котором реальный ЭВК ниже асимптотического примерно на 0,15 дБ и
представляет очень хороший компромисс между сложностью реализа-
ции и энергетическими потерями.
Рис. 4.4. Зависимость ЭВК от числа уровней квантования
В зависимости от числа уровней квантования сигналы на выходе
решающего устройства могут иметь следующий смысл [7]:
• решение,
• решение или стирание,
• решение и индекс надежности решения,
• список решений с индексом надежности или без него.
4.3. Тип решения в двоичном канале и его влияние на ЭВК
95
При жестком решении порог компаратора (двухуровневого кванто-
вателя) выставляют посредине раскрыва глазковой диаграммы, и на
декодер поступает одноразрядный сигнал решения о значении приня-
того бита — 0 или 1. Характеристика квантователя в этом случае име-
ет вид
q(L) =
+ 1, L>0;
-1, L<0.
(4-4)
Жесткому решению соответствует модель двоичного симметричного
канала (ДСК), показанная на рис. 4.5, на котором приведены и соот-
ветствующие переходные вероятности.
О
Рис. 4.5. Двоичный симметричный канал
При использовании элементарного мягкого решения, реализуемого
с помощью трехуровневого квантователя, на декодер помимо решения
поступает сигнал стирания, несущий дополнительную информацию об
отклонении амплитуды импульса от заданных значений уровня. Ши-
рина зоны стирания, или нулевой зоны, а, следовательно, индекс нена-
дежности символа задается установкой порогов решающего устройства
+L , -L2. В большинстве случаев эти пороги устанавливаются симмет-
рично относительно нулевого уровня сигнала, т.е. |+Lj = \-L2\ = LE.
Соответствующая характеристика квантователя имеет вид
+1, L>Le\
-1, l<le.
(4.5)
В зависимости от относительной ширины зоны стирания, структуры
и уровня помех в канале связи моделью канала с трехуровневым кван-
тователем будет либо двоичный канал со стиранием символов, либо
двоичный канал со стиранием и трансформацией символов, показан-
96
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
ные на рис. 4.6 и 4.7 соответственно. Учет в декодере информации о
стираниях позволяет заметно повысить исправляющую способность,
применяя алгоритмы декодирования с исправлением только ошибок и
декодирования с исправлением ошибок и стираний.
Рис. 4.6. Двоичный канал со стиранием символов
Выход
Рис. 4.7. Двоичный канал со стиранием и трансформацией символов
Выход
При восьмиуровневом квантовании выхода демодулятора использу-
ется трехразрядный АЦП, выдающий решение в виде трехразрядной
комбинации, в которой один разряд соответствует жесткому решению,
а два других индицируют номер уровня квантования (выше или ниже
основного порога), т.е. ту зону, в пределах которой зафиксирована вер-
шина импульса. Как отмечалось, такой квантователь очень близок к
оптимальному, уступая ему 0,15 дБ. Соответствующая модель канала
показана на рис. 4.8.
Отметим, что все вышесказанное относилось к двоичному каналу.
Поскольку в большинстве современных цифровых систем передачи и
вещания используются сложные виды многопозиционной модуляции,
то число уровней решающего устройства должно быть больше в пря-
мой пропорции к кратности модуляции. Выходной сигнал решающего
устройства при этом выдается по нескольким параллельным каналам,
в каждом из которых присутствуют данные основного решения и ин-
декса его надежности.
4.4. Блоковые коды Рида-Соломона
97
ООО
001
010
011
Квантованный
выход
100
101
110
111
Рис. 4.8. Двоичный канал с квантованием выхода на 8 уровней
4.4. Блоковые коды Рида-Соломона
Среди блоковых кодов обширный класс составляют циклические коды
Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ). Они обладают хорошими свойства-
ми по исправлению нескольких ошибок в блоке и широко используют-
ся в цифровых системах. Подклассом кодов БЧХ являются коды Рида-
Соломона (RS-коды) — линейные недвоичные систематические блоковые
коды, обладающие определенными оптимальными свойствами [1, 7].
Свойство линейности означает, что любая линейная комбинация ко-
довых слов также является кодовым словом. Линейные блоковые RS-
коды образуются набором кодовых слов фиксированной длины, в кото-
рых каждый элемент кодового слова выбирается из алфавита q символов.
Обычно q = 2s, т.е. s информационных бит отображаются одним сим-
волом, при этом максимальная длина кодового слова не может превы-
шать тгмакс = 2s-1. Если п < п , то такие коды называются укорочен-
ными. В системах цифрового телевидения символы RS-кода имеют
байтовую структуру, т.е. s = 8, п = 255.
98
4 Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
В систематических кодах кодовое слово имеет длину п, из которых
k символов — информационные, причем структура блока k информа-
ционных символов та же самая, что и во входном блоке данных [8]. В
процессе кодирования к блоку k информационных символов в конце
кодового слова добавляется блок из 2t проверочных символов (рис.
4.9). Чем больше t, тем выше исправляющая способность кода, но од-
новременно тем выше сложность декодирования и ниже кодовая ско-
рость.
п
к, 2f
; Проверочные символы
Рис. 4.9. Структура кодового слова систематического кода
Минимальное расстояние Хемминга между двумя кодовыми слова-
ми d 4 и число ошибок t, гарантированно исправляемых RS-кодом,
определяются формулами
d = п — k + 1, (4.6)
мин 7 х '
t = “ D/2. (4.7)
Избыточность кода
2t = п — k = d — 1. (4.8)
мин v 7
Кодовая скорость
HRS = k/n. (4.9)
Таким образом, RS-код может быть охарактеризован тремя основ-
ными параметрами: длиной блока п, числом информационных симво-
лов в блоке k и расстоянием Хемминга d, которые входят в обозначе-
ние типа кода RS(/z, k, d). Часто вместо расстояния Хемминга в
обозначение вводят число исправляемых ошибок t. Широко используе-
мый в системах цифрового телевидения код RS (204, 188, 17) обозна-
чается также как RS (204, 188, t =8).
При передачах по каналу ошибки поражают символы RS-кода. Ошиб-
ка в символе возникает при поражении либо одного бита символа, либо
части или всех битов символа. Например, код RS(204, 188, t=8) в наи-
худшем случае может исправить емпп= t = 8 битовых ошибок в 8 раз-
личных искаженных символах кодового слова. В наилучшем случае
возможно исправление (е = 8x8) 64-х битовых ошибок в 8 искажен-
х х макс 7
4.4. Блоковые коды Рида-Соломона
99
них символах. Возможные варианты исправления ошибок в указан-
ном диапазоне определяются статистическими свойствами ошибок в
канале, т.е. тем как они распределяются по символам кода. Это свой-
ство RS-кода дает возможность исправлять пакеты ошибок, захваты-
вающие несколько битов в одном или нескольких символах.
Алгебраическая структура RS-кода и алгоритмы его декодирования
позволяют исправлять как ошибки, так и стирания, которые имеют
место при априорном знании позиции искаженного символа. Такое зна-
ние может быть получено от демодулятора цифрового радиосигнала,
который по специальной цепи сигнализирует о ненадежности демоду-
ляции конкретного символа. Максимальное число исправляемых сти-
раний — гмакс= Общее число ошибок и стираний, гарантированно
исправляемых RS-кодом, не должно превышать значения 2е + г < 2t.
Конкретный RS-код характеризуется примитивным многочленом
поля Галуа и порождающим многочленом. Например, примитивный
многочлен конечного поля Галуа GF (28) имеет вид
р (х) = х8 + х4 + х3 + х2 + 1, (4.10)
а порождающий многочлен [1] —
g (х) = (х — ац)(х — сбу"+1)...(х — о/-+2М), (4.11)
где ocy°+v — примитивные элементы поля GF (<?), являющиеся корнями
порождающего многочлена g (х).
Чаще всего, для RS-кодов, исправляющих t ошибок, полагают jQ = 1,
тогда порождающий многочлен имеет максимальную степень 2t:
g(x) = (х — а)(х — а2).,.(х — a2t), (4.12)
Другой распространенной формой записи порождающего многочле-
на является
g(x) = (х-а7).
(4.13)
Формулу (4.12) можно преобразовать, используя запись по степеням х,
g(x) = x2t + g5x2M + ... + g2x2 + g}x + g0, (4.14)
Кодовое слово RS-кода с (x), соответствующее этому порождающему
многочлену и входному блоку информации Цх), определяется как [1]
с (х) = g(x)i(x).
(4.15)
100
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
81
Рис. 4.10. Структурная схема RS-кодера
При этом 2t проверочных символов кодового слова систематическо-
го RS-кода определяются формулой
р(х) = i(x)xnk modg(x). (4.16)
На практике, когда каждый символ RS-кода является элементом
поля Галуа GF (28), он может быть представлен 8-битовой комбинацией
(октетом)
(d7, d6, d5, d4, d3, d2, dv d()), (4.17)
в которой значения битов d} = 0 или 1 при 0 < j < 7.
Октет (4.17) определяется над полем Галуа GF (28) с помощью эле-
ментов поля следующим образом:
с/7а7 + с!б(х6 +...+ dxa + d0. (4.18)
Структурная схема кодирующего устройства RS-кода при q = 28 по-
казана на рис. 4.10. Соответственно байтовой структуре кода в схеме
используются восьмиразрядные параллельные регистры сдвига RQ-R2i.
Сумматоры по модулю 2, умножители на фиксированные значения эле-
ментов g., соответствующие многочлену (4.14), и все шины данных -
также восьмиразрядные. Операции умножения в кодере осуществля-
ются над полем GF (28). На первые входы умножителей поступают ко-
дируемые данные, а на вторые входы поданы константы, соответству-
ющие коэффициентам генераторного многочлена. В начале цикла
кодирования ключ S 1 замкнут, а ключ S 2 находится в нижнем по
схеме положении. При этом входной блок информации, описываемый
многочленом i (х), поступает в кодер и одновременно на выход кодера,
4.4. Блоковые коды Рида-Соломона
101
формируя в кодовом слове с (х) систематическую часть из k информа-
ционных символов. После прохождения всего информационного блока
ключ S 1 размыкается, а ключ S 2 переводится в верхнее по схеме
положение. При этом цепь обратной связи в кодере размыкается и из
регистра считываются 2t проверочных символов, которые завершают
блок данных кодового слова.
Принятое кодовое слово г (х) отличается от переданного с (х) на ве-
личину вектора ошибок е (х)
г (х) = с (х) + е(х) = g(x)i(x) + е(х). (4.19)
Полином принятого кодового слова г (х) (4.19) соответствует исход-
ному сообщению с инверсией значений битов в разрядах, пораженных
ошибками. Из формулы (4.19) видно, что г (х) делится на g (х) без
остатка, если отсутствуют ошибки (е (х) = 0), или е(х) делится на g (х).
Таким образом, условию обнаружения ошибок отвечает случай, когда
е(х) не делится без остатка на g (х).
При декодировании RS-кода вектор ошибок е (х) можно задавать,
указывая положение его ненулевых компонент и их значения. Положе-
ние ненулевых компонент (ошибочных позиций) маркируется так на-
зываемыми локаторами ошибок, т.е. элементами ot поля GF(q). В каче-
стве простейшего метода нахождения корней многочлена локаторов
ошибок обычно используется процедура Ченя.
Методы декодирования RS-кодов разделяются на две категории: во
временной области и в частотной области. Наилучшие результаты
обеспечивают временные методы.
Структурная схема декодера RS-кода для систем цифрового телеви-
дения, реализованная в микроэлектронном исполнении, показана на
рис. 4.11 [9]. Для декодирования искаженного кодового слова вначале
вычисляют 2t синдромов, зависящих только от ошибок канала, но не
от структуры передаваемого кодового слова. Для формирования синд-
ромов используют деление приходящих из канала символов на порож-
Рис. 4.11. Структурная схема декодера RS-кода
102
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
дающий многочлен. В отсутствие ошибок синдромы равны нулю. На
вход декодера одновременно с кодовым блоком от демодулятора и син-
хронизатора подаются сигналы, облегчающие работу декодера: флаг
"информационные/проверочные символы" — идентификатор категории
текущего символа (1 — информационный символ, 0 — проверочный
символ); флаг "пригодность данных для декодирования" (1 — данные
пригодны); флаг "стирание" — маркировка позиций в потоке данных,
где были зафиксированы стирания. Затем должны быть определены
локаторы ошибок, т.е. корни многочленов, содержащих t неизвестных,
и проведены операции обработки многочленов по алгоритмам Евклида
и Ченя [1].
На заключительном этапе находят значения ошибок в символе и
исправляют их. Блок задержки выравнивает моменты прохождения
конкретных символов в информационном потоке и появления соответ-
ствующих импульсов коррекции, на вычисление которых требуется оп-
ределенное время. На выходе декодера выделяются также вспомога-
тельные сигналы: флаг "информационные/проверочные символы" —
аналогичен флагу на входе (1 — информационный символ, 0 — прове-
рочный символ); флаг "декодированные данные пригодны для исполь-
зования" (1 — данные пригодны). Кроме того декодер выдает статисти-
ческие данные: флаг "коррекции", индицирующий, была ли осуществлена
коррекция ошибок в блоке (1 — корректировался, 0 — не корректиро-
вался); сигнал, индицирующий число исправленных в блоке ошибок;
сигнал, индицирующий число исправленных в блоке стираний.
4.5. Сверточное кодирование
Увеличение исправляющей способности блоковых кодов достигается
увеличением длины блока, что ведет к повышению сложности реализа-
ции кодека. При сверточном кодировании символы кода распределя-
ются во времени на значительном интервале, что повышает его устой-
чивость к одиночным пакетам ошибок.
Структурная схема включения сверточного кодера показана на рис.
4.12. Входная информационная последовательность с тактовой часто-
той FT в последовательно-параллельном преобразователе (S/Р) разделя-
ется (без деления на блоки) на k{] потоков, которые непрерывно посту-
пают в соответствующие ветви кодера, задавая набор его входных
данных. Регистры кодера тактируются с частотой FT /kQ. На выходе
кодера в каждом такте FT /kQ формируются п0 выходных символов,
которые затем преобразуются в последовательный поток с повышен-
ной тактовой частотой (FT /k0)n0=FT /R и поступают в канал.
Внутренняя структура сверточного кодера образуется сочетанием мно-
горазрядных регистров сдвига и сумматоров по модулю 2. В зависимос-
ти от удобства схемотехнической реализации, формирования и сопряже-
ния различных тактовых частот, в состав кодера может входить один
или несколько (для каждой ветви) регистров сдвига с внешними сумма-
торами или с сумматорами, включенными в разрыв между разрядами
4.5. Сверточное кодирование
103
Рис. 4.12. Схема включения сверточного кодера
регистра сдвига. Разнообразные структуры сверточных кодеков можно
найти, например, в [10]. Один из возможных вариантов реализации вет-
ви сверточного кодера показан на рис. 4.13. Для показанной ветви дли-
ной кодового ограничения является значение пА= vkQ = (m+l)/?0.
Для представления сверточных кодов можно использовать порожда-
ющие многочлены и матрицы, кодовые деревья, диаграммы состоя-
ний или решетчатые структуры. С математической и схемотехничес-
кой точек зрения наиболее удобно описание с помощью порождающих
многочленов, использующих операторы задержки D. Порождающие
многочлены определяют для каждого из многовходовых сумматоров
по модулю 2 номера разрядов регистра сдвига, к которым подключа-
ются входы сумматоров. Степени порождающих многочленов возрас-
тают слева направо соответственно возрастанию задержки при продвиже-
нии информации по регистру сдвига, что показано на рис. 4.13. При
этом первая ячейка регистра обозначается членом с нулевой степенью,
а последней ячейке с порядковым номером t>=m+l соответствует сте-
пень т порождающего многочлена. К примеру, на рис. 4.12 выходы 1
Рис. 4.13. Структура ветви сверточного кодера
104
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
и 2 (с учетом входов, показанных сплошными линиями) могут быть
выражены соответственно многочленами
G^D) = D + Dml,
G2(D) = 1 + D2 + Dm.
(4.20)
Информационную последовательность, поступающую на вход коде-
ра, можно также представить в виде бесконечного временного ряда
1(D) = iQ + ixD + i2D2 + i3D 3 + ... , (4.21)
где i — информационный символ в /-ом такте, значение которого рав-
но 0 или 1.
Тогда последовательности кодированных символов на выходе кодера
могут быть найдены умножением входной последовательности 1(D) на
порождающие многочлены кода
Tl(D) = I(D)G1(D),
T2(D) = I(D)G2(D).
(4.22)
Если один из порождающих многочленов Gn(D )=1, то входная ин-
формационная последовательность совпадает с частью выходной пос-
ледовательности, и такой код называется систематическим. Если все
порождающие многочлены отличны от единицы, то такого совпадения
нет, и код называется несистематическим.
Иногда представление сверточных кодов в виде порождающих мно-
гочленов заменяют записью коэффициентов при степенях многочле-
нов. Например, пусть порождающие многочлены кода имеют вид
GX(D) = 1+D\
G (D) = 1 + D 4- D 2.
(4.23)
Тогда G^ 101 и G2= 111 — цифра 1 указывает на наличие соедине-
ния регистра с сумматором, а 0 — на отсутствие такой связи.
4.6. Алгоритм декодирования Витерби
Алгоритм Витерби — это алгоритм максимального правдоподобия
для декодирования сверточных кодов, основанный на использовании
вероятностных характеристик принимаемых сигналов [11]. Одним из
преимуществ алгоритма является то, что сложность реализации деко-
дера с мягким решением мало отличается от сложности реализации
декодера с жестким решением. Недостаток — экспоненциальный рост
сложности декодера в зависимости от длины кодового ограничения свер-
точного кода, которая по этой причине должна быть ограничена значе-
нием примерно равным 10 [2].
4.6. Алгоритм декодирования Витерби
105
В системах, использующих алгоритм декодирования Витерби, целе-
сообразнее применять несистематические сверточные коды.
Процесс декодирования заключается в прослеживании по кодовой
решетке состояний пути с максимальной апостериорной вероятностью
с применением для оценки расстояний, например, метрики Хэмминга.
На отдельном шаге декодирования в каждом из состояний решетчатой
диаграммы осуществляется вычисление метрик ветвей по принимае-
мым канальным символам, сложение метрик предыдущих состояний с
метриками соответствующих ветвей, сравнение метрик путей, входя-
щих в данный узел решетки, и выбор путей с наименьшими метрика-
ми, величины которых используют в качестве метрик состояний на
следующем шаге декодирования. При равенстве метрик сравниваемых
путей выбор, например, одного из двух путей производят случайно. На
каждом шаге в результате сравнения половина возможных путей от-
брасывается и в дальнейшем не используется. Другая половина образу-
ет продолжения путей для следующего шага декодирования. Из каждо-
го шага на следующем шаге вновь появляются варианты продолжения,
исследуемые с использованием той же последовательности вычислений.
Таким образом, в процессе декодирования по кодовой решетке про-
слеживается путь, имеющий минимальное расстояние от пути, гене-
рируемого в кодере. Алгоритм Витерби обеспечивает высокую поме-
хоустойчивость и является достаточно простым при его технической
реализации на специализированных СБИС [12]. Пример такой реали-
зации показан на рис. 4.14.
Алгоритм Витерби сравнительно просто реализуется для кодов со
скоростями R=l/n. При скоростях вида R=m/n структура декодера
усложняется. Для упрощения алгоритма при использовании высоких
кодовых скоростей Я=(п-1)/п часто выбирают коды, полученные вы-
калыванием (перфорацией) некоторого исходного сверточного кода с
кодовой скоростью 1/2. Процедура выкалывания состоит в удалении
из исходного кода некоторых символов на заданных позициях. Посколь-
ку характеристики выколотых сверточных кодов практически не усту-
пают лучшим известным кодам с той же кодовой скоростью, то они
получили широкое распространение [13].
Рис. 4.14. Структурная схема декодера Витерби
106 4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Выкалывание отдельных символов сигнала позволяет модифициро-
вать решетчатую диаграмму и получить кодовую решетку, отвечаю-
щую коду с более высокой скоростью и меньшей избыточностью при
сохранении длины кодового ограничения.
4.7. Кодирование и модуляция на основе решетчатых сигнально-
кодовых конструкций
Применение решетчатых сигнально-кодовых конструкций (модуля-
ция с решетчатым кодированием, или ТСМ (Trellis-Coded Modulation))
для объединения кодирования и модуляции в единое целое было впер-
вые предложено в работах Унгербоека [14—16]. Предложенные им ме-
тоды и практические схемы получения кодированных модулирован-
ных сигналов сразу завоевали широкую популярность из-за своей
простоты и одновременно достаточно высокого энергетического выиг-
рыша от 3 до 6-8 дБ.
Различие между обычным сверточным и решетчатым Trellis-коди-
рованием состоит в следующем. В классических цифровых системах
связи функции модема (преобразователя дискретного канала в непре-
рывный и обратно) и кодека, исправляющего ошибки в дискретном
канале, разделены. При таком подходе поток данных кодируется с про-
извольной кодовой скоростью и поступает на модулятор, число знача-
щих позиций которого выбирается независимо от кодовой скорости. В
декодере используется жесткое решение, т.е. дополнительной информа-
ции от демодулятора не поступает. В процессе модуляции (практически,
при последовательно-параллельном и многоуровневом преобразованиях,
осуществляемых между кодером и модулятором) не принимается во вни-
мание, какие биты — информационные, а какие — проверочные. Пусть,
например, информация кодируется систематическим кодом 6/7, а для
модуляции используется 16-QAM. Тогда распределение битов кодиро-
ванного потока по квадратурным каналам соответствует показанному
на рис. 4.15, где 1-6 — номера информационных битов, а 7 — номер
проверочного бита.
Рис. 4.15. Преобразование структуры кодированного потока
4 7. Кодирование и модуляция на основе решетчатых сигнально-кодовых конструкции
107
В классической схеме ТСМ-кодирования, напротив, существует од-
нозначная взаимосвязь между кодовой скоростью и числом позиций
модулированного сигнала. При выборе кодовой скорости m/(m+l) чис-
ло позиций должно быть равно 2m+1 , т.е. добавлением проверочного
разряда модулятор удваивает число элементарных сигналов, необходи-
мых изначально для передачи только информационных бит (2W). За
счет увеличения числа сигнальных точек передача осуществляется в
той же полосе частот и с той же информационной скоростью, что и для
некодированного сигнала. В декодере используется мягкое решение в
сочетании с алгоритмом декодирования Витерби (максимального прав-
доподобия), т.е. фактически происходит обработка непрерывного, а не
дискретного канала.
Структурная схема простого кодера-модулятора ТСМ показана на
рис. 4.16. Источник данных производит последовательность информа-
ционных данных а.. В последовательно-параллельном преобразователе
каждые т бит этой последовательности преобразуются в т параллель-
ных потоков ап{1)...ап{т) с соответственно пониженной скоростью переда-
чи. Кодер систематического Trellis-кода генерирует последовательность
проверочных символов сп(0), которая вместе с т информационными пос-
ледовательностями с (т) образует в каждый момент времени т+1
бит выходного сигнала кодера. Поскольку кодер — систематический,
то наборы бит {с }/” и совпадают.
Источник
данных
Рис. 4.16. Структурная схема ТСМ кодера-модулятора
Блок отображения вектора выходных символов кодера в модулиро-
ванный символ пространства сигналов называется маппер (mapper).
Он преобразует т+1 бит на своем входе в целое число 1п, которое мо-
жет принимать значения от 0 до 2ш1-1. Число I является своего рода
меткой, в соответствии с которой в модуляторе выбирается необходи-
мая реализация сигнала в канале sn [17].
В общем случае сверточный кодер может быть как систематичес-
ким, так и несистематическим. Кодироваться может только часть би-
тов входного потока данных, тогда обобщенная структурная схема ко-
дера-модулятора ТСМ приобретает вид, показанный на рис. 4.17 [15].
108
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Рис. 4.17. Общая структурная схема ТСМ кодера-модулятора
Главная идея метода построения решетчатых сигнально-кодовых
конструкций (ТСМ) основывается на правильном выборе соответствия
битов информационного потока точкам сигнального созвездия в про-
цессе отображения передаваемых символов в пространство модулиро-
ванных сигналов. Этот принцип получил название отображение путем
разбиения множества, он базируется на группировании сигналов в под-
множества с наибольшим возможным расстоянием между элементами
подмножества [2, 14]. Рассмотрим этот принцип на примере двумерно-
го множества сигнальных точек, расположенных в узлах прямоуголь-
ной координатной сетки [18]. Соответствующие построения показаны
на рис. 4.18, где элементы исходного множества (находятся в узлах
сетки, обозначенной пунктирными линиями синего цвета) разбиты на
два подмножества, обозначенные буквами А и В. Подмножества А и В
обладают следующими свойствами:
точки каждого подмножества также находятся в узлах прямоу-
гольной координатной сетки, но повернутой на 45° относительно
исходной сетки (новая сетка показана только для подмножества
В и обозначена сплошными линиями красного цвета);
если принять, что квадрат минимального расстояния между точ-
ками исходного множества равен 1, то легко видеть, что квадрат
минимального расстояния между соседними точками выделен-
ных подмножеств А и В равен 2.
Процедура разбиения на подмножества может быть продолжена ана-
логичным образом с получением из подмножеств А и В четырех под-
множеств, затем — восьми и т.д. Наименьшее подмножество будет со-
стоять всего из одного элемента. Но, главное, в процессе разбиения на
более мелкие подмножества квадраты минимального расстояния меж-
ду их элементами будут возрастать, удваиваясь на каждом шаге: 1, 2,
4, 8,....
4.7. Кодирование и модуляция на основе решетчатых сигнально-кодовых конструкций
109
Рис. 4.18. Разбиение элементов множества сигналов
Сигнальное созвездие из 64-х элементов, показанное на рис. 4.18,
может быть, например, разбито на 2 подмножества по 32 точки, 4
подмножества по 16 точек, 8 подмножеств по 8 точек, 16 подмножеств
по 4 точки. Полученные подмножества используются для практическо-
го воплощения кодирования и модуляции в схеме ТСМ на рис. 4.17.
Как показано на этом же рисунке часть входящих параллельных пото-
ков данных (k из общего числа п) кодируется сверточным кодером с
получением /?+1 потоков. В каждом такте кодера комбинация из .k+1
бит в параллельном коде на его выходе поступает в маппер для выбора
требуемого подмножества сигналов. Некодированные n-k битов слу-
жат для выбора конкретной сигнальной точки, относящейся к выбран-
ному подмножеству [19].
Алгоритм работы устройства обеспечивает передачу в канал элемен-
тов модулированного сигнала с наибольшими расстояниями между
ними, что позволяет повысить эффективность их демодуляции и деко-
дирования на приеме, т.е. помехоустойчивость в приеме информации.
В настоящее время не существует четких математических формул, по-
зволяющих получить оптимальные генераторные полиномы для ТСМ-
кодирования. Все известные ТСМ-коды были получены в результате
ручного перебора или машинного моделирования.
110 4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
4.8. Каскадное кодирование
Рассмотренные выше методы защиты от ошибок, основанные на ис-
пользовании блокового, сверточного и ТСМ-кодирования способны обес-
печить надежную защиту при передаче информации по широкому ряду
каналов связи. Решение о выборе того или иного метода коррекции
зависит от требований к вероятности ошибки в декодированном сигна-
ле и от свойств используемого канала. Современные системы цифрово-
го ТВ вещания, передающие потоки данных с высокой степенью сжа-
тия, обладают повышенной чувствительностью к ошибкам, поэтому
они предъявляют очень высокие требования к надежности кодовой за-
щиты. Наиболее высокая исправляющая способность по отношению к
одиночным и пакетированным ошибкам достигается при использова-
нии каскадного кодирования, впервые предложенного Форни [18].
Термин "каскадное кодирование" характеризует случай использова-
ния двух последовательно включенных кодеков, как правило, различ-
ного типа, оптимизированных для исправления ошибок различной струк-
туры, что показано на рис. 4.19 где кодер и декодер, сопряженные
соответственно с модулятором и демодулятором, т.е. находящиеся внутри
цепи кодирования, называются внутренним кодеком. Первый кодер и
последний декодер в цепи каскадного кодирования называются вне-
шним кодеком. Его задача — исправление одиночных и пакетирова-
ных ошибок на уровне символов передаваемых данных.
Сочетание внутреннего и внешнего кодеров называют суперкодером
или расширенным кодером, а внутреннего и внешнего декодеров —
супердекодером или расширенным декодером [2, 7]. Предположим, что
внешний кодек работает с кодовой скоростью r=k п, а внутренний — с
R=K/N. Тогда с учетом того, что длина каскадного кода N*=nN симво-
лов, из которых K*=kK символов являются информационными, кодо-
вая скорость каскадного кода R*=kK/nN=rR. Следовательно, величи-
ну nN можно интерпретировать как общую длину кода каскадного
кодера. Известно, что чем длиннее код, тем большей исправляющей
способности можно достигнуть, но одновременно тем выше будет с лож-
Рис. 4.19. Схема каскадного кодирования
4.8. Каскадное кодирование
111
ность оборудования. Для каскадных кодов длина кода пропорциональ-
на произведению nN, но сложность оборудования пропорциональна сум-
ме этих чисел. Преимущество каскадного кодирования в том, что вы-
сокая исправляющая способность обеспечивается установкой двух
сравнительно простых кодеков с длинами кодов п и N [2].
Оптимизацию модуляционного кода в системах с каскадным и одно-
кратным кодированием осуществляют, исходя из разных критериев. В
системах без каскадирования помехозащищенность определяется един-
ственным кодеком, параметры которого выбирают так, чтобы он обла-
дал наилучшей исправляющей способностью в наиболее широком диа-
пазоне вероятности ошибки. Практически его оптимизируют для высоких
отношений сигнал/шум (нормального рабочего диапазона системы), т.е.
для достаточно малых входных вероятностей ошибки. В результате
такой кодек обеспечивает работу с крайне малыми ошибками декоди-
рования при нормальных условиях и вносит заметную компоненту
ошибок при аномальных явлениях в канале. В системах с каскадным
кодированием, напротив, внутренний кодек оптимизируют для прием-
лемой коррекции потоков ошибок при пониженных отношениях сиг-
нал/шум, допуская определенное снижение (по сравнению с оптималь-
ным декодером) его исправляющей способности при высоких отношениях
сигнал/шум.
Таким образом, на выходе внутреннего декодера присутствуют ошиб-
ки, вероятность которых понижена по сравнению с вероятностью ошиб-
ки в канале в достаточно широком диапазоне. Эти ошибки подлежат
исправлению во внешнем декодере, который работает в облегченном
режиме и декодирует информацию практически без ошибок. В резуль-
тате каскадная схема кодирования обеспечивает квазибезошибочный
режим работы в широком диапазоне входных вероятностей ошибки.
В системах цифрового ТВ вещания кодеки блокового RS-кода ис-
пользуют в качестве внешнего кодека, так как они имеют хорошие
характеристики как для независимых, так и для пакетированных оши-
бок, и хорошо устраняют ошибки на уровне транспортного пакета,
выдаваемого потребителю. Для внутреннего кодирования обычно ис-
пользуют сверточные коды, часто в варианте ТСМ. Внутренний свер-
точный кодек исправляет ошибки на уровне физической передачи мо-
дулированного сигнала, поэтому его часто называют модуляционным
кодеком [19]. Такое построение каскадного кодека имеет свои особенно-
сти. Поскольку сверточный кодек работает при умеренно высоких ве-
роятностях ошибки, то для него используют коды с малой длиной ко-
дового ограничения и декодирование по алгоритму Витерби с мягким
решением демодулятора. На выходе декодера Витерби ошибки имеют
тенденцию к группированию в пакеты. Поэтому для облегчения рабо-
ты внешнего RS-декодера в состав каскадного кодека вводят устрой-
ства перемежения-восстановления структуры передаваемых данных. В
случае идеального перемежения ошибки на входе RS-декодера будут
независимыми, и он реализует свою максимальную исправляющую спо-
собность.
112
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
4.9. Турбокоды
4.9.1. Основные принципы турбокодирования
В теории кодирования известно большое число корректирующих
кодов и соответствующих им алгоритмов декодирования. Однако при
попытке практической реализации таких кодов в каналах с высокой
вероятностью ошибки часто оказывается, что сложность кодека сводит
на нет преимущества высокой исправляющей способности.
Известный вывод теории информации состоит в том, что для наи-
лучшего приближения к пропускной способности канала необходим
случайный выбор кодовых комбинаций при их достаточно большой
длине. Практической целью является поиск кодов с большой эквивален-
тной длиной блока и со структурой, допускающей приемлемую физичес-
кую реализацию декодера. Поставленным условиям удовлетворяет ме-
тод каскадного кодирования, обеспечивающий необходимый компромисс
между исправляющей способностью и сложностью декодера. Особеннос-
ти каскадного кодирования при последовательном соединении кодеров
были рассмотрены в § 4.8. Анализ характеристик последовательных
каскадных кодов показал, что они на несколько децибел отстоят от
границы Шеннона. Одной из причин снижения эффективности после-
довательных каскадных кодов является кодирование внутренним коде-
ром как информационных, так и проверочных битов внешнего кодера.
Таким образом часть пропускной способности канала тратится на пе-
редачу символов, являющихся "проверочными от проверочных'.
Работы по совершенствованию методов исправления ошибок с помо-
щью каскадного кодирования привели к разработке французской груп-
пой ученых во главе с Берру сравнительно нового класса кодов — па-
раллельных каскадных кодов, обычно называемых турбокодами [20].
Параллельное каскадирование исключает передачу двойных провероч-
ных символов, и исправляющая способность возрастает. Применение
схем турбокодирования позволяет получить результаты более близкие
к границе Шеннона (проигрыш около 0,27-0,5 дБ), по крайней мере,
при использовании глубокого перемежения и при вероятности ошибки
по битам около 10 5. Проведенные исследования показали, что с помо-
щью турбокодов можно достигнуть вероятности ошибки по битам рав-
ной 105 при отношении Е Nq=Q,7 дБ, но при этом требуется большая
длина блока кодируемых данных равная 65532 бит [20, 21].
Турбокод может рассматриваться как блоковый код с очень боль-
шой длиной блока. В качестве компонентов схемы турбокодека в нем
могут использоваться коды Хемминга, БЧХ, Рида-Соломона и даже
сверточные, работающие в блоковом режиме [21—23]. Последние ха-
рактерны для классических вариантов построения турбокодеков [20].
Турбокод образуется параллельным каскадированием двух или бо-
лее систематических кодов, один из выходов которого повторяет вход-
ную последовательность данных, а на другом — формируется последо-
вательность проверочных символов.
Обобщенная структурная схема турбокодера показана на рис. 4.20.
4.9. Турбокоды
113
Рис. 4.20. Общая структурная схема турбокодера
Блок данных и длиной k бит поступает сначала на вход пакетного фор-
мирователя PAD, где к нему добавляется хвостовик из п - k бит. Сфор-
мированная последовательность битов xQ (пакет длиной п бит) поступа-
ет на выход турбокодера и параллельно на М ветвей, состоящих из
последовательно включенных перемежителя и компонентного кодера.
Тем самым передаваемая информация совместно используется во всех
компонентных кодерах. Каждый перемежитель преобразует структуру
последовательности битов х0 по псевдослучайному закону и выдает па-
кет на вход соответствующего кодера. Свойства системы исправления
ошибок зависят не только от минимального кодового расстояния, но и
от распределения весов кода, в частности, числа кодовых слов с низ-
ким весом. Поэтому задачей перемежителя является преобразование
входной последовательности таким образом, чтобы комбинации, при-
водящие к кодовым словам с низким весом на выходе первого компо-
нентного кодера, были преобразованы в комбинации, порождающие
различные кодовые слова с высоким весом на выходах остальных ком-
понентных кодеров.
Таким образом, компонентные кодеры турбокодера реагируют на блок
входных данных формированием различных кодовых слов с различ-
ным весом. В результате, в отличие от обычных сверточных или после-
довательных каскадных кодеров, на выходе турбокодера существенно
уменьшено число последовательностей с низким кодовым весом. Пере-
межение символов по псевдослучайному закону обеспечивает в этом
смысле оптимальные результаты [24].
На выходах компонентных кодеров каждой из М ветвей образуются
114
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
последовательности проверочных символов хр...,хм. Поскольку выход-
ные информационные последовательности (систематическая часть) ко-
деров всех ветвей идентичны с точностью до линейной операции пере-
межения, то в канал передается только одна из них, что существенно
повышает скорость передачи и эффективность системы кодирования.
Эта информационная последовательность х0 мультиплексируется с про-
верочными последовательностями хр...,хм и образует кодовое слово,
которое подлежит передаче по каналу. Точное значение кодовой скоро-
сти такого турбокодера
п(М +1)
(4.24)
При этом компонентные кодеры ветвей обычно являются идентич-
ными систематическими рекурсивными сверточными кодерами с воз-
вратом в нулевое состояние в конце каждого блока, что достигается
вводом хвостовиков в кодируемые пакеты [25]. При описании кодовой
скорости турбокодера пренебрегают (ввиду ее малости) составляющей,
обусловленной вводом хвостовика и считают, что
I
R =-----
М + 1
(4.25)
Для повышения кодовой скорости применяют выкалывание (перфо-
рацию) определенных проверочных битов выходной последовательнос-
ти кодера. В типичном случае за счет выкалывания в канал передается
только половина проверочных символов каждой ветви. Тогда кодовая
скорость возрастает до
р М/2 + \
(4.26)
В большинстве случаев ограничиваются использованием двух вет-
вей кодирования (М = 2) без перемежителя в первой ветви. Тогда опе-
рация выкалывания сводится к передаче в канал нечетных провероч-
ных символов первого кодера и четных проверочных символов второго.
В совокупности с информационной последовательностью это приводит
к результирующей кодовой скорости R =1/2. Впрочем, совершенно не
обязательно производить равнодолевое выкалывание — для каждого
компонентного кодера выкалывание может производиться в различ-
ных пропорциях. В определенных случаях это может улучшить харак-
теристику декодера [20]. За счет выкалывания можно устанавливать
произвольное значение кодовой скорости и даже адаптировать пара-
метры кодера к свойствам канала. Если в канале возрастает уровень
шумов, то уменьшение степени выкалывания вносит в кодированный
поток дополнительную избыточность, т.е. повышает исправляющую
способность кода, хотя и снижает его скорость. Возможности обмена
спектральной эффективности на качество декодирования в системе с
4.9. Турбокоды
115
Рис. 4.21. Структурная схема турбокодера со скоростью /?=1/2
турбокодированием при изменении кодовой скорости от 1/3 до 4 5 по-
казаны в [23, 26].
В качестве примера возможного варианта практической реализации
турбокодера со скоростью _2?=1/2 рассмотрим структурную схему, по-
казанную на рис. 4.21. В схеме имеются два идентичных систематичес-
ких рекурсивных сверточных кодера, образованные двухразрядными
регистрами сдвига с логическими связями через сумматоры по моду-
лю 2. Коммутаторы К1 и К 2 на входах кодеров служат для обеспече-
ния возврата компонентных кодеров в нулевое состояние: в нижнем по
схеме положении переключателя на обоих входах сумматора по моду-
лю 2 — одинаковые сигналы, что создает нулевой уровень на его выхо-
де. В течение двух последующих тактов регистр заполняется нулями и
формирование проверочных символов прекращается. Подлежащий тур-
бокодированию входной блок данных вначале записывается в буферное
116
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
ОЗУ, откуда считывается в течение цикла кодирования на оба кодера с
использованием двух различных наборов адресов [27]. Генератор адре-
сов 1 не меняет структуры блока данных, а генератор адресов 2 форми-
рует их по псевдослучайному закону, осуществляя таким образом пере-
межение данных в блоке. Выходной коммутатор КЗ производит
параллельно-последовательное преобразование выходного сигнала, в
ходе которого одновременно производится выкалывание проверочных
последовательностей. Синхронизация работы различных узлов турбо-
кодера обеспечивается соответствующим устройством.
4.9.2. Декодирование турбокодов
В основе декодирования кодов, исправляющих ошибки, лежит срав-
нение вероятностных характеристик различных кодовых слов, а при-
менительно к сверточным кодам — различных путей на решетчатой
диаграмме. Если иметь некоторое предварительное знание о принимае-
мом сигнале до его декодирования, то такая информация называется
априорной и ей соответствует априорная вероятность. В противном слу-
чае имеет место только апостериорная информация. При декодирова-
нии турбокодов существенным является использование обоих видов ин-
формации.
В оригинальной работе Берру по турбокодам для их декодирования
был предложен алгоритм максимума апостериорной вероятности (МАР),
или алгоритм Бала, часто называемый также алгоритмом BCJR (на-
чальные буквы фамилий авторов) [28]. Алгоритм Бала отличается от
алгоритма Витерби "мягкой" структурой выходного сигнала оценки
декодируемого символа, при которой уровень выходного сигнала соот-
ветствует степени доверия вынесенного решения. Если декодер Витер-
би нахождением оценки максимального правдоподобия минимизирует
ошибку в кодовом слове (находит наиболее вероятную информацион-
ную последовательность), то алгоритм Бала направлен на минимиза-
цию ошибки в битах (находит наиболее вероятное значение информа-
ционного бита), вычисляя апостериорные вероятности декодирования
каждого информационного бита в кодовом слове. Характеристики ис-
правляющей способности при использовании алгоритмов Витерби и Бала
в области высоких значений Eb/N0 отличаются мало, но при низких
значениях Eb/NQ MAP-алгоритм превосходит алгоритм Витерби. Недо-
статком алгоритма Бала является повышенная вычислительная слож-
ность по сравнению с алгоритмом Витерби. Поэтому в дальнейшем был
разработан модифицированный алгоритм Витерби с мягким выходом,
известный как алгоритм SOVA (Soft-Output Viterbi Algorithm), кото-
рый относится к классу алгоритмов "мягкий вход, мягкий выход" (SISO)
и при реализации примерно вдвое сложнее алгоритма Витерби. Харак-
терной особенностью алгоритмов SISO является использование апри-
орной информации на входе декодера и производство апостериорной
информации на его выходе.
Соответственно турбокодеру с М компонентными кодерами класси-
ческий турбодекодер содержит М компонентных декодеров, каждый из
4.9. Турбокоды
117
которых использует MAP-алгоритм. Рассмотрим процесс декодирова-
ния для случая, когда кодирование осуществляется двухкомпонентным
турбокодером. Результат демультиплексирования — систематическая
и две кодированные проверочные последовательности. Начав декоди-
рование систематической и первой проверочной последовательностей,
декодер получает начальную оценку информационной последователь-
ности, которая теперь используется в качестве априорной информации
при декодировании второй проверочной последовательности во втором
компонентном декодере. Такой подход требует, чтобы компонентный
декодер имел возможность использовать мягкое решение для входных
данных (мягкий вход) и осуществлял выдачу данных тоже в непрерыв-
ном диапазоне амплитуд или, по крайней мере, без грубого квантова-
ния (мягкий выход). В соответствии с этим алгоритмом схема декодера
для первого шага декодирования имеет структуру, показанную на рис.
4.22 [27].
Из теории и практики помехоустойчивого кодирования хорошо из-
вестно, что если использовать несколько повторных циклов декодиро-
вания или итераций, примененных к одной и той же кодированной
информационной последовательности, то можно значительно улучшить
исправление ошибок. В частности, этот принцип был положен в основу
многоступенчатого оптимизированного порогового декодера (ОПД) свер-
точных кодов [29]. В ТВ системах кодеки ОПД нашли применение в
аппаратуре передачи неподвижных ТВ изображений по узкополосным
каналам (СПРИНТ) и в аппаратуре передачи дополнительной инфор-
мации в составе ТВ сигнала по магистральным каналам (СТВК) [30].
При трех — пяти ступенях декодирования характеристики кодеков ОПД
приближались к характеристикам оптимального декодера [31, 32].
Качество декодирования турбокодов также можно улучшить прове-
дением нескольких итераций декодирования одного и того же блока
информации. В итеративном турбодекодере после очередной итерации
"мягкие" выходные сигналы каждого элементарного декодера подаются
на другие аналогичные декодеры для уточнения выносимого решения.
Предположим, что два информационных бита связаны некоторыми
проверочными уравнениями, тогда для их суммы можно записать ло-
гическое проверочное выражение Р = + 12. Если оба члена Р и 12
декодированы с высокой надежностью, то и для может быть получе-
на весьма надежная оценка. Если оценка 12 имеет низкую надежность,
Вход
Рис. 4.22. Структурная схема турбодекодера на первом шаге декодирования
118
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
то нельзя улучшить надежность / . Предположим теперь, что после
декодирования первой последовательности значения и 12 имеют невы-
сокую надежность, но 12 связан проверочными соотношениями с очень
надежными битами во второй кодированной последовательности. Это
значит, что можно осуществить вторую итерацию декодирования, учи-
тывая при вычислении проверок в первой кодированной последователь-
ности результаты более надежной оценки 12. Этот процесс может быть
продолжен в течение нескольких итераций, пока обеспечивается при-
рост надежности декодируемых битов.
Практически было найдено, что в итеративном декодере удобнее ис-
пользовать логарифмическое отношение правдоподобия
Р[т, =11 ур
Р[т = 01 у]
(4.27)
которое, будучи положительным, указывает на то, что с большей вероят-
ностью бит имеет значение "1", а будучи отрицательным — значение ”0’.
В логарифмическом отношении правдоподобия можно легко выделить
два компонента: отношение априорных вероятностей данного бита; от-
ношение вероятностей, полученных в ходе текущего наблюдения. Если
вычитать логарифмическое отношение правдоподобия априорной инфор-
мации после каждого компонентного декодера и делать несколько итера-
ций, то качество декодирования заметно повышается, и во многих при-
ложениях турбодекодер выигрывает у других известных систем.
Структурная схема итеративного турбодекодера показана на рис. 4.23
[33], где г/0 — систематическая компонента кодового слова, г/ и г/2 —
проверочные компоненты, zx и z2 — так называемая несобственная (вне-
Рис. 4.23. Структурная схема итеративного турбодекодера
4.9. Турбокоды
119
шняя) информация, связанная с логарифмическим отношением прав-
доподобия соотношениями,
(4.28)
гл. = Л.. — in — zo.,
1/ 1г Oi 2i7
ZQ. = Aq -- Цп. - Z...
2i 2i & Oz Iz
Согласно формулам (4.28), обработанная информация с выхода лю-
бого декодера поступает на вход другого в качестве априорной инфор-
мации, а весь процесс осуществляется в течение нескольких итераций.
По завершении полного цикла вычислений выходной сигнал второго
декодера, имеющий ’’мягкую" форму представления, должен быть по-
дан на двухуровневый квантователь для преобразования в "жесткую"
форму обычного цифрового сигнала для выдачи потребителю или даль-
нейшей обработки.
Характерная особенность зависимости вероятности ошибки Рь в деко-
дированном сигнале турбодекодера от отношения Eb/NQ — появление
при Рь < 105 на характеристике практически плоского участка, т.е. очень
медленное улучшение вероятности ошибки с ростом cz ш. Анализ пока-
зывает, что при росте с/ш выше средних значений характеристика ис-
правляющей способности [33, 34] асимптотически стремится к
(4.29)
где N — глубина перемежения;
Q(x)— интеграл ошибок (1.34);
df— свободное расстояние турбокода;
R — кодовая скорость;
w — вес кода;
df — число кодовых последовательностей с весом d .
Поскольку свободное расстояние турбокодов d в общем случае отно-
сительно мало, то при снижении вероятности ошибки ниже 105 это
ведет к достаточно плоскому ходу асимптоты (4.29).
Увеличение глубины перемежения N способствует снижению уровня
плато асимптоты. В области малых и средних значений с/ш примене-
ние схем турбокодирования позволяет получить результаты прибли-
жающиеся к границе Шеннона, по крайней мере, при вероятности ошиб-
ки по битам около 105. Но для вероятностей ошибки ниже 107, что
требуется во многих прикладных задачах передачи данных и цифрово-
го ТВ вещания, турбокодирование в классическом виде неприменимо.
Для преодоления указанного недостатка используют сочетание после-
довательного каскадного кодирования и турбокодирования. В такой ком-
бинированной схеме в качестве внутреннего кода используется турбокод,
а в качестве внешнего — блоковый, например, БЧХ или Рида-Соломона.
120
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Поскольку последовательное каскадирование обеспечивает очень хорошие
результаты в области больших с/ш, а параллельное — в области малых и
средних, то результирующая характеристика комбинированного кодека
имеет существенный выигрыш во всем рабочем диапазоне. Однако из-за
снижения скорости передачи происходит небольшая потеря энергетики,
например, при коде БЧХ(10384,10000) она составляет 0,16 дБ [22].
Другой путь устранения плато состоит в использовании для турбоко-
дирования произведений кодов на основе блоковых кодов Хэмминга
или БЧХ. Такой подход к построению кодека получил название турбо-
произведение кодов (ТРС, Turbo Product Codes). При практической реа-
лизации кодека ТРС, работающего на скоростях в канале до 300 Мбит/с,
были выбраны расширенные коды Хэмминга с длиной блока от 1024 бит
до 16384 бит [36, 37].
4.9.3. Возможности применения турбокодов в системах цифрового ТВ вещания
Системы цифрового наземного ТВ вещания рассматривались как
потенциальная область применения турбокодов с момента их изобрете-
ния. Вскоре после первого сообщения о турбокодах [20] в ИК11 МСЭ-Р
был представлен документ с результатами сравнительного моделирова-
ния характеристик турбокодов, решетчатых и классических сверточ-
ных кодов в АБГШ и рэлеевском каналах применительно к задачам
цифрового наземного ТВ вещания [38]. Турбокод был образован двумя
компонентными сверточными кодами с 16 состояниями, глубиной пе-
ремежения — 2048 бит, числом итераций — 3. Результаты исследова-
ния свидетельствовали, что в рэлеевском канале при вероятности ошибки
10 4 даже такой относительно простой турбокодек обеспечивал выиг-
рыш до 4 дБ. На раннем этапе становления систем цифрового ТВ ве-
щания при выборе структуры каналообразующей подсистемы учиты-
вались технологические возможности изготовления достаточно простых
и эффективных интегральных схем, а также возможности унификации
с другими цифровыми системами. Сравнительный анализ различных
вариантов построения тракта модуляции и кодирования показал, что в
то время наиболее отработанными, быстродействующими и просто ре-
ализуемыми являлись микросхемы кодеков Рида-Соломона и структу-
ры каскадного кодирования с внутренними сверточными кодеками с
алгоритмом Витерби [38]. Это определило стандартизацию именно та-
кой схемы адаптации к каналу. Однако исследования в области турбоко-
дирования постепенно совершенствовали как алгоритмы, так и элемент-
ную базу, снижали сложность и стоимость реализации турбокодеков.
Поэтому турбокодирование продолжает рассматриваться как перспектив-
ная альтернатива для систем цифрового ТВ вещания, видеоконференц-
связи и мобильной связи 3-го поколения [40].
Один из исследованных способов применения турбокодирования к
задачам передачи цифровых потоков MPEG-2 по спутниковым кана-
лам основывается на использовании схемы каскадного кодирования с
обратной связью между внешним блоковым БЧХ декодером и внутрен-
ним турбодекодером [40]. Процесс декодирования во внутреннем деко-
4.9. Турбокоды
121
дере начинается после окончательного завершения его во внешнем ите-
ративном турбодекодере.
Декодирование каскадного кода начинается с итеративного турбоде-
кодирования внутреннего кода. После приемлемого числа турбоитера-
ций блок первично декодированных данных поступает во внешний де-
кодер, на выходе которого контролируется вероятность ошибки, и если
она находится в заданных пределах, то выносится решение о надежно-
сти информации. В противном случае по петле обратной связи посыла-
ется команда на рестарт декодирования ненадежных блоков во внут-
реннем турбодекодере. За счет увеличенного числа итераций число
ошибок в декодируемом блоке снижается, и он снова поступает на вход
внешнего декодера. Процесс итеративного редекодирования продолжа-
ется до тех пор, пока вероятность ошибки не достигнет заданного диа-
пазона или пока не прекратится улучшение надежности блока данных.
При исследовании каскадного турбокодирования сравнивались стан-
дартная схема (код RS (204,188) плюс сверточный код со скоростью 1/2
с 64 состояниями и общей кодовой скоростью В»0,461) [41] и модифи-
цированная турбосхема с укороченным внешним кодом БЧХ(940,1020)
и рекурсивным систематическим сверточным кодом со скоростью 2/3 в
качестве компонента турбодекодера, глубиной перемежения — 2244
байт. Моделирование производилось для канала с АБГШ при модуля-
ции QPSK, что типично для спутниковых линий. В этих условиях ите-
ративное каскадное турбокодирование по сравнению со стандартной схе-
мой, позволило исключить плато из характеристики декодирования и
получить выигрыш более 1,6 дБ при вероятности ошибки менее 105
[42].
В начале 2001 г. было объявлено о разработке в КНР собственного
варианта системы цифрового наземного ТВ вещания DMB-T [43]. В этой
системе с разновидностью модуляции TDS-OFDM (Time-Domain Synchronous
OFDM) используется каскадное кодирование. В качестве внешнего кода
выбран код Рида-Соломона, а в качестве внутреннего — параллельно кас-
кадированный (т.е. турбо), решетчатый (trellis) или систематический свер-
точный код. Проведенные испытания системы TDS-OFDM показали, что
в режиме турбокодирования при декодировании с двумя или с четырьмя
итерациями достигается выигрыш кодирования от 1 до 2 дБ в канале с
АБГШ и больший выигрыш в частотно-селективном канале по сравне-
нию с традиционным каскадным кодеком. При этом в режиме четырех
итераций плато на характеристике помехоустойчивости начинает про-
являться при коэффициенте ошибок по битам ниже 1x106 и может
быть легко скорректировано внешним RS-кодеком.
Учитывая, что в настоящее время теория турбокодирования и тех-
нология микроэлектронной реализации турбокодеков интенсивно раз-
виваются, и на рынке появились цифровые модемы с турбокодеками,
можно предположить, что в перспективных системах цифрового ТВ
вещания это направление защиты от ошибок займет главенствующее
положение.
122
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
4.10. Относительное кодирование
При приеме сигнала с фазовой или амплитудно-фазовой модуляцией
возникают специфические ошибки, связанные с неоднозначностью фазы
восстанавливаемой опорной несущей. Число возможных скачков фазы
и значения фазовых сдвигов напрямую зависят от кратности модуля-
ции. В результате биты данных в демодулируемой последовательности
могут инвертироваться и меняться местами в произвольные моменты
времени, что ведет к полной потере информации. По этой причине вме-
сто чисто фазовой модуляции (ФМ) обычно используется относитель-
ная фазовая модуляция (ОФМ), которая за счет безызбыточного измене-
ния структуры передаваемой последовательности (ее перекодирования в
относительный код) позволяет устранить эти нежелательные эффекты.
Схема относительного (разностного) кодирования-декодирования дво-
ичного потока для последующего получения сигнала 2-ОФМ очень про-
ста (рис. 4.24). Кодер и декодер состоят из элемента задержки на одно-
тактовый интервал (одноразрядного регистра сдвига) и сумматора по
модулю 2. Регистр кодера включен в цепь логической обратной связи.
Сигнал данных в относительном коде Xs (D) снимается с выхода сумма-
тора по модулю 2 и поступает в тракт передачи. Передаточная функция
такого устройства, выраженная через оператор задержки Р, имеет вид
Hs (D )=1/(1-D ). В относительном декодере используется суммирование
по модулю 2 демодулированного сигнала и его копии, задержанной на
один такт. Такая структура схемы декодера приводит к нежелательному
эффекту: при возникновении ошибки в принятом сигнале на выход по-
ступает ошибка и ее копия, т.е. вероятность ошибки удваивается. Мож-
но сказать, что удвоение ошибок есть плата за физическую реализуе-
мость фазовой модуляции. Передаточная функция относительного
декодера HR(D)=1-D. В отсутствие ошибок и перескоков фазы сквозная
передаточная функция относительного кодека Н (D )=HS (D )HR (D )=1
Относительный кодер
Относительный декодер
Рис. 4.24. Структурная схема относительного кодирования-декодирования
первого порядка
4.11. Скремблирование
123
соответственно совпадают сигналы — подаваемый на кодер и снимае-
мый с декодера, т.е. X. (D) = XR(D).
При модуляции 4-ОФМ приходится учитывать скачки фазы на +л/2
и +тг, которые ведут не только к инверсии полярности битов, но и пере-
ключению двух параллельных подканалов. Поэтому схемы относитель-
ного кодирования должны устранять оба этих эффекта. Пример таких
схем можно найти в [44, 45].
В системах с квадратурной модуляцией несущей квадратурные ка-
налы I и Q независимы друг от друга. Поэтому в этих системах схемы
относительного кодирования можно выполнять независимо для каждо-
го канала, что их существенно упрощает. В общем случае для схем с
многократной амплитудно-фазовой модуляцией алгоритм кодирования
сводится к следующему [46]. Из сигнального созвездия с М=2К точками
выделяется группа L=2N секторов. Первые N бит, соответствующие этим
секторам, кодируются относительным кодом. Оставшиеся К-N бит, оп-
ределяющие положение точки внутри сектора, кодируются кодом Грея,
минимизирующим ошибки при приеме соседних точек. При этом для
снижения числа ошибок за счет относительного декодирования следует
стремиться к тому, чтобы число N бит, кодируемых относительным
кодом, было как можно меньше. В частности, для модуляции типа М-
QAM относительно кодируют первые два бита, которые определяют
выбор квадранта, а остальные М-2 бит кодируют кодом Грея.
4.11. Скремблирование
В цифровых системах связи и вещания широко используют псевдо-
случайные последовательности (ПСП): для рандомизации структуры
передаваемых данных (скремблирования), измерения вероятности ошиб-
ки, анализа линейных характеристик тракта по узору глазковых диаг-
рамм, построения генераторов шумоподобных и случайных сигналов,
формирования синхронизирующих последовательностей, корректиру-
ющего кодирования и в ряде других случаев.
Линейными ПСП максимальной длины называются последователь-
ности символов кода с основанием q и длиной L=qm-1, где т — макси-
мальная степень генераторного полинома. Чаще применяются двоич-
ные ПСП, для которых L=2m-1. Псевдослучайные последовательности
обладают следующими свойствами применительно к цифровым систе-
мам передачи [47].
1. Свойство сдвига. Любой циклический сдвиг ПСП на целое число
тактов также есть ПСП.
2. Свойство уравновешенности. Число единиц в двоичных ПСП равно
2тЛ, а число нулей — 2пг1-1, т.е. числа нулей и единиц практи-
чески равны друг другу.
3. Свойство сдвига и сложения. Сумма по модулю 2 данной ПСП и
ее циклического сдвига также есть ПСП.
124
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Генерирование двоичных ПСП осуществляется простыми устройства-
ми, состоящими из регистра сдвига, число разрядов которого равно
максимальной степени генераторного полинома т и сумматоров по мо-
дулю 2, образующих логическую обратную связь. Число сумматоров
на два меньше числа членов генераторного полинома, обычно имеюще-
го следующий вид:
М(х)=хт+хт~а
(4.30)
Суммирование в (4.30) производится по модулю 2.
Структурная схема широко распространенного в цифровых систе-
мах передачи семиразрядного скремблера и соответствующего ему дес-
кремблера показана на рис. 4.25. Устройство работает следующим об-
разом. Пусть S — последовательность входных данных произвольной
структуры, Z — последовательность, обработанная скремблером, т.е.
сигнал данных в канале, Y — последовательность на выходе дескремб-
лера. Используя оператор задержки на такт D и операцию суммирова-
ние. 4.25. Структурная схема семиразрядного скремблера-дескремблера
4.11. Скремблирование
125
ния по модулю 2, опишем указанные последовательности, предпола-
гая, что ошибок в канале нет, т.е. Z=Z=Z\
& it
Z=S +ZDHZD7,
(4.31)
откуда
S =Z +ZD 4ZD1 = Z(1+D e+D7),
(4.32)
Аналогично получим:
Z =S/(1+De+D7).
(4.33)
Y=Z+ZD &+ZD7 = Z (1+7) e+D7).
(4.34)
Выражение в скобках в формулах (4.32-4.34) есть ни что иное, как
генераторный полином скремблера
G (Z>)=(1 +D4D7).
(4.35)
Таким образом, скремблер осуществляет деление входной последо-
вательности S на генераторный полином, а дескремблер производит
умножение своей входной (т.е. канальной) последовательности Z на тот
же генераторный полином G(D). Записав уравнение для логических пре-
образований от входа скремблера до выхода дескремблера, получим
Y = S+ZD 4ZD 4ZD 4ZD7 = S,
(4.36)
т.е. выходная последовательность Y идентична входной последователь-
ности S.
При передаче по каналу с ошибками на вход дескремблера поступа-
ет последовательность Z =ZQ+E, где Е — некоторый вектор ошибок.
Гъ О
Тогда
Y=(ZS+E )(1+D e+D 7)=(1+D 6+D 7)ZS+(1+D 6+D 7)E.
(4.37)
Таким образом, выходная последовательность имеет логическую
структуру, представляющую собой сумму по модулю 2 двух составляю-
щих: полезной G(D)Zs=S и потока ошибочных символов
ER=G(D )E=E+ED q+ed 7.
(4.38)
Формула (4.38) показывает, что при воздействии ошибок канала на
выходе дескремблера присутствуют как собственно поток ошибок ка-
нала, так и две его копии, задержанные на 6 и 7 тактов соответственно.
Таким образом, недостатком процесса скремблирования является эф-
фект размножения ошибок при дескремблировании. Каждая одиноч-
ная ошибка канала вызывает несколько повторных ошибок, число ко-
126
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
торых на единицу меньше числа членов генераторного полинома скрем-
блера G(D). По этой причине генераторный полином скремблера обыч-
но выбирают с минимальным числом членов, т.е. равным трем [48]. В
системе с корректирующим кодированием декодер должен включаться
перед дескремблером, чтобы избежать перегрузки декодера из-за раз-
множения ошибок.
При одновременном использовании относительного кодирования и
скремблирования эффект размножения ошибок еще более увеличива-
ется. На каждую ошибку канала относительный декодер откликается
двумя ошибками, которые воздействуя на дескремблер, утраивающий
ошибки, вызывают в итоге шесть ошибок. Нетрудно показать, что в
этом случае данные, посылаемые в канал, связаны с данными, посту-
пающими на тандем в виде относительного кодера и скремблера, следу-
ющим соотношением:
Z =S/[(1+D) (l+D 6+D7)].
(4.39)
I Канал
Рис. 4.26. Структурная схема восьмиразрядного относительного
скремблера-дескремблера
4.12. Перемежение
127
Первый сомножитель в знаменателе (4.39) — полином относитель-
ного кодера, а второй — скремблера. Если преобразовать знаменатель
(4.39), то получим
Z =S/(1+D +D 4D 8). (4.40)
Теперь в знаменателе (4.40) полином содержит четыре члена, а не
шесть. Это значит, что на приеме каждая ошибка канала, проходя по
аналогичному комбинированному декодеру-дескремблеру, будет вызы-
вать только три дополнительные ошибки. В результате эффект размно-
жения ошибок будет уменьшен в 1,5 раза. Структура полинома (4.40)
позволяет реализовать рассмотренные структуры объединением двух
регистров в один с подключением входов цепи логической связи к соот-
ветствующим отводам. Окончательная структурная схема восьмиразряд-
ного относительного скремблера-дескремблера показана на рис. 4.26.
4.12. Перемежение
При поиске хороших корректирующих кодов, а также при теорети-
ческих и экспериментальных исследованиях их исправляющей способ-
ности стандартными моделями каналов считаются двоичный симмет-
ричный канал без памяти и канал с АБГШ. Реальные каналы в
большинстве случаев являются каналами с памятью, в которых на-
блюдается группирование ошибок в пакеты. Даже в канале с АБГШ
применение схем относительного кодирования и скремблирования при-
водит к возникновению коротких пакетов ошибок. Вероятность ошиб-
ки во время действия пакета может на несколько порядков превышать
ее- средние долговременные показатели и выйти за пределы гарантиро-
ванной исправляющей способности декодера. Декодеры сверточных
кодов, в том числе декодеры Витерби, имеют выраженную тенденцию
к размножению и пакетированию ошибок, когда вероятность их появ-
ления начинает превышать определенный предел. В системах с каскад-
ным кодированием размножение ошибок во внутреннем сверточном
декодере дополнительно снижает исправляющую способность внешне-
го декодера.
Для борьбы с пакетированием ошибок применяют перемежение (пе-
рестановку) символов передаваемой последовательности на передаче и
восстановление ее исходной структуры на приеме. Благодаря переме-
жению на входе декодера ошибки распределяются во времени более
равномерно, в идеале преобразуясь в поток независимых ошибок.
Устройства перемежения подразделяются на периодические и псев-
дослучайные. Периодические перемежители проще, поэтому они исполь-
зуются в большинстве случаев. Псевдослучайные сложнее, но их ха-
рактеристики лучше, они применяются в некоторых специальных
случаях [2].
Периодические устройства перемежения делятся, в свою очередь, на
блоковые и сверточные.
128
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
Рис. 4.27. Сверточные устройства перемежения и восстановления символов
Блоковые устройства представляют собой матрицу памяти. Вход-
ные блоки данных записываются в столбцы матрицы. После ее запол-
нения производят считывание по строкам. Тем самым изменяется струк-
тура передаваемых данных. На приеме производят запись и считывание
в обратном порядке, восстанавливая первоначальную структуру.
В системах цифрового телевидения получили распространение пери-
одические сверточные устройства перемежения.
Показанный на рис. 4.27 сверточный байтовый перемежитель-вос-
становитель Форни имеет глубину перемежения I = 12 [49]. Глубина
перемежения — это полное число ветвей перемежителя, каждая из ко-
торых
j= 1, 2,..., 1-1, (4.41)
(за исключением первой j =0) представляет собой регистр сдвига обрат-
ного магазинного типа (FIFO). Устройства требуют синхронизации пе-
редающих и приемных коммутаторов, которые должны для каждого
байта данных подключать ветви с одинаковыми индексами. Байт синх-
ронизации пакета проходит по ветви с индексом j =0, следующий байт
коммутируется в ветвь с индексом j =1 и т.д. до завершения полного
цикла. На приеме регистры включены в те же ветви в порядке убыва-
ния задержки.
При расчете задержки в каждой из ветвей перемежителя поступают
следующим образом. Вначале определяют некоторый коэффициент
М = п/1,
(4.42)
Список литературы
129
где п — это полное число байтов в защищаемом пакете данных.
Затем определяют задержки конкретных ветвей D. по формуле
л. = Mj,
(4.43)
где j = 0, 1, 2,..., I -1.
Таким образом, первая ветвь (/ = 0) имеет нулевую задержку и ис-
пользуется для обработки байта синхронизации пакета, что требует
предварительного установления и поддержания устойчивой синхрони-
зации [8].
Применительно к кодированному транспортному пакету системы
цифрового ТВ вещания получаем следующие коэффициенты: дг=204;
M=204/12=17; D=17, Z>n=187.
Список литературы
1. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки:
Пер. с англ./Под ред. К.Ш.Зигангирова. М.: Мир. 1986.
2. Кларк Дж., мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок
в системах цифровой связи: Пер. с англ ./Под ред. Б.С.Цыбакова.
М.: Радио и связь. 1987.
3. Мак-Вильямс Ф.Дж., Слоэн Н.Дж.А. Теория кодов, исправляю-
щих ошибки: Пер. с англ./Под ред. Л.А.Бассалыго. М.: Связь. 1979.
4. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки: Пер. с
англ./Под ред. Р.Л.Добрушина и С.И.Самойленко. М.: Мир. 1976.
5. Brind’Amour A., Feher К. Design and Evalution of a Convolutional
Codec in Additive White Gaussian Noise, Sinusoidal Interference, and
Intersymbol Interference Environment // IEEE Trans. Communs. March
1980. Vol. COM-28. №3.
6. Jacobs I.M. Practical applications of coding//lEEE Trans. Inform.
Theory. May 1974. Vol. IT-20. №3.
7. Форни Д. Каскадные коды: Пер. с англ./Под ред. С.И.Самойленко.
М.: Мир. 1970.
8. Van Houtum W.J. Single carrier digital terrestrial television
broadcasting // IEEE Trans. Broadcast. December 1997. Vol. 43. №4.
9. Reed-Solomon Decoder. Product Specification // Integrated Silicon
Systems. Ltd. 10 January 2000.
http://www.iss-dsp.com/
10. Теория кодирования. /Т.Касами, Н.Токура, Ё.Ивадари, Я.Инага-
ки: Пер. с япон./Под ред. Б.С.Цыбакова и С.И.Гельфанда. — М.:
Мир. 1978.
11. Витерби А.Д., Омура Дж. Принципы цифровой связи и кодиро-
130
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
вания: Пер. с англ./Под ред. К.Ш.Зигангирова. М.: Радио и связь.
1982.
12. VITERBI DEC Viterbi Decoder. Product Specification. — CSELT S.p.A.
10 January 2000. http://www.cselt.it/
13. Cain J.B., Clark G.C., Geist G.M. Punctured convolutional codes
of rate (n-l)/n and simplified maximum likelihood decoding // IEEE
Trans. Inform. Theory. January 1979. Vol. IT-25. №1.
14. Ungerboeck.G. Channel coding with multilevel/phase signals // IEEE
Trans. Inform. Theory. January 1982. Vol. IT-28. №1.
15. Ungerboeck.G. Trellis-coded modulation with redundant signal sets
- Part I: Introduction // IEEE Commun. March, February 1987. Vol.
25. №2.
16. Ungerboeck.G. Trellis-coded modulation with redundant signal sets
— Part II: State of the Art//IEEE Commun. March, February 1987.
Vol. 25. №2.
17. Benedetto S., Mondin M., Montorsi G. Performance evalution of
trellis-coded modulation schemes//Proc. of the IEEE. June 1994. Vol.
82. №6.
18. Forney G.D., Gallager R.G., Lang G.R., Longstaff F.M., Qureshi
S.U. Efficient modulation for band-limited channels // IEEE Journal
on Select. Areas Communs. September 1984. Vol. SAC-2. №5.
19. Heegard C., Lery S.A., Paik W.H. Practical coding for QAM
transmission of HDTV // IEEE Journal on Select. Areas Communs.
January 1983. Vol. 11. №1.
20. Berrou C., Glavieux A., Thitimasjshima P. Near Shannon limit error-
correcting coding and decoding: Turbo codes (1) // Proc. IEEE Int.
Conf, on Communications. — Geneva. Switzerland. May 1993.
21. Nickl H., Hagenauer J., Burkert F. Approaching Shannon’s capacity
limit by 0.27 dB using Hamming codes in a "turbo"-decoding scheme /
I IEEE Communications Letters. September 1997. Vol. 1. №5.
22. Andersen J.D. "Turbo" Coding for Deep Space Applications // Proc.
IEEE 1995 Intern. Symposium on Information Theory. Whistler.
Canada. September 1995.
23. Berkmann J. On Turbo Decoding of Nonbinary Codes//lEEE
Communications Letters. April 1998. Vol. 2. №4.
24. Battail G. A Conceptual Framework for Understanding Turbo Codes
// IEEE Journal on Selected Areas in Communications. February 1998.
Vol. 16. №2.
25. Valenti M.C. An Introduction to Turbo Codes. — Virginia polytechnic
Inst. & S.U. Blacksburg. Virginia.
http://www.csee.wvu.edu/~mvalenti/pubs.html/
26. Hagenauer J. Iterative decoding of binary block and convolutional
codes // IEEE Trans. Inform. Theory. March 1996. Vol. IT-42. №2.
Список литературы
131
27. Andersen J.D. A Turbo Tutorial. — Technical University of Denmark.
Department of Telecommunication. 1999.
http://www.tele.dtu.dk/~jda/turbopub.html
28. Bahl L., Cocke J., Jelinek F., Raviv J. Optimal decoding of linear
codes for minimizing symbol error rate // IEEE Trans. Inform. Theory.
March 1974. Vol. IT-20. №2.
29. Брауде-Золотарев Ю.М., Золотарев В.В., Красносельский
И.Н., Шанина Н.И. Пороговый алгоритм и оптимальные прием-
ники малоизбыточных сигналов // Труды НИИР. 1979. №4.
30. Красносельский И.Н. Турбокоды: принципы и перспективы //
Электросвязь. 2001. №1.
31. Брауде-Золотарев Ю.М., Красносельский И.Н. Эксперимен-
тальные исследования сверточного кодека с оптимизированным по-
роговым декодированием // Труды НИИР. 1982. №2.
32. Красносельский И.Н. Контроль ошибок в информационном сиг-
нале оптимизированного порогового декодера // Труды НИИР. 1991.
№2.
33. Valenti М.С. Turbo Codes and Iterative Processing // Proc. IEEE
New Zealand Wireless Communications Symposium’98. Auckland New
Zealand. November 1998.
34. Wu Y. Design and Implementation of Parallel and Serial Concatenated
Convolutional Codes. — A Preliminary Review of Initial Research and
Proposal for Current and Future Work Toward Doctor of Philosophy
Degree. — Blacksburg. Virginia. May 1999.
35. ITU-R. Doc. 11-3/83-E, 04.10.1993, (France). Turbo-Codes for Digital
Terrestrial Broadcasting.
36. AHA 4540 Astro-OC3. 155 Mbits/Sec Turbo Product Code Encoder
Decoder. — AHA Product Brief, PB4540-0600. — 2000 AHA. Inc.
http://www.aha.com.
37. AHA Application Note — Primer: Turbo Product Code. — ANTPC01-
0499.
http://www.aha.com.
38. ITU-R. Doc. 11-3/89-E, 23.10.1995, (Special Rapporteurs). Physical
Layer and Modulation.
39. Зубарев Ю.Б.,Трофимов Ю.К., Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б.
Пути повышения пропускной способности мобильных систем 3-го
поколения//Электросвязь. 2001. №3
40. Burkert F., Hagenauer J. Improving Channel Coding of the ETSI-
and MPEG-Satellite Transmission Standards. — Proc. Globecom’97.
Phoenix. November 1997.
41. European Standard (Telecommunications series) EN 300 421 VI. 1.2
(1997-08). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services. —
EBU/CENELEC/ETSI JTC.
132
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных
42. Burkert F., Hagenauer J. A Serial Concatenated Coding Scheme with
Iterative "Turbo" — and Feedback Decoding. Proc. Intern. Symposium
on Turbo-Codes and Related Topics. — Brest, France. September 1997.
43. ITU-R. Doc. 6E/50-E, 20.02.2001, (China). Terrestrial Digital
Multimedia/Television Broadcasting System Development in China.
44. Buchs J.-D. Einfache Differenzcodierer und -decodierer fur Systeme
mit vierstufiger Phasendifferenzmodulation. — NTZ. 1976. Vol.29.
№5.
45. Банкет В.Л., Дорофеев B.M. Цифровые методы в спутниковой
связи. М.: Радио и связь. 1988.
46. Weber W.J. Differential Encoding for Multiple Amplitude fnd Phase
Shift Keying Systems // IEEE Trans. Communs. March 1978. Vol.
COM-26. №3.
47. Кривошеев М.И., Виленчик Л.С., Красносельский И.Н. и др.
Цифровое телевидение/Под ред. М.И.Кривошеева М.: Связь. 1980.
48. Lyons L.S. Scrambler theory in data communications. — Electronic
Engineering. 1977. Vol. 49. №594.
49. Forney G.D. Burst correcting codes for the classic bursty channel //
IEEE Trans. Commun. Technol. October 1977. Vol. COM-19. №10.
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых
систем передачи
5.1. Определение эффективности цифровых систем передачи
5.1.1. Спектральная эффективность
Спектральная (частотная) эффективность цифровой системы опре-
деляется, как [1]
Y = Rb /Bw^
(5.1)
где Rb — скорость передачи информации, бит/с;
Виг — полная полоса частот канала, Гц.
Измеряется спектральная эффективность числом битов в секунду,
приходящихся на 1 Гц полосы канала, т.е. бит/(сТц).
В реальных условиях доступная полоса частот канала Bw по тем или
иным причинам может использоваться не полностью, поэтому даже
достаточно эффективная система передачи в ее конкретном примене-
нии по данному критерию оценки будет выглядеть неэффективной. Кроме
того необходимо уточнить критерий спектральной эффективности, свя-
зав его с полосой Найквиста BN и коэффициентом скругления спектра
а, значение которого характеризует расширение практически занимае-
мой спектром сигнала полосы частот канала BL сверх полосы Найквис-
таВ„ :
BL = BN(l+a).
(5.2)
Соответственно реальная спектральная эффективность т| различных
схем модуляции, предназначенных для цифровой передачи, выражает-
ся формулой
Г| = Rb/BL = Rb/BN (1+а).
(5.3)
В идеальном случае при полном использовании всей полосы частот
канала, когда Bw = BL , показатели эффективности г| и у совпадают, т.е.
у=т|.
Целесообразно ввести также критерий потенциальной спектральной
эффективности конкретного метода модуляции, который соответствует
коэффициенту т| или у при Bw = BLn и. = 0.
Определим потенциальную эффективность как
Yo
(5.4)
134
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
Отсюда следует, что
т| = у0 /(14-ос) или у0 = т|(1+ос). (5.5)
При использовании многопозиционной цифровой модуляции
Rb = log2(W?s, (5.6)
где М — число элементов пространства сигналов при цифровой модуляции;
Rs — скорость передачи символов цифрового потока.
Согласно критерию Найквиста максимальная скорость передачи сим-
волов в полосовой системе численно равна
Rs = Bw /(1+а). (5.7)
Следовательно, при Bw = BL
n = log2(M)/(l+a). (5.8)
Отсюда следует, что для повышения спектральной эффективности ц
необходимо увеличивать кратность модуляции log2(M) и одновременно
снижать значение коэффициента скругления спектра ос, тем самым уве-
личивая крутизну среза спектра модулирующего сигнала. Но исполь-
зование малых ос требует разработки сложных цифровых фильтров, а
на приеме отсчеты сигнала в решающем устройстве становятся в боль-
шей мере подвержены временному джиттеру. Дополнительно к этому
возрастает чувствительность к нелинейным искажениям в тракте, ко-
торые проявляются в снижении раскрыва глазка принимаемого сигна-
ла. Поэтому существует мнение, что при массовом производстве радио-
приемных устройств минимальное значение ос должно быть равно 0,3.
Для достижения максимальной помехоустойчивости в реальных усло-
виях значение ос должно лежать в пределах от 0,4 до 0,6 [2]. В систе-
мах цифрового ТВ вещания реально используются значения ос, равные
0,15; 0,25; 0,35.
Для систем с модуляцией OFDM эффективность передачи определя-
ется как
П = 2/(l+oc/L), (5.9)
где L — число параллельно передаваемых в системе с OFDM потоков
данных (не число ортогональных несущих) [3].
Формула (5.9) показывает, что увеличение числа параллельных ка-
налов данных приводит к высоким значениям эффективности т| без
снижения коэффициента скругления спектра ос, что и является одним
из преимуществ модуляции OFDM.
Использование 4-ФМ в сочетании с OFDM позволяет получить ассим-
5.1. Определение эффективности цифровых систем передачи
135
птотическое приближение к спектральной эффективности 2 бит/(сТц).
Это базовое значение эффективности практически снижается при исполь-
зования корректирующего кода: так для каскадных кодов значение эф-
фективности лежит в пределах от 0,4 до 0,8 , чему соответствует систем-
ная эффективность от 0,8 до 1,6 бит/(сТц). Множество применимых
кодов позволяет, в свою очередь, обеспечить требуемый компромисс меж-
ду спектральной и энергетической эффективностями в каждой конкрет-
ной ситуации [4].
При современном уровне сжатия сигналов изображения для переда-
чи одной программы ТВЧ или нескольких программ стандартного ка-
чества требуется скорость битов около 20 Мбит/с. Ранее отмечалось,
что для согласования этой скорости со стандартными полосами частот
6, 7 и 8 МГц существующих в мире ТВ каналов необходимо применять
сочетание многопозиционной модуляции с помехоустойчивым кодиро-
ванием [5]. В нормальных условиях системные компромиссы обеспечи-
ваются при спектральной эффективности около 4 бит/(сТц). Однако
при недостаточной помехозащищенности канала связи приходится сни-
жать кратность модуляции и повышать избыточность из-за увеличе-
ния доли символов корректирующего кодирования, при этом соответ-
ственно снижается пропускная способность и, как следствие, падает
спектральная эффективность. В зависимости от кратности модуляции
и кодовых скоростей, принятых в цифровом наземном ТВ вещании,
значения спектральной эффективности могут изменяться в очень ши-
роких пределах, что показано в табл. 5.1 для некоторых типичных
случаев использования неиерархической модуляции в канале с полосой
8 МГц [6].
Таблица 5.1. Спектральная эффективность
Кодовая скорость Спектральная эффективность модуляции, бит/(с Гц)
QPSK 16-QAM 64-QAM
1/2 0,62 1,24 1,87
2/3 0,83 1,66 2,49
3/4 0,93 1,87 2,80
5/6 1,04 2,07 3,11
7/8 1,09 2,18 3,27
5.1.2, Энергетическая эффективность
Показатель энергетической эффективности [7]
₽ = RbN0/Pc ,
(5.10)
136
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
где Рс — средняя мощность модулированного сигнала;
No = kT — односторонняя спектральная плотность мощности адди-
тивного белого гауссовского шума (АБГШ) на входе приемного фильтра.
С учетом того, что
Рс = EbRb ’ (5.П)
где Еь — энергия сигнала на бит информации на входе приемного фильтра,
получаем
$ = N0/Eb. (5.12)
Таким образом, коэффициент [3 — величина обратная отношению
энергии на бит в передаваемом сигнале к плотности шума на входе
приемника.
При использовании в модеме согласованной фильтрации и формиро-
вании спектров, согласно критериям Найквиста, энергетическая эф-
фективность [3 может быть выражена следующим образом:
$ = RbN0BN/PcBN. (5.13)
Так как при согласованной найквистовской фильтрации шумовая
полоса приемника совпадает с полосой Найквиста, то мощность шума
на входе решающего устройства равна Рш = NoBn , при этом отношение
сигнал/шум q = Рс/ Рш, а Р = Rb/BNq.
Коэффициенты Т| и [3 взаимосвязаны. Подставляя в формулу (5.13)
для [3 отношение Rb/BN = у0 = т|(1+ос), получаем
Р = n(l+a)/g, (5.14)
q = r](l+a)/p. (5.15)
Как известно, пропускная способность (максимально возможная ско-
рость передачи информации) частотно-ограниченного канала с аддитив-
ным белым гауссовским шумом определяется формулой Шеннона [5]
с = AF log2(l + Pc/N0AF ). (5.16)
Здесь под полосой пропускания системы AF следует понимать шумо-
вую полосу, равную полосе Найквиста BN [8]. В пределе, при выполне-
нии условий теоремы, Я = С, и тогда можно получить соотношение
для верхней границы эффективности передачи информации
Rb/BN = log2(l+g) = log2(l + T](l+a)/P), (5.17)
П(1+а) = log2(l + r|(l+a)/P).
(5.18)
5.2. Потенциальная помехоустойчивость цифровой модуляции
137
Найдем отсюда формулу для энергетической эффективности Р как
функции реальной спектральной эффективности Г| и коэффициента
скругления спектра ос
р = п(1+а)/(2ч<1 + к> -1). (5.19)
В частном случае при ос = 0 полученная формулу (5.19) переходит в
известное соотношение потенциальной эффективности [7], дающее ис-
тинную оценку лишь в узком смысле,
Р = у/(2у-1). (5.20)
Найденные зависимости становятся наглядными при отображении
их в виде семейства кривых на плоскости Р и т|, при этом они отражают
наилучший обмен между эффективностями Р и т|. Для удобства анали-
за ниже представлены два варианта этих зависимостей. На рис. 5.1
показано семейство кривых энергетической эффективности Р в зависи-
мости от реальной спектральной эффективности ц при фиксированных
значениях коэффициента скругления спектра а; а на рис. 5.2 — энер-
гетической эффективности Р в зависимости от коэффициента скругле-
ния спектра ос при ряде фиксированных значений реальной спектраль-
ной эффективности т|.
Анализируя кривые, представленные на рис. 5.1 и 5.2, можно сде-
лать следующие принципиальные выводы.
По мере роста т| значения р падают тем круче, чем больше ос. В свою
очередь при возрастании ос от 0 до 1 кривые P-эффективности падают
тем больше, чем больше Г|-эффективность. Это означает, что при мно-
гопозиционной модуляции, т.е. при выборе больших г|, надо приме-
нять спектры с малыми ос. При малом числе позиций в пространстве
сигналов требования к ос, с точки зрения P-эффективности, не столь
критичны.
5.2. Потенциальная помехоустойчивость цифровой модуляции
5.2.1. Фазовая модуляция
В цифровых системах ТВ вещания с одиночной несущей и с множе-
ством несущих OFDM наиболее часто используемыми видами модуля-
ции являются квадратурная фазоразностная модуляция QPSK и квад-
ратурная амплитудно-фазовая модуляция 16- и 64-QAM. Поэтому
приведем здесь для справки основные сведения по потенциальной по-
мехоустойчивости этих и близких к ним методов модуляции.
Интересно сравнить свойства двух видов модуляции — ФМ и КАМ.
В основе многих методов модуляции, отличающихся законами пере-
кодирования цифровых потоков и их фазовыми сдвигами лежат мето-
ды классической фазовой модуляции. Рассмотрим потенциальную по-
мехоустойчивость основных видов ФМ.
138
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
Энергетическая эффективность, дБ
Спектральная эффективность, т|
Рис. 5.1. Энергетическая эффективность р в зависимости от реальной спектраль-
ной эффективности т| при фиксированных значениях коэффициента скругления
спектра а
5.2. Потенциальная помехоустойчивость цифровой модуляции
139
Энергетическая эффективность, дБ
Коэффициент скругления спектра, а
Рис. 5.2. Энергетическая эффективность р в зависимости от коэффициента скруг-
ления спектра а при фиксированных значениях реальной спектральной эффектив-
ности Т|
140
5 Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
При воздействии АБГШ на двухфазный сигнал 2-ФМ вероятность ошиб-
ки на бит на выходе приемного фильтра определяется формулой [1]
где А — амплитуда огибающей сигнала 2-ФМ в момент решения на
выходе приемного фильтра;
N — мощность шума.
При использовании в качестве приемного фильтра согласованного филь-
тра значение A2 /2N достигает максимума и становится равным Eb/N0,
A2/2N = Eb/NQ,
(5.22)
где Eb — энергия на бит входного сигнала PSK;
Nq — односторонняя спектральная плотность мощности шума на
входе приемного фильтра.
В случае когерентной 4-ФМ процесс демодуляции эквивалентен коге-
рентному детектированию сигнала 2-ФМ, уровень которого на 3 дБ ниже,
чем у сигнала 4-ФМ, при условии, что входной сигнал 4-PSK когерентно
детектируется парой опорных несущих, которые ортогональны между
собой и сдвинуты на 45° по отношению к фазам входного сигнала.
Тогда вероятность ошибки на бит для сигнала 4-ФМ
г. 1 Г
Р = — еггс
2
(5.23)
При использовании в качестве входного приемного фильтра согласо-
ванного фильтра действует равенство
A2/4W = Е„ /2Nn.
О v
(5.24)
Здесь Es — энергия символа сигнала ФМ на входе приемного фильтра.
Поскольку символ сигнала 4-ФМ в отличие от символа сигнала
2-ФМ состоит из 2 битов, то Es = Еъ для сигнала 2-ФМ, и Es = 2Е для
сигнала 4-ФМ. Следовательно, формулы (5.22) и (5.24) численно равны
друг другу, и вероятность ошибки на бит при когерентном приеме сигнала
4-ФМ является функцией Eb /No, как и для сигнала когерентной 2-ФМ.
Таким образом, модуляция 4-ФМ обеспечивает лучший компромисс по
критерию мощность-полоса. Кроме того, сигналы ФМ подвержены ма-
лым искажениям при сильной нелинейности канала. Это предопределя-
ет преимущественный выбор сигналов с модуляцией ФМ для систем спут-
никовой связи.
5.2. Потенциальная помехоустойчивость цифровой модуляции
141
Отношение EbINQ, дБ
Рис. 5.3. Вероятность ошибки на бит для систем 2- и 4-ФМ
Характеристика вероятности ошибки на бит Ре в зависимости от от-
ношения Eb /N при когерентном детектировании сигнала 2-ФМ или
4-ФМ показана на рис. 5.3.
Следовательно, [1]:
при когерентном детектировании при одной и той же вероятнос-
ти ошибки на бит отношение несущей к шуму С/N в радиоканале
для сигнала 4-ФМ должно быть на 3 дБ выше, чем для сигнала
2-ФМ;
142
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
вероятность ошибки на бит систем с относительной фазовой мо-
дуляцией вдвое выше, чем для систем с передачей абсолютных
значений фазы.
5.2.2. Квадратурная модуляция
Вероятность ошибки на символ канала для многопозиционной квад-
ратурной амплитудной модуляции M-QAM в общем случае [9]
Отношение EbINQ, дБ
Рис. 5.4. Вероятность ошибки на бит в зависимости от отношения Eb/N0 для систем
с модуляцией 4-(1), 16-(2) и 64-QAM(3)
5.2. Потенциальная помехоустойчивость цифровой модуляции
143
log2(M)
/31og2(M )Е/?
\ 2(Л7 - 1)7VO
(5.25)
Кривые потенциальной помехоустойчивости наиболее широко рас-
пространенных видов модуляции 16- и 64-QAM в зависимости от отно-
шения Е /Nq показаны на рис. 5.4. Для сравнения на том же рисунке
показана кривая для 4-QAM или, иначе говоря, 4-ФМ.
В ряде случаев предпочтительнее использовать в качестве аргумента
отношения сигнал шум S/N. Для пересчета отношения Eb/NQ в отно-
шение S/N используют следующее выражение [9]:
S/N = Е /No = Е /N 4og2(M ). (5.26)
После подстановки (5.26) в (5.25) можно построить соответствую-
щие кривые Ре в зависимости от S/N, показанные на рис. 5.5.
В системах с помехоустойчивым кодированием необходимо учесть
снижение энергии за счет введения в групповой поток проверочных
символов.
Тогда формула (5.26) будет иметь вид
S/N = Eb/N0-log2(M )R,
(5.27)
где R — кодовая скорость.
5.2.3. Оценка помехоустойчивости и эффективности цифровых систем ТВ вещания
В опубликованных отчетах о результатах испытаний различных си-
стем цифрового телевидения, характеризуя помехоустойчивость, при-
водят вместе или в отдельности значения вероятности ошибки Ре и
отношений Eb/N^ С/N. С учетом применения различных методов пере-
межения цифровых потоков и их помехоустойчивого кодирования час-
то сложно провести абсолютно точный сравнительный анализ исполь-
зуемых методов передачи, однако вполне возможна их достаточно
реальная оценка. Наибольшую определенность дают кривые вероятно-
сти ошибки от отношения Eb/N^ но можно провести и пересчет отно-
шения С/N в Еь /Ао с последующим определением соответствующих
значений вероятности ошибки по кривым, аналогичным представлен-
ным на рис. 5.4 и 5.5 (имея в виду также достижимый энергетический
выигрыш за счет системы защиты от ошибок).
При оценке спектральной эффективности систем цифрового веща-
ния с одной несущей, но с принципиально разными видами модуляции,
такими как M-QAM и 8-VSB следует учитывать, что одно и то же зна-
чение эффективности в этих системах достигается за счет различных
физических принципов. В системах с M-QAM полоса канала полностью
используется передачей двумерного сигнала или двух ортогональных
несущих с одним номинальным значением частоты, но с разными фа-
144
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
Рис. 5.5. Вероятность ошибки на бит в зависимости от отношения сигнал/шум
для систем с модуляцией 4-(1), 16-(2) и 64-QAM(3)
зами. В системах с VSB передается одномерный сигнал, но только с
одной боковой полосой. Теоретические расчеты показывают, что при
одной и той же спектральной эффективности и при одном и том же
значении вероятности ошибки на бит равном 10 3, необходимое отноше-
ние сигнал/шум в обеих системах отличается не более, чем на 0,02 дБ
[10]. Некоторые вычисленные значения приведены в табл. 5.2.
Список литературы
145
Таблица 5.2. Спектральная эффективность систем QAM и VSB
Спектральная эффективность, бит/(с Гц) Минимальное отношение с/ш при вероятности ошибки 10'3 Число позиций сигнала QAM Число уровней сигнала VSB
2 9,8 4 2
3 14,4 8 —
4 16,5 16 4
5 19,4 32 —
6 22,6 64 8
7 25,4 128 —
8 28,4 256 16
Данные табл. 5.2 показывают, что квадратурная модуляция M-QAM
обладает немного большей гибкостью, чем VSB, поскольку позволяет
передавать данные с нечетным числом бит/Гц.
Список литературы
1. Handbook on Satellite Communications (Fixed-Satellite Service) / ITU.
CCIR. — Geneva. 1985.
2. Digital modulation scheme for ISDB (Integrated Services Digital
Broadcasting) in the 12 GHz Band/Hisakazu Katoh et all. — NHK
Laboratories Note. September 1994. №428.
3. Hirosaki B. An orthogonally multiplexed QAM system using the
discrete Fourier transform // IEEE Trans. Communs. July 1981. COM-
29. №7.
4. Alard M., Lassalle R. Principles of modulation and channel coding
for digital broadcasting for mobile receivers. — EBU Review —
Technical. August 1987. №224.
5. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: 1963.
6. ITU-R. Doc.ll-3/27-Е, 15.03.1996, (USA). Guide to the use of the
ATSC Digital Television Standard.
7. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информа-
ции /Под ред. А.Г.Зюко. М.: Радио и связь. 1985.
8. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советс-
кое радио. 1970.
146
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем передачи
9. Muschallik С. Measuring Performance of DVB Consumer Receivers. /
I IEEE Trans, on Broadcasting. December 1997. Vol. 43. №4.
10. Kerpez K.J. A Comparison of QAM and VSB for Hybrid Fiber/Coax
Digital Transmission // IEEE Trans, on Broadcasting. March 1995.
Vol. 41. №1.
II. Международная стандартизация
и техническая реализация систем и
устройств цифрового ТВ вещания
6. Международная стандартизация систем
цифрового телевидения
6.1. Международные организации по стандартизации систем
цифрового телевизионного вещания
Вопросами, связанными с международной стандартизацией систем
цифрового телевидения, занимаются [1]
в общемировом масштабе:
Международная организация по стандартизации — ИСО
(International Organization for Standardization — ISO);
Международная электротехническая комиссия — МЭК
(International Electrotechnical Commission — IEC);
Международный союз электросвязи — МСЭ (International
Telecomunication Union — ITU);
на региональных уровнях:
Европейский вещательный союз (European Broadcasting Union —
EBU);
Европейский комитет по стандартизации (European Committee for
Standardization — CEN);
Европейский комитет по стандартизации .в электротехнике
(European Committee for Electrotechnical Standardization —
CENELEC);
Европейский институт стандартов электросвязи (European
Telecommunications Standards Institute — ETSI);
Американский национальный институт стандартов (American
National Standards Institute — ANSI);
Американский Комитет по перспективным системам телевиде-
ния (Advanced Television Systems Committee — ATSC);
Американский Консультативный комитет ФКС по перспектив-
ной службе телевидения (FCC’s Advisory Committee on Advanced
Television Service — AC ATS);
148
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Японская ассоциация радиопромышленности и бизнеса
(Association of Radio Industries and Businesses — ARIB);
другие организации no стандартизации:
Проект Цифрового телевизионного вещания (DVB Project);
Совет по цифровым аудиовизуальным службам (Digital Audio-
Visual Council — DA VIC);
Общество кино- и телевизионных инженеров (Society of Motion
Picture & Television Engineers — SMPTE);
Проект VALIDATE в составе Программы ACTS Европейской Ко-
миссии;
Ассоциация по стандартизации Института инженеров по элект-
ротехнике и радиоэлектронике (IEEE Standards Association —
IEEE-SA).
ИСО — всемирная федерация национальных органов по стандарти-
зации, объединяющая примерно 130 стран. Это — неправительствен-
ная организация, учрежденная в 1947г. Миссия ИСО — содействовать
развитию в мире стандартизации и связанной с нею деятельности с
целью облегчения международного обмена товарами и услугами и уг-
лубления сотрудничества в сферах интеллектуальной, научной, техно-
логической и экономической деятельности.
Результатом работы ИСО являются международные соглашения,
которые издаются как международные стандарты во всех областям де-
ятельности за исключением электротехники.
МЭК — это первая всемирная организация по стандартизации, ос-
нованная в 1906 г., которая разрабатывает и издает международные
стандарты для всех электрических, электронных и связанных с ними
технологий, включая электросвязь, а также решает вопросы термино-
логии и символики. МЭК играет ключевую роль в подготовке междуна-
родных стандартов в области информационных технологий.
Рабочий орган ИСО и МЭК в области информационных технологий
— Объединенный технический комитет по информационным техноло-
гиям (ISO/lEC JTC-1), который был сформирован в 1987 г. в соответ-
ствии с соглашением между МЭК и ИСО. Созданный для работ по ин-
формационным технологиям в МЭК и в ИСО комитет JTC-1 получает
также исходные материалы от МСЭ, который поддерживает с JTC-1
официальные связи. Комитет JTC-1 имеет 18 подкомиссий, работа ко-
торых охватывает все области: от разработки программного обеспече-
ния до языков программирования, включая компьютерную графику,
обработку изображений, стыковку оборудования, методы безопасности
и т.д.
Одной из подкомиссий (SC29) рабочей группы WG11 комитета JTC-1
является хорошо известная Группа экспертов по кодированию подвиж-
ных изображений (MPEG) — рабочая группа ИСО/МЭК, учрежденная
в январе 1988 г. и отвечающая за разработку международных стан-
6.1. Международные организации по стандартизации систем цифрового...
149
дартов по компрессии (сжатию), декомпрессии, обработке и кодированно-
му представлению подвижных изображений, звука и их комбинаций.
В ноябре 1994 г. группа MPEG разработала стандарт кодирования и
сжатия изображений для цифрового телевидения, известный под на-
званием MPEG-2, или более точно: ISO/IEC 13818 Part 1,2, 3 (November
1994): "Coding of moving pictures and associated audio". К настоящему
времени этот стандарт содержит 9 частей с многочисленными прило-
жениями и дополнениями и охватывает разнообразные аспекты циф-
рового телевидения. Первые три части одобрены в ранге международ-
ных стандартов, следующие шесть находятся на различных этапах
согласования.
МСЭ — межправительственная организация, обеспечивающая сотруд-
ничество государственных и частных секторов в области развития элек-
тросвязи. МСЭ принимает международные регулирующие документы и
соглашения по изучению технических и эксплуатационных вопросов,
относящихся к электро- и радиосвязи, с учетом потребностей различ-
ных служб, а также разрабатывает стандарты, облегчающие сопряже-
ние систем электросвязи во всемирном масштабе независимо от типа
используемой технологии. На 1 июля 2001 г. МСЭ включал 190 госу-
дарств — членов союза и 663 члена трех секторов: Радиосвязи (МСЭ-Р,
ранее назывался МККР — Международный Консультативный Комитет
по Радио), Стандартизации (МСЭ-Т) и Развития (МСЭ-Д). В число чле-
нов МСЭ входят научные и индустриальные компании, общественные
и частные операторы, вещатели, региональные и международные орга-
низации.
МСЭ исследует развитие средств спутникового и наземного веща-
ния, телекоммуникационных и информационных служб, координирует
работу региональных организаций и разрабатывает единые мировые стан-
дарты в этих областях. В последние годы возросла определяющая роль
МСЭ в разработке и гармонизации стандартов систем вещания и дру-
гих информационных систем. Это связано с прогрессом цифровых ме-
тодов и слиянием вещательных, телекоммуникационных и компьютер-
ных технологий, с использованием всех видов наземных и спутниковых
каналов связи для обеспечения все возрастающего объема интерактив-
ной нагрузки, Интернет-вещания, IP-телефонии и др. Важно, что МСЭ в
процессе разработки и гармонизации стандартов, а также при последую-
щем их внедрении учитывает следующие важные факторы [30, 49, 78]:
1) радиочастотное и орбитальное обеспечение систем;
2) определение зон наземного и спутникового вещания, включая рас-
пределительные системы типа MMDS, LMDS, MVDS;
3) согласование методов частотного и орбитального планирования,
обеспечение Международной координации частот и позиций на
орбите;
4) обеспечение и сопряжение интерактивных систем на базе всех
фиксированных и подвижных телекоммуникационных средств с
учетом Интернет, мультимедиа и других информационных служб;
150
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
5) возможность организации больших потоков цифровых данных,
передаваемых в составе программ вещания;
6) возможность международного обмена программами вещания и
"электронной кинематографии" по каналам связи и с помощью
записи;
7) возможность получения рекомендаций по стратегии внедрения
новых технологий вещания и телекоммуникаций и, в первую оче-
редь, цифрового ТВ и звукового вещания в интересах развиваю-
щихся стран;
8) необходимость разработки рекомендаций интегральных требова-
ний к вещательной студийной и внестудийной аппаратуре, инте-
рактивным комплексам, наземным и спутниковым передающим
средствам, телевизорам, радиоприемникам и другой профессио-
нальной и бытовой аппаратуре, а также требований к ее про-
мышленному выпуску;
9) экономические аспекты и тарифы за пользование информацион-
ными услугами;
10) включение систем интерактивного вещания, электронной кине-
матографии, Интернет и мультимедиа в сферу массового инфор-
мационного обслуживания в перспективе в любой точке Земли, в
любое время, в покое или в движении, на любом языке с обеспе-
чением экологической защиты пользователей и передаваемой ими
информации.
Рекомендации МСЭ формально не носят обязательного характера,
так как их не оформляют в ранге международных договоров, но их
выполняют обычно как стандарты, что позволяет различным службам
быть технически обеспеченными в международном масштабе и гаран-
тирует сопрягаемость сетей [2]. Такой статус рекомендаций не снижает
их значимости.
Между МСЭ и ISO/lEC JTC-1 существует тесное взаимодействие и
его уровень постоянно возрастает. ИСО и МЭК как международные
организации имеют членство в МСЭ и наоборот. Для повышения стату-
са Рекомендаций МСЭ-Т были установлены правила представления со-
вместных документов, имеющих ранг Рекомендация МСЭ-Т/Междуна-
родный стандарт ИСО/МЭК. Такие совместные документы принимаются
и публикуются только после получения одобрительного заключения от
организации-партнера на проект рекомендации/стандарта, представ-
ляемый к голосованию [3].
В Европейской зоне радиовещания ведущая роль в области между-
народной стандартизации систем цифрового ТВ вещания принадлежит
EBU, ETSI и CENELEC. Рабочим органом этих трех организаций явля-
ется Объединенный технический комитет JTC, который был образован
в 1990 г. по соглашению между EBU и ETSI для координации разра-
ботки стандартов в области радиовещания и связанных с ней областях.
Начиная с 1995 г., после включения в Меморандум о Взаимопонима-
нии комитета CENELEC, который, в свою очередь, является ответствен-
6.1. Международные организации по стандартизации систем цифрового...
151
ным за стандартизацию ТВ и радиоприемников, комитет JTC стал трех-
сторонним органом ETSI EBU CENELEC. В июне 1998 г. в связи с пла-
нируемым учреждением других объединенных комитетов первый ко-
митет JTC получил собственное имя ETSl/EBU/CENELEC JTC
Broadcast.
Комитет JTC Broadcast ведет всю необходимую техническую работу
по согласованию и принятию европейских стандартов по цифровому
телевидению. Однако подавляющее большинство проектов этих стан-
дартов было разработано в рамках Проекта DVB, а затем передано в
комитет JTC Broadcast.
Проект DVB был учрежден в сентябре 1993 г. европейской группой
вещательных, промышленных и законодательных организаций. Это —
рыночный консорциум, объединяющий вещательные организации и
производителей оборудования, заинтересованных во внедрении цифро-
вого телевидения на основе Меморандума о Взаимопонимании. В доку-
менте отражены четкие цели DVB-технологии: она должна быть циф-
ровой, основываться на алгоритмах MPEG-2 и носить рыночный
характер. Сейчас Проект DVB включает около 300 организаций из раз-
личных стран мира. Членами Проекта DVB являются вещатели, изго-
товители оборудования, провайдеры услуг, сетевые операторы и регу-
лирующие органы, нацеленные на проектирование глобального
семейства стандартов для распределения сигналов цифрового телевиде-
ния.
Стандартизация систем цифрового телевидения, разработанных в
рамках Проекта DVB, в мировом масштабе осуществляется благодаря
тесной кооперации и участию в работе МСЭ-Р, МСЭ-Т, ETSI и CENELEC.
Особо значимая роль в этом сотрудничестве принадлежит МСЭ, стан-
дарты и рекомендации которого включают многие региональные спе-
цификации, в том числе DVB, ATSC и ARIB.
В 1994-1999 гг. заметную роль в стандартизации методов и алго-
ритмов взаимодействия в цифровых системах играл Совет по цифро-
вым аудиовизуальным службам DAVIC. В своей работе Совет DAVIC
тесно сотрудничал с Проектом DVB и МСЭ. Основной целью Совета
DAVIC было содействовать скорейшему внедрению цифровых аудиови-
зуальных приложений и услуг и своевременной доступности к между-
народным согласованным спецификациям в области открытых интер-
фейсов и протоколов, что повышало способность к взаимодействию между
странами и службами. Деятельность DAVIC была сфокусирована, глав-
ным образом, на интерактивном телевидении, службах "видео по запро-
су", субтитрировании и телешопинге, что отразилось в разработке соот-
ветствующих протоколов высшего и среднего уровней и интерфейсов
прикладных программ, опирающихся на технологию MPEG-2. В сен-
тябре 1999 г. Совет DAVIC завершил свою деятельность, издав ряд
Рекомендаций DAVIC, отражающих вышеперечисленные вопросы.
Рекомендации DAVIC были изданы в версиях от DAVIC 1.0 до DAVIC 1.5.
Каждая последующая версия уточняет и развивает предыдущую, обеспечи-
вая обратную совместимость между версиями.
В Европейском Союзе и Европейской Комиссии также уделяется боль-
152
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
шое внимание развитию и стандартизации систем электросвязи. С этой
целью действует программа разработки и исследований передовых те-
лекоммуникационных технологий и служб ACTS (Advanced
Communications Technologies & Services). Один из проектов программы
ACTS — Проект VALIDATE — осуществлялся силами 19 участников
из 10 европейских стран под эгидой Би-Би-Си. Задача проекта
VALIDATE заключалась в проверке и уточнении стандартов DVB-Т пе-
ред началом массового перехода европейских стран на цифровое назем-
ное ТВ вещание. Работа была координирована с ETSI и включала про-
верку модемов в ходе лабораторных и полевых испытаний, уточнение
характеристик зон покрытия, параметров вводимых служб и т.п.
В США и Канаде главенствующая роль в разработке стандартов на
цифровое ТВ вещание принадлежит Комитету по перспективным сис-
темам телевидения ATSC. Разработанный этим комитетом стандарт на
наземное цифровое ТВ вещание в области кодирования и структуриро-
вания информации также основывается на стандартах MPEG-2, но прин-
ципиально отличается от разработок Проекта DVB и ARIB по методам
модуляции и обработки радиосигнала, кодирования звука и программ-
ной навигации (EPG), что мотивировано особенностями построения сети
наземного ТВ вещания США. В то же время для спутникового цифро-
вого ТВ вещания в США принят также стандарт, адекватный европей-
ским стандартам DVB-S и DVB-DSNG [4].
6.2. Ррль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
6.2.1. Исторические аспекты создания и деятельности Исследовательской
комиссии по телевидению
Роль Сектора радиосвязи МСЭ-Р состоит в обеспечении рациональ-
ного, равноправного, эффективного и экономичного использования ра-
диочастотного спектра и геостационарной орбиты всеми службами ра-
диосвязи. В области цифрового вещания МСЭ-Р предписывается
облегчать разработку и внедрение цифрового телевидения, включая
телевидение высокой четкости (ТВЧ) и цифровое звуковое радиовеща-
ние. Разработка международных рекомендаций по системам цифрово-
го ТВ вещания в течение многих лет велась в 11-й Исследовательской
Комиссии (ИК11) ’’Вещательная служба — Телевидение" и ее Рабочих
(РГ), Совместных рабочих (СРГ) и Целевых (ЦГ) группах.
ИК11 была создана на V Пленарной Ассамблее МККР 30 июля 1948 г.
в Стокгольме. Ее первым председателем был Eric Esping (Швеция). В
1970 г. на XII Пленарной Ассамблее МККР в Индии вице-председате-
лем ИК11 был избран М.И. Кривошеев (СССР), вскоре назначенный
и.о. председателя. В 1974 г. на XIII Пленарной Ассамблее МККР в
Женеве, он был избран председателем ИК11, где и проработал до мая
2000 г., когда на Ассамблее радиосвязи в Стамбуле ИК11 вошла в
состав новой ИК6 (Служба вещания). Председателем ИК6 был избран
A. Magenta (Италия). М.И. Кривошеев стал Почетным председателем
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
153
и членом Управляющего комитета этой комиссии. Таким образом, прак-
тически 30 лет ИК11 бессменно возглавлял представитель нашей стра-
ны. За это время ИК11 было разработано свыше 150 международных
стандартов по ТВ вещанию.
Одним из важнейших результатов деятельности ИК11 МСЭ-Р стало
практическое подтверждение тезиса о том, что цифровая технология
обработки изображений в сочетании с широким использованием циф-
ровых телекоммуникаций позволяет создавать универсальные цифро-
вые стандарты кодирования изображения и звука, удовлетворяющие
требованиям огромного количества применений. Серьезные трудности
эры аналогового цветного ТВ после острых международных баталий в
конце 60-х годов уже в начале его внедрения характеризовались все
увеличивающимся количеством взаимно несовместимых систем. Сегодня
в эксплуатации находятся десятки различных ТВ систем, включая
широко известные системы NTSC, PAL, SECAM. Все это привело к
увеличению стоимости телевизоров, соответствующей периферийной
аппаратуры, такой как видеомагнитофоны, значительному повышению
затрат на эксплуатацию ТВ сетей при обмене программами.
Естественно, что на пороге предстоящих широких международных
исследований и разработок, связанных с внедрением цифрового ТВ,
такое положение нельзя было допускать. Поэтому для ИК11, присту-
пившей в 1972 г. к разработке международных стандартов на новые
перспективные цифровые ТВ системы, было очевидно, что необходимо
уже на начальном этапе не создавать условий для потенциально воз-
можной многостандартности и несовместимости новых ТВ систем.
В мировом масштабе готовых рецептов для борьбы с многостандарт-
ностью в телевидении не было. Поэтому был разработан новый подход к
созданию единых мировых ТВ стандартов, который затем получил ши-
рокую международную поддержку и стал мощным инструментом, с по-
мощью которого удавалось достигать единства в разработке наиболее
важных стандартов перспективных ТВ систем, в первую очередь, в об-
ласти цифрового телевидения — технологии наступившего века.
Была предложена новая методология подготовки международных
стандартов [5—8]. В ее основе:
глобальный и комплексный подход к системе ("от начала до конца");
разработка вопросов изучения с формулированием строгих тре-
бований, обеспечивающих достижение унификации систем при
одновременном учете технического прогресса. Представляемые
вклады должны строго соответствовать вопросам изучения;
разработка и одобрение международной глобальной модели но-
вой системы, отражающей ее задачи, структуру, частотное обес-
печение и пр. Модель является базой для дальнейшего процесса
стандартизации, поскольку после ее одобрения представляемые
вклады должны быть посвящены техническим характеристикам
элементов модели или всей системы;
оценка качества изображения и измерение системных параметров;
154
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
запись и международный обмен программами;
гармонизация системы с другими областями для многоцелевого
использования (интерактивность, мультимедиа, передача данных
и др.);
разработка стратегии внедрения систем с учетом технического
прогресса и возможностей производства оборудования;
предварительная проверка результатов исследований в рамках
международных форумов, таких как Телеком МСЭ, NAB, Симпо-
зиум по ТВ в Монтре, IBC, Asia Broadcast и др.
Глобальный подход формулируется не только как средство удовлет-
ворения социального заказа на данную систему, но и включает в себя
функциональные комплексы и элементы, обеспечивающие требуемые
технологические процессы. Он учитывает широкий спектр проблем,
связанных не только со специфическими задачами ТВ вещания, но и со
смежными с ним областями и отличается также принципиальной осо-
бенностью, учитывающей необходимость гармонизации и взаимоувяз-
ки комплексов производства программ, технологических особенностей
основных участков ТВ тракта с их радиочастотным обеспечением и др.
Принимается во внимание ожидаемый прогресс в создании новых тех-
нических средств и их элементной базы.
На этапе международного обсуждения модели данной системы обыч-
но удается, в основном, учесть интересы всех заинтересованных сто-
рон: вещателей, связистов, промышленности, связанных с этим меж-
дународных организаций (ИСО, МЭК и др.).
Принятие в международном масштабе глобальной модели уже само
по себе является мощным средством консолидации мировых усилий в
исследованиях и разработках новой системы. Каждый участник собра-
ния ПК, где была принята глобальная модель, возвращается к своей
работе вооруженный международным опытом в подходе к новой ТВ
системе и продолжает свою деятельность в объединенном мировом по-
токе.
Достигнув международного единства и сплоченности на этом этапе,
можно приступать к следующим этапам. Они предусматривают регла-
ментацию и нормирование параметров тракта в целом, его согласую-
щих элементов, процессов формирования, обработки, передачи и при-
ема сигналов от студии до телевизора, включая задачи международного
обмена ТВ программами. Параллельно разрабатываются вопросы оценки
качества изображений, пути его нормирования, соответствующие кон-
трольно-измерительные задачи.
Таким образом, удается заметно минимизировать острые противоре-
чия на заключительной, самой трудной и ответственной фазе принятия
международных стандартов, когда уже созданы образцы, получены
патенты, найден рынок и т.п. В то же время, учитывая часто резко
отличающиеся точки зрения стран, фирм, операторов и др., удается
балансировать, достигать консенсуса, а в итоге единогласно принимать
мировой стандарт. Ниже приведены примеры использования описан-
6 2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
155
ной методологии при разработке ряда стандартов цифрового ТВ веща-
ния.
6.2.2. Кодирование для цифровых студий
Практическое внедрение описанной методологии было сделано при
разработке первой рекомендации по цифровому ТВ вещанию — кодиро-
ванию для цифровых телевизионных студий. Комплексный подход к изу-
чению цифрового телевидения проявился в том, что параллельно с раз-
работкой основного стандарта кодирования для цифровых телевизионных
студий были развернуты изучения ”ТВ систем, использующих цифро-
вую модуляцию" (Вопрос изучения 25-2/11), по "Цифровому кодирова-
нию сигналов цветного телевидения" (ИП 25П/11), субъективной оцен-
ке качества ТВ изображений (ИП ЗА-З/11), "Методам измерений и
контроля" (ИП 25М/11) "Сокращению цифрового потока применитель-
но к видеосигналам" (Отчет 1089) и др. Все это ускорило и гармонизи-
ровало разработку первого единого цифрового стандарта — Рекоменда-
ции ВТ.601 — "Параметры кодирования для цифровых телевизионных
студий", содержащей основные параметры цифрового кодирования для
ТВ студий (аппаратно-студийных комплексов телецентров, работающих
со стандартами разложения как 625 строк (50 полей в секунду), так и
525 строк (60 полей в секунду) [9].
Предусматривалось раздельное кодирование сигнала яркости и двух
сигналов цветности. При этом учитывалось, что для получения ТВ изоб-
ражений высокого качества частота дискретизации должна немного
превышать удвоенное значение полосы частот сигнала яркости, а ее
номинальное значение следует выбирать с учетом необходимости полу-
чения ортогональной структуры отсчетов на телевизионном изображе-
нии. Последнее требовало, чтобы частота дискретизации была кратна
строчным частотам систем с разложением на 525 и 625 строк. С дру-
гой стороны, эта частота дискретизации должна была быть по возмож-
ности ниже, чтобы не увеличивать скорость передачи символов в объе-
диненном цифровом потоке.
Наименьшее кратное строчных частот /стр(625) = 15625 Гц и fCTp(525) =
15734, 26573 Гц соответствует 2,25 МГц =₽144/стр(625) = 143^^. По-
этому для дискретизации сигналов яркости, находящихся в эксплуата-
ции в разных странах 525 и 625 строчных систем, подходят частоты
11,25; 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (Множители 5, 6, 7). США,
Канада, Япония и другие страны, у которых полоса частот сигнала
яркости близка к 5 МГц, отдавали предпочтение частоте дискретиза-
ции 11,25 МГц. Многие европейские страны, бывший СССР, Китай, у
которых полоса частот сигнала яркости близка к 6 МГц, проявили
интерес к более высоким значениям частоты дискретизации. Компро-
мисс между этими и рядом других позиций удалось достичь лишь во
время XV Пленарной Ассамблеи МККР в 1982 в Женеве, о чем доло-
жено было непосредственно Пленарному собранию Ассамблеи (рис. 6.1).
Результаты наиболее важного компромисса состояли в том, что час-
тота дискретизации сигнала яркости была выбрана 13,5 МГц, а для
156
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Study Group 1Г----
NOTE BY THE CHAIRMAN
CCIR Doc. TENF./2-E
XVth Plenary Assembly j 15 February 19
Geneva, 1992 Original : English
The XVth Plenary Assembly of the CCIR has.entrusted me with the task of
examining the material contained’in Docs. PLEN./23 (NANBA), 27 (Japan), 28 (OIRT),
33 (USA) and U8. (Italy) relating to draft Recommendation AA/11 (MOD F) "Encoding
parameters of digital television^ for studios" (Doc-j 11/1027)*
During its final meeting, Geneva, 1981, Study Croup 11 approved Doc. 11/1027,
containing draft Recommendation AA/11 (MOD F).»- In Annex I to this text a “Note 2 was
included to read : "Administrations are invited to express their opinion on the
parameters in Table II of this Annex, preferably before the convening of the
Plenary Assembly in 1992, in order to permit the possibility of a complete or partial^
transfer of the contents of Table II into the Recommendation".
Contributions on this matter have been received from NANBA, Japan, the OIRT,
the USA, Italy and EBU, and have been reproduced as Docs. PLEN./23, 27, 28, 33, U8
and 53 • AH these texts supported the proposals :
(1) that the parameters shown in Table II, Annex I (i.e. (6) "Number of the
samples per digital active line", and (7) 'Correspondence between video signal levels
and quantization levels") be incorporated into Table I (Encoding parameter values for
the b:2:2 member of the family), as parameters (6) and (7);
(2) that Table II and Note 2 then be deleted from the Annex and that Table III
be redesignated Table II.
I have therefore prepared Doc. ll/1027(Rev.l) which incorporates these
changes and submit it to the Plenary Assembly for approval.
Certain matters may still require refinement as a result of technical
progress in digital television and will be dealt with during the forthcoming study
period.
Рис. 6.1. Отчет Председателя ИК11 (XV-я Пленарная Ассамблея МККР)
о Рекомендации по кодированию для цифровых студий
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
157
сигналов цветности — 6,75 МГц. В связи с этим принятый стандарт
получил сокращенное обозначение 4:2:2 [10].
Эта рекомендация стала единой базой для перехода на цифровое те-
левидение и вошла в историю как мировой стандарт для цифровых
телевизионных студий. Вклад ИК11 МККР в разработку цифровых
технологий был отмечен наградой Национальной Академии телевизи-
онных искусств и наук США — статуэткой "Золотой Эмми". По этой
рекомендации происходит запись цифровых сигналов и международ-
ный обмен записями. Отметим, что оборудование цифрового АСК, раз-
работанное ВНИИТ в соответствии с этой Рекомендацией, демонстри-
ровалось в 1983 г. на выставке Телеком в Женеве и было удостоено
"Гран-при". Модернизированный вариант этой аппаратуры успешно
эксплуатировался на Ленинградском телецентре. Все студии мира пере-
ходят от систем NTSC, PAL и SECAM к системе, рекомендованной Реко-
мендацей 601. Она послужила стимулом для разработки цифровых сис-
тем следующих звеньев тракта вещательного телевидения.
6.2.3. Телевидение высокой четкости (ТВЧ)
Вся деятельность МККР по созданию новой службы ТВЧ была нача-
та со вклада Японии [11], администрация которой предложила МККР
приступить к изучению вещания ТВЧ. При этом было указано, что
качество существующего вещательного телевидения хуже, чем кино, в
отношении четкости изображений и качества звукового сопровожде-
ния. В предложении обращалось внимание на то, что необходимы теле-
визионные системы более высокого качества, которые позволили бы
удовлетворить будущие потребности в различных применениях ТВЧ с
использованием дисплеев с экранами большого размера. Отмечалось
также, что формат кадра (отношение ширины к высоте) может быть в
пределах от 5:3 до 2:1, а модуляционная передаточная функция долж-
на составлять не менее 50% при четкости 700-900 твл. В предложении
указывалась необходимость в программе для выработки требований к
такой системе и определения того, какие стандарты могут быть реко-
мендованы для систем ТВЧ, предназначенных для широкого вещания
и международного обмена программами.
Работы по ТВЧ в МККР были поручены ПК 11 и начались они с
принятия Вопроса 27/11, который затем охватил ряд вопросов, про-
грамм изучения, резолюций и решений, касающихся ТВЧ.
В рамках ИК11 в 1972 г. были разработаны две программы изуче-
ния: 27А/11 — совместимость ТВЧ с существующими стандартами и
вещательными каналами; 27В/11 — технология производства дисплеев.
Уже в начале изучений ТВЧ отмечалось, что его целью является
наблюдение изображения с расстояния ЗН, чтобы по своему качеству
оно приближалось к исходной сцене, как ее воспринимает зритель с
нормальным зрением. Это требовало разработки системы с отображе-
нием движения, восприятием глубины и колориметрией, улучшенными
по сравнению с существующими 525- и 625-строчными стандартами ве-
щательного телевидения. Подобная система должна была позволить
158
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
получать изображения на больших экранах с широким форматом кад-
ра, создающим у зрителя впечатление, что изображение находится "вок-
руг” него. Кроме того, данная система должна была найти применение
в электронном кинопроизводстве, для создания спецэффектов в кино, а
также в других областях — полиграфии, компьютерной технике, обу-
чении, медицине, при организации видеоконференций и в научно-ис-
следовательской работе.
Предполагалось, что в основу системы будут положены новые техно-
логии, главным образом, цифровая, которая оказала особое влияние
на все цепи прохождения видеосигнала — от средств создания про-
граммы до средств их распределения и отображения.
Итак, телевидение высокой четкости с большим экраном стало це-
лью следующего этапа развития телевидения, в том числе и более ши-
рокого использования его в других областях.
С самого начала считалось, что технология производства ТВЧ по-
зволит упростить обмен программами благодаря объединению процес-
са производства программ для телевидения и кино. Концепция единого
производственного стандарта для всех регионов мира с использованием
его и в кинопроизводстве обеспечивала выгоды как для вещательных
организаций, так и для создателей программ. Все администрации от-
метили свою заинтересованность в едином мировом стандарте для сту-
дийного производства ТВЧ и международного обмена программами.
Работа над таким стандартом показала, что задача его разработки
связана с определенными трудностями из-за различных целей, кото-
рые ставились перед ТВЧ в разных частях мира. Имелись острые раз-
ногласия в подходах к технологии, используемых полосах частот, со-
вместимости и др. Стало ясно, что для ряда администраций главными
остаются службы наземного вещания. Некоторые администрации про-
явили заинтересованность в использовании ТВЧ для производства ки-
нофильмов и их последующего распределения через спутники. Другие
администрации сделали основной акцент на спутниковое вещание, но
имели разные мнения о времени внедрения и используемых частотных
диапазонах.
Первое предложение с проектом рекомендации по студийному стан-
дарту ТВЧ (1125 строк 60 полей) поступило в МККР в 1985 г. В основ-
ном его поддерживали Япония, США, Канада. Позже группа стран За-
падной Европы предложила проект рекомендации по студийному
стандарту ТВЧ с частотой полей 50 Гц и числом строк 1250.
В связи с тем, что к середине 80-х гг. стало ясно, что трудности в
достижении международного соглашения в отношении стандарта ТВЧ
были вызваны в основном не различным техническим уровнем и эко-
номическими возможностями разных стран, а тем, какие службы ТВЧ
предполагается создавать и какие особенности имеют национальные
планы внедрения. Поэтому было принято решение заслушать на XVI
Пленарной Ассамблее МККР (Дубровник, 1986 г.) отчет председателя
ИК11 об итогах работ по ТВЧ и предложения по разработке единых
мировых стандартов ТВЧ. Для рассмотрения предложений по пробле-
ме ТВЧ, поступивших на Пленарную Ассамблею от 19 администраций
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
159
и организаций, была создана специальная группа (ad-hoc) во главе с
председателем ИК11. Основные предложения группы предусматрива-
ли значительное расширение спектра изучений ТВЧ, в первую очередь,
систем передачи и приема ТВЧ с помощью спутниковых и наземных
средств, международного обмена программами. Ассамблея одобрила
предложенный глобальный подход к изучению проблем ТВЧ как мно-
гофункциональной системы и необходимость гармонизации с различ-
ными областями его использования [13-15].
С учетом важности изучения ТВЧ Ассамблея приняла решение в
виде исключения до XVII Пленарной Ассамблеи МККР провести экст-
раординарное собрание ИК11 по теме ТВЧ. Первым шагом к его под-
готовке стала выработка стратегии работы и разработка глобального
подхода к ТВЧ, который учитывал различные интересы в области ве-
щания, большое число возможных видов использования ТВЧ и необ-
ходимость гармонизации вещательных и невещательных областей при-
менения [16-19]. Предложенный глобальный подход к ТВЧ впервые
позволил рассмотреть эту проблему в целом — от производства про-
грамм на телецентрах, передачу через спутники и по наземным сетям
до их приема. Этот подход также включал проблему многоцелевого
использования ТВЧ. Разработка глобального подхода к проблеме яви-
лась радикальным и основным отличием от подхода, использованного
в 1966 г., который привел к неудаче в создании единой системы цвет-
ного телевидения. Он не учитывал весь комплекс проблем, связанных с
перспективами внедрения цветного ТВ, и, в первую очередь, такие важ-
ные проблемы, как международный обмен ТВ программами, спутнико-
вое ТВ вещание, кабельное ТВ и многое другое. В итоге не было найде-
но сбалансированного в международном масштабе решения, что привело
не только к нескольким стандартам цветного ТВ, но и к несопряженно-
сти многих их параметров.
Разработанная глобальная модель ТВЧ [16-19] предусматривала рас-
пределение сигналов программ ТВЧ во многих странах и характеризо-
валась рядом особенностей:
— телевизионные центры должны создавать не только ТВ програм-
мы, но и позволять организовывать производство кинофильмов;
— такие технологии, как спутниковое вещание, видеозапись, кабель-
ное ТВ, широкополосные оптоволоконные линии — могут исполь-
зоваться для подачи сигналов ТВЧ на различные виды дисплеев
разным потребителям; поэтому появилась реальная необходимость
гармонизации этих отличающихся систем подачи программ ТВЧ;
— вещательные интерфейсы являлись по существу новыми ключе-
выми элементами на пути к возможному созданию унифициро-
ванного стандарта для производства программ и международно-
го обмена программами.
Так как исследования по сжатию сигналов ТВЧ еще находились в
начальной фазе, необходимо было определить условия, обеспечиваю-
160
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
щие удовлетворение требований высококачественного приема сигнала
ТВЧ в домашних условиях.
При моделировании предполагалось, что бытовой приемник ТВЧ
должен позволять воспроизводить информацию любой из служб с соот-
ветствующим уровнем качества. В модель были заложены такие функ-
ции обработки, как преобразование стандартов, удаление повторов,
фильтрация шума и др.
Также учитывалась возможность обеспечения понижающего преоб-
разования ТВЧ для существующих 525- и 625-строчных приемников.
Изучение этих вопросов базировалось на японском предложении: для
полной реализации службы ТВЧ требуется соглашение об основных
принципах и определениях [11]:
— пространственная разрешающая способность в вертикальном и
горизонтальном направлениях должна быть примерно в два раза
выше, чем в обычных телевизионных системах;
— должны учитываться возможные улучшения временной разре-х
шающей способности, достигнутые в обычных телевизионных си-
стемах;
— должна обеспечиваться лучшая цветопередача по сравнению с
обычными телевизионными системами;
— кадр должен быть больше вытянут по ширине (формат 16:9) по
сравнению с обычными телевизионными системами с форматом
4:3;
— звуковое сопровождение должно быть многоканальным и с высо-
ким качеством воспроизведения.
Задача по сжатию спектра сигналов цифрового ТВ, в том числе циф-
рового ТВЧ, возможность и изыскание методов для передачи их в стан-
дартных ТВ радиоканалах 6, 7 и 8 МГц были поставлены Председате-
лем ИК11 уже в начале изучения систем цифрового вещания [16, 20,
21]. Поэтому при разработке глобальной модели системы ТВЧ особое
внимание было уделено наиболее ответственному ее элементу — узко-
полосному вещательному интерфейсу, который должен был обеспечить
необходимую компрессию и обработку сигналов ТВЧ, чтобы они могли
передаваться по стандартным радиоканалам, используемых в разных
странах, в сети наземного ТВ вещания с шириной полосы 6, 7, 8 МГц.
Так формулировалась фундаментальная задача, поскольку лишь ее
успешное решение могло дать принципиально важный ответ о возмож-
ности цифрового ТВЧ вещания с использованием наземных передаю-
щих средств и существующих сетей кабельного телевидения.
Действительно, МККР установил три номинальные полосы частот
ТВ радиоканалов:
6,0 МГц — Системы М, N (NTSC, PAL);
7,0 МГц — Система В (SECAM, PAL);
8,0 МГц — Системы О, Н, I, D, К9 КЦ L (SECAM, PAL).
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
161
Как известно, в настоящее время ТВ вещание осуществляется в диа-
пазонах 8 (метровые волны) и 9 (дециметровые волны). В этих диапа-
зонах страны (географические зоны) используют различные стандарт-
ные радиоканалы.
В диапазоне метровых волн (8) радиоканалы с полосой частот 6 МГц
используют 25 стран (18% общего числа стран или географических
зон), каналы с полосой 7,0 МГц — 68 стран (51 %), а каналы с полосой
8,0 МГц — 45 стран (31 %).
В диапазоне дециметровых волн (9) радиоканалы с полосой час-
тот 6 МГц используют 14 стран (13 %), радиоканалы с полосой 7,0
МГц — 6 стран (5 %), а каналы с полосой частот 8 МГц — 95 стран
(82 %).
В связи с этим было внесено новое условное обозначение узкополос-
ной системы передачи сигналов ТВЧ, отражающее все три вида между-
народных стандартных радиоканалов 6, 7 и 8 МГц — ТВЧ-6-7-8.
Может случиться так, что достаточно высокое качество изображе-
ния будет обеспечено с помощью системы ТВЧ-6, которая разрабаты-
вается для радиоканалов с полосой 6 МГц. Поэтому в дальнейшем при
выборе единой мировой системы страны, использующие радиоканалы
шириной 7 и 8 МГц, могут проявить заинтересованность в сохранении
при этом остающихся полос частот 1-2 МГц для других задач, напри-
мер, для передачи различных дополнительных сигналов в составе ком-
плексного цифрового сигнала ТВ программы, либо на новых несущих
на частотах выше полосы радиосигналов ТВЧ-6. К дополнительным
могут быть отнесены "сжатые" цифровые ТВ сигналы, в том числе, для
получения стереоскопического изображения ТВЧ, сигналы многопрог-
раммного радиовещания и т.п. Однако при этом должны учитываться
существующие частотные планы. Во всяком случае целесообразно объе-
динить в одном комплексном радиосигнале ТВЧ сигналы изображения,
звукового сопровождения, дополнительной информации и новые конт-
рольно-измерительные сигналы для исключения, в первую очередь, вто-
рого радиопередатчика звука. В сочетании с соответствующей обработ-
кой передаваемых сигналов это может снизить защитные отношения и
позволит увеличить число используемых частотных каналов. Целесо-
образно рассмотреть также возможность использования сохраняющихся
полос частот для интерактивных ТВ систем, организовав в них прием
обратных сообщений от потребителей, и др.
Сложность реализации концепции ТВЧ 6-7-8 усугублялась тем, что
в системах ТВЧ даже при чересстрочной развертке скорость выходного
цифрового потока составляла примерно 1-1,2 Гбит/с. Следовательно,
цифровое сжатие при сохранении высокого качества изображения ТВЧ
должно было быть более 50-60 Мбит/с.
Расчеты показывали, что лишь при сжатии до 15-20 Мбит/с и мето-
дах модуляции со спектральной эффективностью 3-4 бит (сТц) удаст-
ся разместить сигналы одной программы ТВЧ в стандартном радиока-
нале. Поэтому вначале концепция ТВЧ 6-7-8 некоторыми была
воспринята как фантазия, поскольку еще не было уверенности в прак-
тическом достижении таких больших коэффициентов сжатия. В то же
162
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
время такая конкретная формулировка задачи в мировом масштабе
консолидировала и стимулировала международные усилия в этой обла-
сти и в итоге оказалась плодотворной.
Действительно, менее чем через 5-6 лет (в 1990-1991 гг.) благодаря
прогрессу цифровых методов обработки видеоинформации, появлению
эффективных методов предсказания движения, учету ряда специфи-
ческих особенностей визуального восприятия ТВ изображений появи-
лись обнадеживающие результаты. Так, 28 марта 1992 г. в США впер-
вые была продемонстрирована передача цифрового ТВЧ с использованием
существующих стандартных каналов для передачи сигналов системы
NTSC с разложением на 525 строк. Примерно в это же время аналогич-
ные результаты были достигнуты в Швеции. Сигналы цифровой систе-
мы ТВЧ "DIVINE" были переданы по стандартному каналу для систе-
мы с разложением на 625 строк [22]. Эти результаты послужили
убедительным подтверждением первых, и в протоколе общего собра-
ния ИК11 было зафиксировано, что концепция ТВЧ-6-7-8 — не фанта-
зия, а реальность [21].
Демонстрации цифрового ТВЧ на международном симпозиуме в Мон-
тре в 1997 г. также убедительно подтвердили возможность передавать
сигналы ТВЧ в стандартных радиоканалах 6, 7 и 8 МГц с высоким
качеством [23].
Были разработаны две основополагающие Рекомендации ВТ. 798
"Цифровое наземное телевизионное вещание в диапазонах ОВЧ/УВЧ"
[24] и ВТ. 1206 "Границы формирования спектра для цифрового назем-
ного телевизионного вещания" [25], которые, подтвердив концепцию
ТВЧ 6-7-8, открыли возможность приступить к созданию цифровых
сетей наземного ТВЧ-вещания на базе существующих сетей.
Итак задача, поставленная в глобальной модели ТВЧ по созданию
вещательного интерфейса, обеспечивающего цифровое наземное веща-
ние ТВЧ, была решена [26].
Параллельно с изучением узкополосного интерфейса в соответствии
с концепцией ТВЧ-6-7-8 на основе глобальной модели проводились раз-
работки как базового стандарта ТВЧ, так и сопровождающих его стан-
дартов.
Имея горький опыт нынешней многосистемности в цветном ТВ, на
подготовительном собрании к Экстраординарному собранию ИК11 в
январе 1989 г. вновь были предприняты попытки создать единый меж-
дународный стандарт ТВЧ. Несмотря на отмеченные выше противоре-
чия в подходах к этой проблеме, был сделан важный шаг к междуна-
родному единству — разработан проект рекомендации, в котором удалось
согласовать ряд важных параметров будущего Единого стандарта. В
частности, был согласован формат кадра 16:9 (это примерно 5,38:8)
вместо существующего 4:3 (т.е. кадр стал слегка растянутым, широко-
экранным), число элементов в активной части строк — 1920, уровень
сигналов первичных цветов и другие.
В то же время не удалось согласовать число строк развертки — пред-
лагалось 1050, 1125, 1250, 1875 [12, 16].
На рис. 6.2 приведена первая страница проекта первой Рекоменда-
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
163
Doc. TEMP 11/6-WG1-1-E
27 January 1989
DRAFT RECOEWENDATION
FOR AN HDTV STUDIO STANDARD
6
S
In Decision 58-2, Interim Working Party 11/6 is instructed to "Define a full
set of relevant digital parameters (in collaboration with IWP 11/7) and analogue
parameters for a single worldwide high-definition television standard for programme
production and for the international exchange of programmes" (DECIDES 1.2).
MU (^)
41- U RICHARDS Л
STOJKOMIC
ISHIDA
S. MICELI
MA Changhua
23 January 1989
. Mr C. BARBIERI
This docur.u.rt proposes a set of parameters as complete as presently,.possible
in the form of a dr a Lt Recommendation. Agreement could not be reached on a number of
parameters which remain unspecified. The draft of the recommendation is published to
stimulate further discussion within the CCIR and elsewhere with the purpose of
reaching the declared goal of a complete, single world-wide high-definition
television studio standard as soon as possible.
on 1
J A. HEEGAARD X
О
B DlCK®45
BUEK
David WOOD
"XL Cc/W|J
(rirfAQ)
Рис. 6.2. Первая страница Проекта первой Рекомендации по ряду параметров
стандарта ТВЧ
164
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
ции по ряду параметров единого стандарта ТВЧ. Проект, как видно по
подписям, был согласован представителями многих стран. Это было не
только важное достижение, но хорошая примета для тех, кто надеял-
ся, что "столпотворение стандартов" не затронет телевидения высокой
четкости.
Экстраординарное собрание ИК11 по ТВЧ (май 1989 г.) охватило
все аспекты ТВЧ — аналоговые и цифровые: производство программ,
передачу и изучение сигналов наземной и спутниковой службами, транс-
кодирование в обычные ТВ системы, а также обеспечение технического
взаимодействия с другими существующими и появляющимися сред-
ствами.
Благодаря этому на XVII Ассамблее МККР в мае 1990 г. в Дюссель-
дорфе был достигнут заметный прогресс в стандартизации ТВЧ. Впер-
вые было принято пять рекомендаций.
1. Значения параметров ТВЧ. Впервые получил поддержку про-
ект Рекомендации 'Значения базовых параметров стандарта ТВЧ для
студий и международного обмена программами" (рис. 6.3). Этой Реко-
мендации был присвоен номер 706. В ней приводились многие из ос-
новных студийных параметров ТВЧ и параметры для международного
обмена программами. В частности, в ней был утвержден большой фор-
мат кадра (16:9). Это дало возможность сформулировать общие требо-
вания для дисплеев (ЭЛТ, проекционные системы), оптических систем,
светоэлектрических преобразователей, формирователей сигналов изоб-
ражения (трубки, ПЗС) и систем освещения. Впервые в мировой прак-
тике телевидения были приняты единые колориметрические парамет-
ры.
В Рекомендацию было внесено важное понятие "эталонной системы"
вместе с колориметрическими значениями параметров, относящихся к
технике воспроизведения. Понятие эталонной системы дало возмож-
ность оптимизировать преобразования между ТВЧ, кинофильмами, гра-
фикой и цветной печатью.
Впервые в разделе "Цифровое представление" были указаны скорость
передачи символов сигнала ТВЧ от 0,8-1,2 Гбит/с для систем с черес-
строчной разверткой и в перспективе до 2,0-3,0 Гбит/с при прогрессив-
ной развертке. Эта информация вызывала большой интерес, посколь-
ку приводимые цифры способствовали дальнейшему прогрессу в
исследованиях сжатия полосы частот, в частности, при передаче циф-
рового сигнала, записи ТВЧ, интерфейсам и т. д.
2. Измерения. В новой Рекомендации 710 были даны методы опре-
деления качества изображения ТВЧ. Испытательные центры, создан-
ные в Москве, Вашингтоне и Оттаве, работали на базе проекта этой
Рекомендации. Одновременно она служила основой для создания испы-
тательного оборудования, которым были оснащены эти центры. Испы-
тательные центры сыграли важную роль в решении вопросов стандар-
тизации в ТВЧ, создавая своего рода "эсперанто" для единой
международной оценки прогресса в качестве изображения ТВЧ.
На основании испытаний в центре, созданном в Москве во ВНИИТР
под руководством директора А.С. Мкртумова и научного руководителя
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
165
' CCIR
XVIIch Plenary Assembly
Dusseldorf, 1990
24 Мау 1990
Si 7 J Document 11/1007(Rev 1)-E
kJ^NSIDERING
need to be chosen
FOR THE HDTV STANDARD
FOR INTERNATIONAL
EXCHANGE
that- the parameter values of an HDTV studio standard
to facilitate:
Re f. Documencs 11/1007, 11/1001 (Add.. 1У
RECOMMENDATION
ХА/11 (MOD F)
The CCIR,
the
Л'Т’ BASIC PARAMETER VALUES
STUDIO AND
PROGRAMME
FOR THE
(Question 27/11)
production of HDTV programmes,
/
the international exchange of HDTV programmes,
the introduction of HDTV broadcasting services, and
the use of HDTV for non-broadcast purposes;
(b) that this work is the subject of Question 27/11 and the Study
Programmes which derive from it;
(c) that there are large benefits to programme producers and broadcasters
in the adoption of a single world-wide standard for HDTV programme production
and international programme exchange;
(d) that broadcasters and programme producers have a requirement for
joint, international production in HDTV;
(e) that the HDTV studio standard must be harmonized with those of current
and developing television systems and with those of existing motion-picture
film,
RECOMMENDS
that the following parameters be used in the generation of signals in
high-definicion television studios and for international exchange of HDTV
programmes.
Рис. 6.3. Первая страница Проекта Рекомендации по базовым параметрам
стандарта ТВЧ, принятого XVII Пленарной Ассамблеей МККР
в Дюссельдорфе в 1990 г.
166
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
программы испытаний В.А. Хлебородова, впервые в мире с участием
ведущих международных специалистов были получены важные резуль-
таты непосредственных субъективных сравнений систем ТВЧ 1125 строк
60 Гц (оборудование предоставила Япония) и ТВЧ 1250 строк 50 полей
(оборудование предоставил проект "Эврика" (Европа)) [27].
На основании результатов работы этого испытательного центра была
уточнена Рекомендация 710, а также получены важные данные, ис-
пользуемые при разработке стандартов ТВЧ.
Однако значения параметров, связанные с характеристиками изоб-
ражения и параметрами развертки, к этому времени согласовать не
удалось.
3. Обмен программами ТВЧ. Следующие три новые Рекоменда-
ции касались обмена программами ТВЧ. Вещательные организации не
могли ждать до тех пор, пока будут приняты окончательные значения
всех параметров, так как обмен программами уже проводился.
В этих Рекомендациях рассматривалась запись изображений ТВЧ
на кинопленку (№ 718), международный обмен программами, создавае-
мыми электронными средствами с помощью ТВЧ (№ 714), а также раз-
вертываемая площадь кинофильма на 85-мм пленке в телекинодатчи-
ках ТВЧ (№ 716). В дополнение был подготовлен новый Отчет (№ 1229)
по записи программ ТВЧ на кинопленку. Так, на 2-м кинофестивале
ТВЧ в Монтре в 1989 г. на конкурс было представлено 53 кинофильма,
созданных новыми методами производства телевизионных программ с
помощью ТВЧ. На следующем фестивале (1990 г.) уже было представ-
лено 100 таких кинофильмов. Эти Рекомендации МККР уже на на-
чальном этапе нашли непосредственное применение на практике при
создании программ ТВЧ.
По некоторым важным параметрам (Рекомендация 709), относящимся
к характеристикам изображения и форматам разложения, соглашения
все еще не было достигнуто. Был предложен ряд концепций, которые
могли бы стать базой для мирового стандарта. Это общие — формат
изображения, цифровой поток, часть изображения и сетка дискретиза-
ции. Последние два фактора — комбинация преимуществ, даваемых
общим форматом и общим цифровым потоком.
Эти подходы представляли собой попытку подготовить мнение по
единому стандарту, учитывая, что разработка такого стандарта огра-
ничивалась желанием обеспечить совместимость по частотам кадров
обычных телевизионных систем с частотами полей 50 и 59,94 Гц. Пред-
полагалось, что такие ограничения будут со временем сняты после раз-
работки технологии, ведущей к стандарту, который базируется на бо-
лее высокой частоте кадров для лучшего воспроизведения движения и
на цифровых приемниках с кадровой памятью.
Подход на основе общего формата изображения (ОФИ) предполагал
использование общих значений параметров, определяющих активную
часть изображения при различных применениях системы ТВЧ. В этом
подходе пространство изображения является двумерным представле-
нием трехмерного пространства, в котором общий набор пространствен-
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
167
ных характеристик и функций передачи сигналов яркости и цветности
используется во всех вариантах стандарта.
Данный подход базируется на общем мировом соглашении по следу-
ющим основным параметрам:
— формат кадра;
— формат элемента изображения;
— число активных отсчетов в горизонтальном направлении;
— число активных отсчетов (строк) в вертикальном направлении;
— распределение отсчетов (ортогональное);
— характеристика преобразования в камере;
— колориметрия, эталонные первичные цвета и эталонный белый;
— электрооптическая характеристика преобразования дисплея.
Интервалы гашения, полная длительность строки и общее число
строк могут изменяться для сохранения совместимости с существую-
щими частотами кадров.
Подход на основе общего цифрового потока (ОЦП) базировался на
Рекомендации 601 МККР и учитывал, что различные значения пара-
метров, определяющих активную часть изображения в различных при-
менениях системы ТВЧ, могут корректироваться, и в связи с этим выб-
ранные значения позволяют использовать общий цифровой поток.
Данный подход предполагал общее мировое соглашение по следующим
основным параметрам:
— формат кадра;
— число активных отсчетов в горизонтальном направлении;
— частота дискретизации и скорость передачи данных, оптоэлект-
ронная характеристика передачи камеры;
— колориметрия, эталонные первичные цвета и эталонный белый;
— электрооптическая характеристика преобразования дисплея.
Интервалы гашения, формат элемента изображения, полная дли-
тельность строки и число активных строк, а также общее число строк
можно менять для обеспечения совместимости с существующей скорос-
тью передачи данных видеосигнала. Было предложено объединение этих
двух подходов путем размещения предложенной в рамках общего фор-
мата изображения структуры активной части изображения в структу-
ре полного кадра при использовании других, но реальных значений
строчных и полевых интервалов гашения. Отсчеты данных, которые
имеются в этих интервалах в цифровой версии стандарта, отличаются
по числу и могут быть использованы для размещения дополнительных
каналов звука и удовлетворения других требований, касающихся про-
пускной способности канала при передаче данных.
Соображения по возможному использованию дисплеев ТВЧ для ком-
168
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
пьютеров приводят к необходимости рассмотрения критериев, общих
для этих двух областей применения. Они являются важными для уси-
ления взаимосвязи между производством программ ТВЧ и связанными
с ним компьютерными применениями в ближайшем будущем, а также
для создания комбинированного дисплея ТВЧ и персонального компь-
ютера в перспективе. Концепция общей сетки дискретизации обеспечи-
вает возможный путь к гармонизации форматов в различных примене-
ниях видеоинформации. Наличие буферной кадровой памяти в ряде
участков производства и доставки программ ТВЧ обеспечивает фунда-
ментальное изменение в подходе к вопросу о стандартизации изображе-
ния ТВЧ и параметров разложения.
Усилия по дальнейшей гармонизации взаимосвязи между производ-
ством ТВЧ и связанными с ним компьютерными применениями приве-
ли к рассмотрению структуры, представляющей собой квадратное рас-
пределение отсчетов и квадратный формат элементов изображения.
Признавая, что долговременная перспектива для ТВЧ заключается
в применении цифровой технологии и создании единых мировых стан-
дартов, были исследованы различные пути достижения цели.
Один из возможных путей — концепция виртуального студийного
стандарта, позволяющая создать уникальную цифровую шину данных
для передачи и записи сигналов ТВЧ. Пункты передачи и назначения
связываются с использованием унифицированного формата данных
через устройства сопряжения, которые выполняют любое требуемое
преобразование стандартов. Общие характеристики виртуального сту-
дийного стандарта включали:
— работу в цифровой области с учетом требований к гибкости и
. возможности обработки сигнала;
— независимость от используемого студийного оборудования и, сле-
довательно, от состояния техники;
— запас для производства, преобразования стандартов и потребнос-
тей в будущем;
— возможность изменения скорости передачи двоичной информа-
ции;
— минимизация искажений, вызываемых возможными преобразо-
ваниями.
В течение 1986-1990 гг. были начаты исследования по интегрирова-
нию в системы ТВЧ телетекста и других служб передачи данных по
вещательным каналам. Рассмотрение подходящих звуковых систем
началось в кооперации с ИК10 МККР (ответственной за звуковое ве-
щание) под председательством K.Terzani (Италия), а передача сигна-
лов ТВЧ по каналам связи — в кооперации с СМТТ, председателем
которого являлся G.Simpson (Великобритания).
Итак, важные параметры изображения и разложения потребовали
длительных обсуждений и лишь на собрании ИК11 в апреле 1997 г.
удалось достичь единого международного решения по студийному стан-
6 2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
169
дарту ТВЧ. В проекте нового варианта Рекомендации ВТ. 709 МСЭ-Р
предпочтение было отдано общему формату изображения (ОФИ) в виде
пикселей по горизонтали и вертикали: 1920 х 1080 / 2:1 с частотой
выборок 74,25 МГц, универсальной для систем с частотой полей 50 и
60 Гц. Единая матрица отсчетов (1080x1920) независимо от используе-
мой частоты полей и кадров стала единым форматом изображений вы-
сокой четкости для любых применений и в перспективе ее использова-
ние изучается в качестве основы систем телевидения сверхвысокой
четкости.
Новый вариант Рекомендации ВТ. 709 был принят всеми представи-
телями администраций и организаций на собрании ИК11 в Женеве в
апреле 1997 г. Это стало новым этапом международной гармонизации
ТВЧ. Таким образом, с учетом описанной выше возможности практи-
ческого использования концепции ТВЧ 6-7-8 был открыт путь к повсе-
местному мировому использованию единых параметров оборудования
для производства и передачи программ ТВЧ.
В 1999 г. была принята новая версия этой Рекомендации, которая
стала единым мировым стандартом телевидения высокой четкости [28].
Случай беспрецедентный, учитывая неодинаковые технические уров-
ни, экономические, социальные и природные условия разных стран,
острую конкурентную борьбу многих промышленных гигантов, инте-
ресы многомиллионных потребителей, быстрые темпы развития циф-
ровых технологий.
Рекомендация МСЭ-Р ВТ.709-3 регламентирует значения парамет-
ров в стандартах ТВЧ для производства международных программ и
обмена ими. Все предлагаемые стандарты (1080/24/1:1, 1080/25/1:1,
1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1:1, 1080/50/2:1 и 1080/60/2:1)
основаны на едином формате изображения, предусматривающем 1080
активных строк в кадре с 1920 отсчетами в активной части строки.
Формат 16:9 предусматривает формирование квадратной структуры
отсчетов (соответствует квадратным элементам изображения на экра-
не), обычно используемой в компьютерной практике.
Основополагающий документ единодушно поддержали крупнейшие
телекомпании (ABC, CBS, Fuji, NHK, NTV, TBS, TV Asahi), британс-
кая Независимая комиссия по телевидению (ITC), ведущие фирмы в
области Интернета и развлекательной индустрии (Microsoft, David
Sarnoff Laboratories), производители оборудования (Sony, Thomson
Broadcast Systems. Toshiba, LG Electronics и др.).
В области кинопроката влияние нового международного стандарта
киновидеопроизводства может оказаться поистине революционным.
Кинопрокатные организации мира, еще использующие кинопленку,
будут получать по каналам связи электронные "фильмы" и на месте
изготавливать "целлулоидные" копии высочайшего технического каче-
ства. Другая перспективная возможность — организация видеопрока-
та в мировом масштабе с показом ТВЧ-изображений на больших про-
екционных видеоэкранах.
Особо важно отметить, что заключительный текст стандарта был
подхвачен многими ведущими фирмами мира. На таких авторитетных
170
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
выставках, как 1ВС’99 и NAB’2000 уже демонстрировались как пер-
вые отдельные образцы, так и целые технологические комплексы циф-
ровой электронной кинематографии в соответствии с новой рекоменда-
цией [29].
Председатель Технического Комитета Всемирного Вещательного Со-
юза, Старший вице-президент "CBS Corp." J.Flaherty (США) в своем
докладе на TRBE в 1999 г. отметил: "... этот единственный мировой
стандарт цифрового ТВЧ для производства и международного обмена
программами ТВЧ представляет собой наиболее важный стандарт для
производства ТВ программ, когда-либо разработанных МСЭ".
На собрании Управляющего Комитета ИК6 МСЭ-Р 18 сентября
2000 г. [77] был отмечен вклад и усилия ИК11 и от имени Всемирного
Вещательного Союза вручен Бронзовый почетный диплом.
Международное общество инженеров кино и телевидения (SMPTE)
на 141 Конференции SMPTE в ноябре 1999 г. также удостоило разра-
ботку этого стандарта Золотой Медалью Прогресса за выдающееся дос-
тижение. Джордж Лукас (George Lucas) объявил, что он применяет
этот стандарт для съемки нового фильма "Звездные войны". Возможно,
рекомендация окажется исторической, ориентированной на новое ты-
сячелетие [7].
Предложения по внедрению ТВЧ в России и основные положения
концепции этой проблемы обсуждены в [31].
6.2.4. Цифровое многопрограммное спутниковое ТВ вещание
В результате исследований цифрового ТВЧ были разработаны эф-
фективные методы сжатия объема видеоданных с сохранением высоко-
го качества восстановленного на приеме изображения, позволившие,
как было отмечено выше, передавать сигналы программ ТВЧ вещания
по стандартным радиоканалам (концепция ТВЧ 6-7-8). На основании
этих результатов Председатель ИК11 предложил использовать новые
методы сжатия для передачи по одному стандартному каналу как спут-
никового, так и наземного вещания нескольких сжатых цифровых сиг-
налов стандартного ТВ или ТВ повышенного качества вместо сигнала
одной программы ТВЧ (концепция многопрограмного телевидения
МПТВ) [32]. В зависимости от степени сжатия с различными градаци-
ями качества удается передавать от четырех до десяти сигналов раз-
личных ТВ программ в одном стандартном канале.
Многие страны приступили к созданию спутниковых цифровых сис-
тем МПТВ. Передача сжатых цифровых сигналов двух программ по
системе NTSC с высоким техническим качеством из Нью-Джерси (США)
в Москву с помощью российского спутника "Стационар-11" состоялась
21 августа 1992 г. (рис. 6.4). В 1994 г. был создан проект Европейского
стандарта для спутниковых цифровых систем МПТВ, работающих в
полосе частот 11/12 ГГц [33]. На его основе в 1995 г. приняли первую
Рекомендацию ВО. 1211 МСЭ-Р [34]. В ней рассмотрены методы органи-
зации циклов транспортного цифрового потока по стандарту MPEG-2,
защиты от ошибок и модуляции, применяемые в Европейской спутнико-
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
171
WORLD ONE, Inc.
GlahaJ_Broadcasting_Ek.t.\y<?rk
639 Cleveland St. #200
Clearwater, Fl 34615
Tel. 813-538-0000 Fax 813-446-4737
USA
Komsomolsky Pros. 25/2 kv. 36
Moscow 119146
Tel. 7095-245-1977 Fax 203-2889
Russia, CIS
21 августа 1992 года мы были свидетелями проведения испытания, заключающегося
в передаче по крайней мере двух сигналов НТСЦ с использованием цифрового
сжатия спектра с площадки "Кресскомм Трансмишн Сервисиз, Инк." в штате Нью-
Джерси, США, через ретранслятор № 6 спутника Российской Федерации
"Стационар - 11" и в их приеме на предприятии "КРОСНА", Москва, Российская
Федерация. Во время передачи подписавшиеся наблюдали разнообразные
программы, включая студийные, спортивные, фильмы и другие развлекательные
передачи.
Мы, нижеподписавшиеся, настоящим подтверждаем, что мы удовлетворены
высоким техническим качеством вышеописанной передачи.
Борис Викторович Смирнов
Старший Советник
Комиссии Российской Федерации по делам
ЮНЕСКО
Министерство Иностранных Дел
Российской Федерации
Сергей Львович Комиссаров
Директор НИИ ПС
КРОСНА
Космические Телекоммуникации
Марк Иосифович Кривошеев
Начальник научного отдела телевидения НИИР
Председатель 11 ИК (Телевидение) МККР
Александр Сергеевич Мкртумов,
Директор ВНИИТР
Рис. 6.4. Протокол испытании передачи цифровых ТВ сигналов
из Нью-Джерси (США) в Москву
172
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
вой МПТВ-системе DVB-S. При этом рекомендовалось учитывать эти
методы при продвижении к единому мировому стандарту.
На собрании ОРГ 10-11S МСЭ-Р (Рим, сентябрь 1995 г.) были пред-
ставлены еще два варианта спутниковых цифровых систем МПТВ (DSS
и GI-MPEG 2), разработанных в США. Создавались и другие варианты
систем. Все это грозило многостандартностью спутникового МПТВ, что
могло повлечь более опасный хаос, чем сложившийся со стандартами в
аналоговом цветном телевидении. В связи с этим по предложению Пред-
седателя ИК11 была создана специальная группа докладчиков по пред-
седательством г-на J.Sesena (Испания, Hispasat), сориентированная на
поиск путей к общемировому стандарту МПТВ. Понимая, что указан-
ные выше системы уже находятся в эксплуатации и их приемный парк
развивается, в виде первого шага было предложено ограничиться су-
ществующими в мире сходными по архитектуре системами DVB-S (Си-
стема A), DSS (Система В) и GI-MPEG 2 (Система С) и сделан вывод о
том, что в сложившихся условиях путь к международной стандартиза-
ции лежит в разработке и принятии унифицированного интегрального
декодера домашнего приемника. На основе этого предложения была
создана и принята в 1997 г. Рекомендация ВО. 1294 [35] по примене-
нию универсальных элементов, участвующих в декодировании сигнала
любой из упомянутых выше Систем А, В и С. Таким образом, было
найдено решение, которое уже на данном этапе позволило продвинуть-
ся на пути к единому мировому стандарту спутниковых систем МПТВ.
В 1999 г. была принята Рекомендация ВО. 1408 МСЭ-Р [36] со спе-
цификацией разработанной в Японии спутниковой системы ISDB-S, в
которой, в отличие от предыдущих, предусматривалась интеграция
служб цифрового вещания. Для предотвращения многостандартности
Председатель ИК11 предложил изыскать возможность расширения
функций декодера и подготовить предварительный проект новой Реко-
мендации, объединяющий все существующие [37]. Для решения этой
задачи в мае 1999 г. была создана группа специальных докладчиков
под председательством Р.Anderson (США). Результатом работы груп-
пы стал проект новой Рекомендации [38] со спецификацией Систем А,
В и С по Рекомендации ВО. 1294, дополненной параметрами для при-
ема сигналов системы ISDB-S (Система В). Рекомендация определяла
общие функциональные элементы указанных систем и регламентиро-
вала принципы построения универсального интегрального декодера для
приема всех передаваемых сигналов МПТВ.
Реализация концепции МПТВ позволила значительно повысить про-
пускную способность существующих и вновь создаваемых спутнико-
вых, наземных и кабельных систем ТВ вещания и открыла широкие
возможности для увеличения их эффективности со значительным эко-
номическим выигрышем. Необходимость многопрограммного ТВ ве-
щания связана с тем, что уверенный прием ТВ программ на огромной
территории нашей страны невозможно обеспечить только традицион-
ными методами — строительством множества телецентров, систем КТВ
и ретрансляторов [39]. В настоящее время спутниковая МПТВ система
НТВ+ реализована в России [76, 79].
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
173
Важно отметить, что по предложению нашей страны в 1977 г. в
План спутникового ТВ вещания для Районов 1 и 3 была включена
возможность применения цифровой модуляции сигналов. Это предло-
жение было учтено в новом Плане, принятом на Всемирной радиокон-
ференции (Стамбул, 2000 г.) [40].
6.2.5. Цифровое наземное ТВ вещание
Международная стандартизация тракта передачи в наземном циф-
ровом ТВ вещании основывается на обобщенной структурной схеме
тракта цифрового телевидения [41] и, как в случае ТВЧ, предусматри-
вает возможность сохранения существующих наземных каналов с но-
минальными полосами частоты 6, 7 и 8 МГц (концепция 6-7-8).
В последние годы для цифрового наземного ТВ вещания на базе
MPEG-2 предлагались три системы: ATSC, разработанная в США;
DVB-Т, разработанная в Европе, и ISDB-T, разработанная в Японии.
ПКИ удалось минимизировать различия систем по функциональным
средствам, а также гармонизировать их в отношении кодирования ви-
део- и звуковых сигналов и транспортного уровня. Гархмонизирован-
ный набор функциональных средств позволяет создать единый деко-
дер. Благодаря этому удалось преобразовать три региональные системы
в международные цифровые системы наземного вещания соответствен-
но в Системы А, В и С (рис. 6.5).
РЕКОМЕНДАЦИЯ ВТ.В06
Исправление ошибок, формат данных, методы модуляции и излучения
для цифрового наземного телевизионного вещания
АВС
Рис. 6.5. Системы цифрового наземного ТВ вещания
174
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Важно подчеркнуть различия, сложившиеся между концепциями
систем аналогового и цифрового телевизионного вещания. Системы
цифрового телевидения продолжают разрабатываться в период уско-
ренной инновации и радикального улучшения цифровых методов. Три
аналоговые системы цветного ТВ, разработанные в середине века, су-
щественно различаются, однако, телезритель получает примерно оди-
наковый результат во всех случаях. При цифровых методах каждый
конкурирующий способ передачи стремится предоставить новые воз-
можности, привлекательные для операторов и массового пользователя.
Поэтому цифровые варианты стали не разными способами достижения
одной цели, а скорее средством обеспечения гибкости, позволяющей
адаптироваться к различным обстоятельствам.
6.2.6. Интерактивное вещание
В процессе развития мирового сообщества сформировался соци-
альный заказ на новые информационные услуги. Еще в начале 80-х гг.
началось изучение проблемы интеграции служб на базе однонаправ-
ленного ТВ канала, например, передачи дополнительной информации
в составе сигналов ТВ программы (система "телетекст” и др). Прогресс
в цифровых методах компрессии обеспечил резкий скачок в области
разработки систем многопрограммного ТВ вещания, что привело к зна-
чительному увеличению потребности в создании двунаправленного тракта
ТВ и звукового вещания. Необходимо было эффективно решить задачу
интерактивности, позволяющей пользователю реагировать в реальном
или квазиреальном масштабе времени на характер и содержание пре-
доставляемых услуг путем передачи соответствующих сообщений про-
вайдерам данных услуг (см. гл. 11).
ПК 11 была первой комиссией в МСЭ, которая уже в начале 90-х гг.
развернула исследование интерактивных систем ТВ и звукового веща-
ния. Накопленный опыт стандартизации ТВ систем указал на целесо-
образность использования и в данном случае глобального подхода к
стандартизации интерактивных систем. Такой подход, одобренный в
международном масштабе, был предложен председателем ИК11 [42,
43]. Он ориентирован на создание комплексных интерактивных систем
для применения как в наземном, КТВ, так и в спутниковом ТВ и звуко-
вом вещании, а также для передачи сообщений от потребителей дру-
гим информационным службам, системам мультимедиа и т. п. Подход
базируется на мобилизации всех возможных технических средств теле-
коммуникаций для организации множества обратных интерактивных
каналов.
Данный подход требовал, в первую очередь, разработки глобальной
модели многоцелевой интерактивной системы ТВ и звукового веща-
ния, предусматривающей вещательный и интерактивный мультимедий-
ный модули и их взаимодействие. Потребовалось также связать задачи
индивидуальной и групповой интерактивности в вещании с системой
Интернет, мультимедиа и новой формой интерактивности при массо-
вых зрелищных мероприятиях в электронных киновидеотеатрах.
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
175
Модуль вещания
Элементы экологической защиты
Пользователи
Сеть интерактивных каналов
Рис. 6.6. Глобальная модель системы интерактивного цифрового вещания
Предложенная глобальная модель цифровой интерактивной систе-
мы вещания [5, 46, 56, 73] показана на рис. 6.6. Она способствует
консолидации международных исследований в этой области, позволив
выгодно использовать специфические особенности различных видов те-
лекоммуникаций для решения задач массовой многоцелевой интерак-
тивности. Модель совершенно четко указывает, что сегодня цифровое
вещание уже не может рассматриваться со старых позиций как только
передача информации в виде телевизионной программы и звукового
вещания по одному каналу однонаправленной системы. Модуль веща-
ния сегодня есть на всех телевизионных центрах. Новые подходы к
информатизации демонстрирует модуль мультимедийных служб, кото-
рый предусматривает совместную работу с Интернет, телематически-
ми службами, телемедициной и т.п.
Приемная часть теперь включает не только "стандартные” пользо-
ватели, но и Интернет-клубы, электронные киновидеотеатры и, самое
важное, она содержит двунаправленную шину, обеспечивающую инте-
рактивность. В соответствии с рассматриваемой моделью системы зна-
чительное внимание должно уделяться практической реализации ин-
терактивности в виде платформы для обеспечения многоцелевых
возможностей вещания. Дело в том, что мультимедийная ее часть бу-
дет предоставлять новые услуги и приносить доходы вещателям и опе-
раторам. Она подчеркивает конвергенцию вещания, телекоммуника-
ций и компьютерных технологий. Таким образом, интерактивное ТВ
176
6 Международная стандартизация систем цифрового телевидения
вещание должно рассматриваться как универсальное средство для со-
здания многофункциональных систем массового информационного об-
служивания, обеспечивающих комплексное решение проблем много-
программного вещания, ТВЧ, электронной кинематографии и передачи
больших объемов цифровых данных и мультимедиа.
Такой подход содействовал гармонизации исследований и сыграл
решающую роль в унификации видов информации, организующих и
инициирующих сам процесс интерактивности. Он привел, несмотря на
разнообразие и заметное различие технических средств телекоммуни-
каций, к разработке единых мировых стандартов для всех интерактив-
ных систем, позволивших сэкономить много времени и огромные сред-
ства на создание и внедрение новых перспективных технологий [47].
Этот подход впервые дал возможность представить интерактивность
как доминирующую компоненту информационного общества.
При цифровом ТВ вещании необходимы интерактивные приставки
STB (set-top-box) [48] к аналоговым телевизорам, используемые и в
составе цифровых телевизоров. Вскоре STB станут самой массовой про-
дукцией — предполагаемый выпуск составит несколько миллиардов
единиц. Эти приставки являются абонентскими интерактивными тер-
миналами, управляющими также всеми принимаемыми сигналами, и
включают элементы экологической защиты потребителей [46, 78]. Та-
кие элементы предполагается создавать на основе результатов экологи-
ческих исследований [50, 51].
6.2.7. Гармонизация систем цифрового ТВ вещания в МСЭ-Р
Исследования ИК11 в области гармонизации цифровых систем пе-
редачи изображения и звука, а также вещательных и невещательных
приложений, начались в 1986 г. и основывались на разработке гло-
бального подхода к изучаемым вопросам, учитывающего потребность
пользователей в различных информационных и телекоммуникацион-
ных службах, которые могут обеспечиваться с помощью цифровой тех-
нологии. Невещательные приложения включают производство кино-
фильмов, полиграфию, медицину, видеоконференцсвязь и компьютерные
изображения с высокой разрешающей способностью.
Изучение гармонизации различных приложений и требований заин-
тересованных отраслей промышленности в течение 1986-1990 гг. оыло
поручено ВРГ 11/9, руководимой Р.Бэдфордом (R.Bedford, Великобри-
тания). Временная рабочая группа 11/9 в начале исследовательского
периода 1990-1994 гг. была преобразована в ЦГ 11/4, а к концу иссле-
довательского периода 1990-1994 гг. — в постоянную РГ 11F во главе с
Р.Бэдфордом, продолжившим выполнение функций ее Председателя.
Деятельность ЦГ 11/4 включала вопросы, начиная с первой ее Реко-
мендации "Гармонизация цифровых методов для систем доставки ус-
луг телевидения на дом' и кончая назначением специального Доклад-
чика по тематике "Внедрение широкоэкранного формата". Одним из
наиболее важных документов стал Отчет ЦГ 11/4, в котором сообща-
лось об организации группы "эд хок" по цифровому кодированию во
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания
177
главе с Т.Нишизава (T.Nishizawa, Япония) — вице-председателем 11-й
Исследовательской комиссии. Этот документ содержал исчерпывающее
описание требований вещателей и был направлен в Группу ISO/IEC
MPEG в целях содействия разработке стандарта, который удовлетво-
рял бы требованиям вещателей.
Целевая группа 11/4 явилась связующим звеном между вещатель-
ными Исследовательскими комиссиями (ИК10 и ИК11) и проектом
ISOIEC MPEG, который оказался выгодным для обеих комиссий и по-
зволил согласовать ряд перспективных и полезных новых стандартов.
Рабочая группа 11F продолжила исследования путей совершенствова-
ния сопряжения систем и сделала их более актуальными и эффектив-
ными, в особенности, в контексте ускорения исследований Группы MPEG,
потребовавшей быстрой реакции Исследовательских комиссий МСЭ-Р,
занимавшихся вещанием, на соответствующую входящую документа-
цию [41].
Применительно к задачам цифрового ТВ вещания огромную роль в
90-е гг. сыграли также следующие подразделения ИК11: РГ НА ”ТВ
системы и вещание данных” (D.Wood, EBU), РГ 11В "Цифровое телеви-
дение — кодирование источника” (T.Nishizawa, Япония), РГ НС "На-
земное телевидение — излучение и параметры планирования” (S.Perpar,
Словения), ЦГ 11/1 "ТВЧ для студий и международного обмена про-
граммами" (К.Р.Davies, Канада), ЦГ 11/2 "Интерфейсы для цифровых
студий" (D.Nasse, Франция), ЦГ 11/3 "Цифровое наземное ТВ вещание"
(S.Baron, США), СРГ 10-11R "Запись для вещания" (P.Zaccarian, Ита-
лия), СРГ 10-11S "Спутниковое вещание" (R.Zeitoun, Канада).
Деятельность ЦГ 11/3 при разработке набора рекомендаций по циф-
ровому наземному ТВ вещанию (ЦНТВ) основывалась на стандартах
MPEG-2. Ряд положений стандарта MPEG-2, изложенных в Рекоменда-
циях ЦГ 11 3, позволяет построить на транспортном уровне универ-
сальный декодер, который может декодировать сигналы изображения
и звука с уровнями сжатия и кодирования любой из систем, соответ-
ствующих набору Рекомендаций по ЦНТВ. Это дает возможность раз-
рабатывать бытовую аппаратуру без учета специфических особеннос-
тей используемых методов кодирования.
В ноябре 1996 г. в Сиднее состоялось собрание ЦГ 11/3, на котором
были приняты проекты новых Рекомендаций по цифровому наземному
ТВ вещанию. В связи с прогрессом в разработке группой СРГ 10-11S
проекта Рекомендации по спутниковому цифровому ТВ вещанию было
решено разработать новую Рекомендацию по сопряжению цифровых
стандартов спутникового МПТВ и наземного ТВ вещания. При этом
предполагалось, что будет найдена возможность гармонизации различ-
ных технических средств МПТВ, базируясь на применении общих ме-
тодов кодирования сигналов изображения и звукового сопровождения,
мультиплексирования этих сигналов и дополнительных данных, а так-
же на использовании унифицированного транспортного цифрового по-
тока в соответствии со стандартом MPEG-2. При этом транспортный
поток рассматривается как "контейнер", обеспечивающий сопряжение
178
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
цифровых сигналов программ ТВ вещания с различными средствами
их доставки.
В октябре 1994 г. ЦГ 11/3 [52] и РГ НА [53] совместно разработали
Рекомендацию [54], которая обеспечила основу для соглашения по ми-
нимальному набору стандартов для системы цифрового наземного те-
левизионного вещания. Соглашение предусматривало, что:
базовая система способна предоставить одну программу ТВЧ или
ряд ТВ программ стандартного качества;
кодирование источников изображения осуществляется в соответ-
ствии с основными или более высокими уровнями и профилями
стандарта MPEG-2;
кодирование звуковых источников осуществляется в соответствии
с уровнем II стандарта MPEG-2 или по коммерческому стандарту
Dolby АС-3 (при этом промышленность должна разработать уни-
версальные интегральные схемы, которые могут декодировать
сигналы, кодированные в соответствии как с уровнем II стандар-
та MPEG-2, так и со стандартом АС-3);
мультиплексирование и транспортировка соответствуют стандар-
ту MPEG-2 и основываются на общей сервисной информации и
структуре заголовков и дескрипторов транспортных потоков;
в качестве схемы модуляции следует использовать или многочас-
тотную схему COFDM, или одночастотную модуляцию с частич-
но подавленной боковой полосой 8-VSB.
Рабочей группой 11В ИК11 был предложен новый Вопрос изучения,
предусматривающий исследование возможности повышения эффектив-
ности использования пропускной способности канала многопрограмм-
ного ТВ вещания путем совместного управления кодированием цифро-
вых сигналов отдельных программ. Результаты исследований по этому
вопросу были представлены в виде рекомендаций, посвященных требо-
ваниям пользователя для многопрограммных ТВ систем и совмести-
мым методам кодирования сигналов и системам управления кодерами
[41].
Новые рекомендации МСЭ-Р, относящиеся к видеозаписи, в значи-
тельной степени способствовали прогрессу в областях многопрограмм-
ного телевидения и ТВЧ. Они посвящены записи цифровых потоков
изображений нескольких программ или ТВЧ на пленку и международ-
ному обмену программами, сформированными с помощью электрон-
ных средств. Изучение технологии цифровой записи было поручено
СРГ 10-11R под председательством д-ра P.Zaccarian (Италия). В ре-
зультате был разработан набор рекомендаций, отвечающий требовани-
ям к записи сигналов цифрового телевидения и звука.
В 1999 г. в МСЭ-Р был принят ряд важных решений, направленных
на дальнейшее повышение эффективности цифрового вещания в части
интеграции служб, многопрограммности, сближения норм различных
стандартов. С 31 мая по 2 июня 1999 г. в Женеве состоялось собрание
6.3. Основные направления стандартизации европейских систем цифрового ТВ вещания DVB
179
ИК11, на котором, наряду с другими вопросами, были обсуждены пред-
ложения по единому мировому стандарту ТВЧ и новым цифровым сис-
темам с интеграцией служб для спутникового и наземного ТВ вещания.
На нем были приняты важные решения, направленные на предотвраще-
ние многостандартности в цифровых системах многопрограммного те-
левидения [37].
Представленные предложения отражают разработанные в России
новые подходы к цифровому вещанию, делающие его более эффектив-
ным средством для создания многоцелевой интегрированной информа-
ционной системы, комплексно решающей проблемы многопрограмм-
ного ТВ и звукового вещания, массовой интерактивности, передачи
больших объемов цифровых данных, мультимедиа и других информа-
ционных служб [5, 8, 56].
Подробные аннотированные перечни действующих Рекомендаций
МСЭ-Р и МСЭ-Т по проблемам цифрового телевидения и цифрового ТВ
вещания приведены в Приложениях 1 и 2 соответственно.
6.3. Основные направления стандартизации европейских
систем цифрового ТВ вещания DVB
В Европе скоординированная разработка систем и методов цифрово-
го ТВ вещания осуществляется Проектом DVB, а процедурное оформ-
ление и принятие соответствующих региональных стандартов — ин-
ститутом ETSI.
Следует отметить, что работы над стандартами DVB носят поэтап-
ный характер. Вначале Коммерческое отделение Проекта DVB разра-
батывает набор требований (ценовые границы, функции пользователя
и т.д.), ограничивающих возможные технические параметры, но га-
рантирующих продвижение изделия на рынке. Затем Техническое от-
деление разрабатывает спецификации под эти требования. Коммерчес-
кое отделение курирует разработки технических спецификаций до их
утверждения руководящими органами Проекта DVB. После этого спе-
цификации передаются в институт ETSI и комитет CENELEC как про-
ект регионального международного стандарта.
Одним из фундаментальных решений, принятых в начале работы
Проекта DVB, был выбор алгоритма MPEG-2 для системного уровня,
т.е. для кодирования аудио- и видеоисточников, а также для создания
программных элементарных потоков, транспортных потоков и т.п.
Изначально системы с алгоритмом MPEG-2, их видео- и аудиоподси-
стемы описаны в международных стандартах ИСО/МЭК (ISO/IEC
13818-1, -2, -3) [57-59]. Но эти три документа носят слишком широкий
характер, что затрудняет их непосредственное применение в цифровом
ТВ вещании. Поэтому в рамках Проекта DVB была разработана серия
частных стандартов, конкретизирующих ограничения по синтаксису и
значениям параметров, описанных в алгоритме MPEG-2, и рекоменду-
ющих значения параметров, наиболее подходящие для их использова-
ния в приложениях DVB. Работа участников Проекта DVB направлена
180
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
на создание методов доставки потоков MPEG-2 от студии до потребите-
ля по различным сетям, т.е. системы DVB выступают в роли моста
между вещателем и зрителем.
Стандарты, разрабатываемые в рамках Проекта DVB, применяются
в системах цифрового вещания видео-, аудиоинформации и данных по
спутниковым кабельным и наземным сетям и определяют соответству-
ющие системные рекомендации для кабельного телевидения (DVB-C),
наземного (DVB-Т) и спутникового (DVB-S) ТВ вещания, а также мик-
роволнового многоточечного распределения (DVB-MC/MS) и других за-
дач (сопряжение сетей, измерения и пр.).
Стандарты DVB распространяются на любую форму высокоскорост-
ного цифрового вещания, включая программное обеспечение, элект-
ронные газеты, потоки с протоколами Интернет (IP) или Web-страни-
цы. Они задают нормы на некоторые специфические средства передачи
информации, чтобы определить рекомендуемые комбинации техничес-
ких параметров, например, модуляции и кодирования с прямым ис-
правлением ошибок, обеспечивающих взаимодействие различных под-
систем. Развивая структуру транспортного потока, определенную в
стандартах MPEG, стандарты DVB обеспечивают повышение устойчи-
вости систем передачи, уменьшая в конечном счете стоимость цифро-
вой системы вещания.
В настоящее время многочисленные службы вещания, ориентиро-
ванные на стандарты DVB, введены в эксплуатацию во многих странах
мира. Цифровое оборудование для профессионального, коммерческого
и потребительского приложений, удовлетворяющее требованиям норм
Проекта DVB, является доступным на рынке и маркируется особой
эмблемой DVB.
Стандарт цифрового спутникового ТВ вещания DVB-S используется
в большинстве стран мира, где принимаются программы спутникового
вещания, представленные в этом стандарте. Практически та же ситуа-
ция в отношении стандарта кабельного вещания DVB-C.
За пределами Европы стандарт цифрового наземного ТВ вещания
DVB-Т принят в Австралии, Новой Зеландии, Индии, Египте, Турции и
в ряде других стран [74]. Опытные передачи и научные исследования
методов DVB-Т ведутся в Канаде, Китае, Сингапуре. В Японии и Китае
разработаны системы, во многом основанные на стандарте DVB-Т и
отличающиеся рядом характеристик, учитывающих национальные осо-
бенности и последние достижения в области цифровых технологий.
Японская система ISDB-T («Цифровое вещание с интеграцией служб»)
дает возможность использовать передачу радиосигнала в различных по
ширине полосах частотного спектра [60]. В Китайской системе DMB-T
повышена помехоустойчивость информационного канала и схем синх-
ронизации [61]. С учетом имеющихся модификаций стандарты DVB
становятся доминирующими мировыми стандартами.
Следует отметить, что ряд стран, ранее принявших или склоняв-
шихся к принятию стандарта ATSC, проводят дополнительные испы-
тания систем наземного вещания с целью пересмотра этих решений в
пользу стандартов DVB-Т или ISDB-T. К числу этих стран относятся
6.4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
181
Бразилия, Аргентина, Мексика, Тайвань и др. [74]. Более того, даже в
США выдвинуты предложения о выборе кроме ATSC альтернативного
варианта наземного вещания, использующего модем по стандарту DVB-
Т [75].
Таким образом, стандарты DVB вышли за рамки европейских и при-
обретают статус международных. Аннотированный перечень стандар-
тов DVB, подготовленных комитетом JTC Broadcast и опубликованных
институтом ETSI, приведен в Приложении 3.
6.4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
6.4.1. Предварительные замечания
Для облегчения стандартизации существующих и будущих разрабо-
ток систем цифрового вещания и передачи данных ИСО и МСЭ рекомен-
довано использовать многоуровневый подход, основанный на базовой
эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ВОС) [62]. Примени-
тельно к телевидению использование такой эталонной модели призвано
облегчить описание и введение цифрового вещания с интеграцией служб,
охватывающих также передачу телетекста, неподвижных изображений,
звуковых сигналов, данных и других служб мультимедиа [63].
В едином тексте стандарта ISO 7498 и Рекомендации МСЭ-Т Х.200
приводятся такие определения:
реальная система: набор из одного или большего числа компьюте-
ров с соответствующим программным обеспечением, периферийных ус-
тройств, терминалов, операторов, физических процессов, средств пере-
дачи информации и т.п., т.е. всего того, что формирует автономный
комплекс, способный осуществлять обработку и/или передачу инфор-
мации;
реальная открытая система: удовлетворяет требованиям стандар-
тов ВОС во взаимосвязи с другими реальными системами;
открытая система: представляет в рамках Эталонной модели те
аспекты реальной открытой системы, которые имеют отношение к вза-
имодействию открытых систем;
прикладной процесс: элемент в пределах реальной открытой сис-
темы, который выполняет обработку информации для специфического
приложения (прикладные процессы могут представлять процессы руч-
ной обработки, компьютеризированные процессы или физические про-
цессы);
окружающая среда ВОС: абстрактно представляет набор концеп-
ций, элементов, функций, служб, протоколов и т.д., определенных Эта-
лонной моделью ВОС и производными специфическими стандартами,
которые позволяют осуществить связь между открытыми системами.
Зона интересов ВОС — обмен информацией между открытыми сис-
темами, а не внутреннее функционирование каждой индивидуальной
182
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
реальной открытой системы. Все другие аспекты систем, которые не
связаны с их взаимодействием, находятся вне рамок ВОС.
Цель ВОС — определить набор стандартов, позволяющих взаимо-
действовать реальным открытым системам.
Как показано на рис. 6.7, физическая среда, служащая для взаимо-
связи открытых систем, обеспечивает средства передачи информации
между открытыми системами.
Рис.6.7. Открытые системы, соединенные физической средой
Рис.6.8. Основные элементы Эталонной модели ВОС
6.4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
183
В Эталонной модели ВОС можно выделить четыре основных элемен-
та (рис. 6.8):
1) открытые системы;
2) прикладные объекты, которые существуют в пределах окружаю-
щей среды ВОС;
3) ассоциации (соединения), которые присоединяются к приклад-
ным объектам и разрешают им обмениваться информацией;
4) физическая среда для ВОС.
6.4.2. Функциональные уровни ВОС
Основная идея Эталонной модели ВОС — разделение функций про-
цессов на определенные функционально близкие группы, называемые
уровнями. В пределах каждого уровня размещаются объекты, выпол-
няющие заданные логические функции и обеспечивающие набор услуг
для более высокого уровня [64].
Эталонная модель ВОС содержит семь уровней, которые показаны
на рис.6.9 и в табл. 6.1.
Прикладной Открытая система Протокол взаимодействия равноправных сред 1 Открытая система
Представительный
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Канальный
Ф изический
Физическая среда ВОС
Рис. 6.9. Эталонная модель ВОС
Самый высокий — Прикладной уровень, он состоит из прикладных
объектов, которые взаимодействуют в окружающей среде ВОС. Более
низкие уровни обеспечивают службы, через которые взаимодействуют
прикладные объекты.
Уровни 1-6, вместе с физической средой ВОС обеспечивают посте-
пенное совершенствование служб связи. Граница между двумя уровня-
ми определяет стадию этого улучшения служб, для которой определен
соответствующий стандарт, в то время как функционирование уровней
управляется стандартными протоколами ВОС.
184
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Таблица 6.1. Уровни эталонной модели ВОС
Уровень Название Основная функция
7 Прикладной Использование информации на прикладном уровне
6 П редставител ьн ы и Преобразование и предоставление информации
5 Сеансовый Выбор и доступ к информации
4 Транспортный Опознавание группы данных
3 Сетевой Опознавание логического канала
2 Канальный Соединение с логическим блоком передачи
1 Физический Физическая передача
Не все открытые системы обеспечивают инициализацию источника
или пункт назначения данных. Когда физическая среда ВОС не связы-
вает все открытые системы непосредственно, то некоторые из них дей-
ствуют только как открытые системы-ретрансляторы, пропускающие
данные к другим открытым системам. Функции и протоколы, которые
поддерживают продвижение данных, тогда обеспечиваются на более
низких уровнях. Это показано на рис. 6.10.
Открытая Открытая
ретранслятор
Рис. 6.10. Открытая система-ретранслятор
6.4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
185
Физический уровень: относится к электрической передаче сигналов
данных и включает в себя механические, электрические, функциональ-
ные и процедурные средства установления, поддержания и разъедине-
ния физических соединений.
Канальный уровень: относится к отдельным линиям и включает в
себя логические функции, связанные с передачей данных, такие как
цикловая синхронизация и защита от ошибок. При этом канальное
соединение может использовать одно или несколько физических соеди-
нений.
Сетевой уровень: обеспечивает функциональные и процедурные сред-
ства для режима передачи без установления соединения или режима
передачи с установлением соединения среди транспортных объектов, а
также независимость транспортных объектов от ретрансляции и мар-
шрутизации. Он включает в себя логические функции, связанные с
объединением, разделением и обработкой ошибок в пакетах данных,
относящихся к различным потокам.
Транспортный уровень: обеспечивает прозрачную передачу данных
между сеансовыми объектами и освобождает их от любой детализации
способа достижения надежной и недорогой передачи. Протоколы транс-
портного уровня действуют только между оконечными открытыми си-
стемами. Это самый нижний уровень, который по определению являет-
ся существенным для передачи от точки к точке, поскольку блок данных
транспортного уровня остается неизменным от ввода в сеть до вывода
из нее.
Сеансовый уровень: включает те функции обработки данных, кото-
рые предназначены для оказания помощи пользователю в получении
доступа к службам. Примером таких служб являются управление дос-
тупом и идентификация службы.
Представительный уровень: включает функции, необходимые для
представления информации, присущей каждому виду применения, ко-
торые могут включать изображения, текст, звук и другие типы дан-
ных, пригодных для обработки.
Прикладной уровень: относится к области практического использо-
вания потенциальных возможностей, предоставляемых нижними уров-
нями конкретной службы, например, телевизионной, мультимедиа, те-
летекста и т.п. Как самый высокий уровень в Эталонной модели ВОС,
Прикладной уровень не имеет какой-либо границы с более высоким уров-
нем и обеспечивает доступ в среду ВОС для прикладных процессов.
В многоуровневой модели ВОС прямое взаимодействие между одно-
именными уровнями разных систем исключается. С сетью связаны толь-
ко физические уровни. Поэтому каждый из уровней конкретной систе-
мы обменивается данными только со смежными уровнями. Любая услуга,
действующая на прикладном уровне, при передаче должна пройти по
цепи нижерасположенных уровней вплоть до физического. При транс-
ляции от уровня к уровню к изначальному блоку информации последо-
186
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
вательно добавляется управляющая (сервисная) информация в форме
заголовка пакета. При этом информационные данные вместе с заголов-
ком вышестоящего уровня рассматриваются как полезная нагрузка для
пакета текущего уровня и т.д. Такое структурирование данных полу-
чило название концепции вложенных заголовков [65]. Эта концепция
схематично показана на рис. 6.11. Таким образом, протоколы и струк-
тура пакета некоторого уровня являются контейнером данных рдя ус-
луг верхних уровней.
Рис. 6.11. Схема концепции вложенных заголовков
6.5. Кодирование источников по стандартам MPEG-2
6.5.1. Предварительные замечания
Как уже было отмечено, в современных системах цифрового телеви-
дения для кодирования и обработки источников информации использу-
ется группа алгоритмов ИСО/МЭК, имеющих общее наименование стан-
дарты MPEG-2.
6.5. Кодирование источников по стандартам MPEG-2
187
Стандарты MPEG-2 — это не точные стандарты реализации аппа-
ратных средств, а скорее основополагающее описание путей мульти-
плексирования набора сжатых сигналов: видео, аудио и данных в поток
предназначенных для передачи цифровых пакетов. Эта стандартизация
кодирования, в свою очередь, предполагает и делает возможным стан-
дартизацию аппаратных средств и функций декодера. Большая гиб-
кость стандартов MPEG-2 дает возможность проектировать цифровые
ТВ системы различного назначения и качества. Диапазон этих систем
простирается от компьютерной видеотелефонии до ТВЧ. Соответствен-
но назначению систем изменяются требования к скоростям передачи
цифровых потоков, объемам памяти декодеров, быстродействию про-
цессоров и другим аппаратно-программным ресурсам [66].
6.5.2. Принципы кодирования изображений
При преобразовании цветного ТВ сигнала из аналоговой в цифро-
вую форму согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 используются часто-
ты дискретизации и формируются цифровые потоки, приведенные в
табл. 6.2 [9]. Соответствующая структурная схема кодирующего уст-
ройства показана на рис. 6.12.
Таблица 6.2. Основные показатели при кодировании ТВ сигнала
Компоненты и параметры сигнала Обозначения Частоты дискретизации и скорости передачи
Сигнал яркости Y 13,5 МГц (8 бит х 13,5 = 108 Мбит/с)
Цветоразностный сигнал B-Y Св 6,75 МГц (8 бит х 6,75 = 54 Мбит/с)
Цветоразностный сигнал R-Y CR 6,75 МГц (8 бит х 6,75 = 54 Мбит/с)
Полное число отсчетов в секунду S 13,5 + 6,75 + 6,75 - 27,000 Мотсчетов/с
Полная скорость передачи битов при кодировании с 8 битами/отсчет (из 256 возможных уровней квантования только 220 используются для отображения сигнала яркости) RB 27Мотс./с х 8 бит = 216 Мбит/с
Требуемая полоса частот канала (при двоичной передаче в полосе Найквиста) Bn 108 МГц
Полная скорость передачи битов при студийном кодировании с 10 битами/отсчет RB 27x10=270 Мбит/с
Требуемая полоса частот канала (при двоичной передаче в полосе Найквиста) BN 135 МГц
188
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Рис. 6.12. Структурная схема кодера изображений
Данные табл. 6.2 показывают, что в результате аналогово-цифрового
преобразования цветного ТВ сигнала результирующие потоки битов и
требуемые для их передачи полосы частот очень велики, и требуется со-
кращение избыточности (сжатие сигнала). Общепринятым методом сжа-
тия в настоящее время являются алгоритмы стандарта MPEG-2, позволя-
ющие снизить скорость битов кодированного сигнала до 5-10 Мбит/с.
Техника сжатия кодированных изображений основывается на сокра-
щении следующих видов избыточности [67]:
пространственная избыточность: значения элементов изображе-
ния (пикселей) являются не независимыми, а коррелированны-
ми в пределах некоторой области изображения, т.е. можно пере-
дать значение одного пикселя, а значения других — предсказать;
временная избыточность: корреляция между пикселями сохра-
няется и в последовательности нескольких кадров изображения,
т.е. техника предсказания и компенсации движения может быть
распространена на несколько кадров;
энтропийная избыточность: непрерывно изменяющийся сигнал
квантуется, т.е. заменяется дискретно изменяющимся сигналом,
а для кодирования квантованных уровней используется кодиро-
вание Хаффмана, при котором длина кодовой комбинации об-
ратно пропорционально зависит от частоты появления уровней;
психовизуалъная избыточность: глаз неспособен различать очень
мелкие детали и высокочастотные цветовые переходы.
В кодере MPEG-2 вначале обрабатываются фрагменты изображения
(блоки) размером 8x8 пикселей, несущие информацию о яркости или
цветности. Яркостные блоки организуются в макроблоки, состоящие
из четырех блоков (имеют размер 16x16 пикселей). Если с каждым
макроблоком связаны по одному блоку цветоразностных сигналов CR и
Св, то имеет место формат цветовой дискретизации 4:2:0. Если же чис-
ло цветовых блоков равно четырем (по два блока для каждого из цве-
6.5. Кодирование источников по стандартам MPEG-2
189
торазностных сигналов CR и Св), то имеет место формат цветовой диск-
ретизации 4:2:2. Один или более смежных макроблоков группируются
вместе и образуют слайс (вырезку данных из массива) [66].
Первичной кодированной единицей изображения является кадр, со-
стоящий из группы слайсов, составляющих активную область изобра-
жения. Для сокращения пространственной избыточности в пределах
одного кадра при кодировании создается так называемый 1-кадр, со-
держащий всю информацию, необходимую для декодирования изобра-
жения. В случае сбоя или помех в канале 1-кадры позволяют возобно-
вить процесс правильного декодирования. Для повышения степени
сжатия 1-кадры передаются примерно один раз в 12 кадров. В осталь-
ное время передаются Р-кадры и В-кадры, значения которых предска-
зуемы: для Р-кадров — исходя из значений предшествующих 1-кадров
и Р-кадров, а для В-кадров — исходя из значений предшествующих и
последующих 1-кадров и Р-кадров.
Чтобы декодер мог правильно восстановить информацию, требуется
передавать также дополнительную служебную информацию. Для этого
каждый кадр снабжается заголовком, а ряд взаимосвязанных 1-, Р-, В-
кадров объединяется в группу кадров (GOP), которая также снабжает-
ся заголовком. Полученная структура данных называется элементар-
ным потоком данных. В последовательности GOP вначале следуют
1-кадры и Р-кадры, а затем В-кадры, которые реконструируются деко-
дером из ранее принятых 1- и Р-кадров. Поскольку последовательность
передачи кадров не совпадает с последовательностью их воспроизведе-
ния, то на уровне пакетированного элементарного потока добавляются
временные метки декодирования (DTS) и представления (PTS), которые
несут информацию о необходимых моментах времени декодирования и
отображения кадров [67].
Таким образом, в процессе кодирования создается сложная шести-
уровневая иерархическая структура: блок — макроблок — слайс, кадр
— группа кадров — последовательность кадров (рис. 6.13) [68].
Рис. 6.13. Иерархическая структура кодирования MPEG-2
190
6 Международная стандартизация систем цифрового телевидения
При практической реализации кодирования по стандарту MPEG-2 в
большинстве случаев стремятся обеспечить режим многопрограммно-
го вещания. При традиционной организации многопрограммного ве-
щания пропускная способность канала делится между несколькими
программами некоторым фиксированным образом. Это предполагает
использование постоянной скорости передачи битов для каждой про-
граммы. Известно, что значение скорости передачи информации, необ-
ходимое для достижения желаемого качества изображения, зависит от
содержания изображения. Поэтому для эффективного использования
пропускной способности канала применяют метод статистического муль-
типлексирования, обеспечивающий кодирование с переменной скорос-
тью битов для каждого из источников при неизменной общей скорости
передачи, не выходящей за границы пропускной способности канала.
Стандартные кодеры MPEG-2 поддерживают режим кодирования с
переменной скоростью выходных данных, например, для цифрового
ТВ сигнала стандартного качества (SDTV) скорость передачи может
лежать в пределах 2-15 Мбит/с.
Для реализации метода статистического мультиплексирования не-
обходимы линии двусторонней передачи данных между кодерами про-
грамм и системным мультиплексором. Наличие обратной связи от муль-
типлексора к индивидуальным программным кодерам позволяет
адаптивно изменять коэффициент сжатия и скорость битов в потоках
отдельных программ при постоянной скорости мультиплексированно-
го группового потока [69].
6.5.3. Принципы кодирования звука
Существуют два международных стандарта кодирования и сжатия
звука: MPEG-1 [70] и MPEG-2 [59]. Система многоканального кодиро-
вания звука со сжатием по стандарту MPEG-2 является расширением
одноканальной стереозвуковой системы MPEG-1 и обладает с ней пря-
мой и обратной совместимостью. Прямая совместимость означает, что
многоканальный декодер MPEG-2 может декодировать моно- и стерео-
сигналы системы MPEG-1. Обратная совместимость означает, что деко-
дер MPEG-1 может воспроизводить определенную содержательную часть
информации системы MPEG-2. Для того, чтобы обеспечивать прямую и
обратную совместимости кодер и декодер MPEG-2 содержат в качестве
составных элементов кодер и декодер MPEG-1, что показано на рис. 6.14.
Система MPEG-2 обеспечивает:
пять высококачественных звуковых каналов плюс один канал
низкочастотной коррекции (эта схема обозначается 5.1), гаран-
тируя, что существующие декодеры с двумя каналами будут спо-
собны декодировать совместимую стереоинформацию;
многоязыковую звуковую поддержку в виде семи дополнитель-
ных комментаторских каналов;
скорости передачи сжатых звуковых данных: для монофонических
6.5 Кодирование источников по стандартам MPEG-2
191
Вход компонентов
Выход компонентов
Звуковой кодер MPEG-2
Звуковой декодер MPEG-2
Рис. 6.14. Структурная схема кодека звука
сигналов — потоки битов со скоростями в диапазоне 32-192 кбит с и
для стереофонических сигналов — 64-384 кбит/с;
кодирование в широком диапазоне частот дискретизации звуко-
вого сигнала: 16; 22,05; 24; 32; 44,1; 48 кГц.
В зависимости от объема данных, передаваемых в мультиплексиро-
ванном потоке битов, можно организовать 1-5.1 каналов. Для описа-
ния числа передаваемых каналов обычно используется обозначение вида
F/S, где F — число "фронтальных" каналов и S — число "тыльных"
каналов. Стереослужба обозначается как 2/0, в то время как служба с
полными 5.1 каналами может быть обозначена как 3.1/2 или 34-/2.
Механизмы сжатия позволяют сформировать потоки битов всего лишь
от 32 кбит с для услуг типа речь/диалог до 384 кбит/с для воспроизве-
дения звука с помощью 5.1 каналов. Система обеспечивает передачу
одного или двух независимых звуковых сигналов, а также матрициро-
ванных сигналов, которые могут содержать L, С, R (левый, центр, пра-
вый) и круговые звуковые сигналы. Опции кругового звука включают
одиночный канал (S) или звуковую пару круговых каналов (SL — тыль-
ный левый, SR — тыльный правый). К любому из матрицированных
сигналов может быть добавлен сигнал низкочастотной коррекции (LFE).
Канал LFE имеет ограниченный диапазон частот: 20-120 Гц и по-
зволяет слушателю расширить низкочастотное содержимое звукового
формата по частоте и уровню. Этот канал по существу дублирует канал
субнизкочастотного громкоговорителя, используемый в звуковых фор-
матах цифровых фильмов. Канал LFE может быть кодирован с низкой
скоростью битов, что отмечается в виде ".1" в обозначении "5.1" или
"+" в обозначении "54-".
Система MPEG-2 построена так, что терминал слушателя (ТВ при-
емник, компьютер, и т.п.) опознает число и вид кодируемых и декоди-
руемых звуковых каналов и воспроизводит звуковые сигналы соответ-
ственно числу имеющихся громкоговорителей.
192
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
6.5.4. Профили и уровни стандарта MPEG-2
Среди многочисленных норм и определений стандарта MPEG-2, ко-
торые не являются предметом рассмотрения в данной книге, существу-
ет критерий, согласно которому классифицируется качество кодирова-
ния со сжатием в цифровых системах и определяются требования к
необходимой скорости передачи потока данных. Речь идет о так назы-
ваемых профилях и уровнях стандарта MPEG-2 [57].
Нормы стандарта MPEG-2 для кодирования ТВ сигнала образуют
семейство систем с упорядоченными свойствами унифицированности и
совместимости. Каждому семейству систем соответствуют различные со-
четания параметров кодированного сигнала. Такие группы параметров,
объединяющие показатели качества сжатого сигнала и требуемых ско-
ростей передачи, получили название профилей и уровней MPEG-2 [58].
Профиль: определенный под набор полного синтаксиса MPEG-2, или
инструментальный набор (например: формат цветовой дискретизации
4:2:2; используются только l/Р кадры при предсказании; дискретное
косинусное преобразование — ДКП).
Каждый более высокий профиль является более сложным и последо-
вательно добавляет дополнительные возможности к предыдущему про-
филю. Но для пользователя это улучшение качества влечет определен-
ную плату за сложность декодера.
Каждый профиль MPEG-2 предлагает набор инструментальных
средств для сжатия, которые все вместе составляют определенную сис-
тему кодирования.
Простой профиль: характеризуется наименьшими возможностя-
ми (числом инструментальных средств); используется компенсация дви-
жения в сочетании с гибридным ДКП.
Основной профиль: содержит все инструментальные средства про-
стого профиля плюс еще одно, называемое двунаправленным предска-
занием. Для той же самой скорости передачи он обеспечивает макси-
мальное качество по сравнению с простым профилем, но требует
больших аппаратных затрат. Декодер основного профиля декодирует
изображения, кодированные с параметрами основного и простого про-
филей. Аналогичная обратная совместимость имеет место для всех про-
филей.
Масштабируемые профили: добавляют инструментальные сред-
ства, которые позволяют улучшать или шумовые параметры (масшта-
бируемость по с/ш), или разрешающую способность (пространственная
масштабируемость) за счет обмена одних показателей на другие. Эти
масштабируемые системы могут иметь интересные приложения, на-
пример, для расширения зоны охвата системы вещания в результате
применения приоритетных методов уже на стадии кодирования изоб-
ражений. Однако за их использование приходится платить сложнос-
тью приемника. Вследствие повышенной сложности ни один из масш-
табируемых профилей не поддерживается стандартами вещания DVB.
Высокий профиль: включает все инструментальные средства ниж-
них профилей плюс способность одновременного кодирования цвето-
разностных сигналов.
6.5. Кодирование источников по стандартам MPEG-2
193
Профессиональный профиль: является разновидностью высокого
профиля и специально предназначен для оптимизации видеомонтаж-
ных операций в студийных центрах за счет сокращения времени задер-
жки из-за прохождения больших групп кадров [68, 71].
Характеристики профилей MPEG-2 приведены в табл. 6.3.
Таблица 6.3. Характеристики профилей MPEG-2
Профиль Характеристика Формат цветовой дискретизации
Простой Без двунаправленных кадров Только 4:2:0
Основной Без масштабируемости Только 4:2:0
Масштабируемый по с/ш Масштабируемый по с/ш Только 4:2:0
Пространственно - масштабируемый Пространственно - масштабируемый Только 4:2:0
Высокий 4:2:2 (профессиональный 4:2:2) Масштабируемый в пространстве и во времени 4:2:2 (и 4:2:0)
Уровень: определенный набор ограничений, накладываемых на па-
раметры сигнала изображения и соответствующего ему передаваемого
потока битов в пределах конкретного профиля (например, максималь-
ный размер изображения, максимальная скорость битов, максималь-
ный размер буфера декодера). Уровни связаны с исходным форматом
сигнала изображения, обеспечивая ряд значений его потенциального
качества — от низкой (ограниченной) четкости до высокой четкости.
Низкий уровень: определяет формат изображения, составляющий
четверть обычного формата, определенного в Рекомендации МСЭ-Р
ВТ.601 [9].
Основной уровень: соответствует формату кадра, определенного в
Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601.
Высокий-1440 уровень: имеет формат высокой четкости с 1440
отсчетами в строке.
Высокий уровень: имеет формат высокой четкости с 1920 отсчета-
ми в строке.
Численные характеристики уровней MPEG-2 приведены в табл. 6.4 [58].
Таблица 6.4. Численные характеристики уровней MPEG-2
Уровень Ограничение структуры исходного изображения (вход кодера) не более, элементов изображения Скорость битов в потоке на выходе кодера не более, Мбит/с
Высокий 1920x1152 80
Высокий—1440 1440x1152 60
Основной 720x576 15
Низкий 352x288 4
194
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Комплект инструментальных средств MPEG-2 принято подразделять
на ряд комбинаций (согласованных точек) профилей и уровней. В на-
стоящее время в стандарте MPEG-2 пять профилей и четыре уровня
[58]. Качество изображения и сложность его обработки характеризу-
ются сочетанием профиля и уровня, что обычно изображается в виде
таблицы. В табл. 6.5, рекомендуемой для кодирования изображений в
системах цифрового наземного ТВ вещания, приведены краткие опре-
деления этих пяти профилей и указаны разрешающие способности по
элементам изображения, характерные для четырех уровней [71]. В ка-
честве высокого профиля введен профессиональный. В табл. 6.5 приве-
дены также максимально допустимые скорости передачи битов, соот-
ветствующие разрешенным комбинациям профиля/уровня.
Таблица 6.5. Профили и уровни стандарта MPEG-2
Уровни Скорость передачи битов, Мбит/с, для профильного вида
простой (основной без В-кадров) (SP) 4:2:0 основной (В-кадры) (МР) 4:2:0 масшта- бируемый по с/ш (SNR) 4:2:0 простран- ственно масшта- бируемый (Spatial) 4:2:0 профес- сиональный (HP) 4:2:2
Высокий (HL) 1920x1152 X 80 X X 100
Высокий-1440 (Н-14) 1440x1152 X 60 60 60 80
Основной (ML) 720x576 15 15 15 15 20
Низкий (LL) 352x288 X 4 4 4 X
Примечание: х — недопустимая комбинация.
В феврале 2000 г. МСЭ-Р был принят проект новой рекомендации по
форматам изображения с прогрессивной разверткой [72]. Этот проект
регламентирует параметры формата 1280x720 элементов изображения,
предполагаемого для использования при производстве программ и при
международном обмене программами. Соответственно этот формат мо-
жет быть внесен в табл. 6.5 в виде новой совокупности профилей и
уровней.
При кодировании изображений наиболее приемлемы три комбина-
ции профилей и уровней [68]:
основной профиль — низкий уровень (обозначается MP@LL);
основной профиль — основной уровень (обозначается MP@ML);
6.5. Кодирование источников по стандартам MPEG-2
195
профессиональный (студийный) профиль — основной уровень (обо-
значается PP@ML).
Приведем некоторые примеры.
Комбинация MP@LL обеспечивает лучшее качество изображения
ограниченной четкости при скоростях битов ниже 5 Мбит/с.
Для кодирования и сжатия изображения с обычным (SDTV) или
улучшенным (EDTV) качеством используется комбинация основного
профиля и основного уровня MP@ML. При этом лучшее качество изоб-
ражения обеспечивается при скоростях битов 5—15 Мбит/с.
Для обработки ТВЧ (HDTV) требуется более мощное кодирование,
которое может быть предоставлено основным профилем на высоком
уровне (MP@HL). Студийная обработка и обмен изображениями требу-
ют применения профессионального профиля на основном уровне
(PP@ML) [71]. Различные варианты стандартов ТВЧ подробнее рас-
смотрены ниже.
Большинство требований по кодированию изображений будут обес-
печены при выборе сочетания основного профиля и основного уровня
(MP@ML). Отметим, что это условие не удовлетворяется при формате
цветовой дискретизации 4:2:2.
Условия прямой совместимости между различными сочетаниями
профилей и уровней показаны в табл. 6.6 [58].
Таблица 6.6.Прямая совместимость различных сочетаний профилен и уровней*1
Сочетание профилей и уровней в потоке битов Характеристика декодера
НР@ HL HP @ H-14 HP@ ML Spatial @ H-14 SNR @ ML SNR @LL MP @ HL MP @ H-14 MP @ ML MP @ LL SP @ ML
HP@HL X
НР@Н-14 X X
HP@ML X X X
Spatial@ H-14 X X X
SNR @ML X X X X X
SNR @LL X X X X X X
MP@HL X X
MP@H-14 X X X X X
MP@ML X X X X X X X X
MP@LL X X X X X X X X X X X*2
SP@ML X X X X X X X X X
ISO/IEC 11172 X X X X X X X X X X X
196
6 Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Примечания к табл. 6.6:
х — отмечает декодер, способный декодировать поток битов, включающих
все уместные нижние уровни.
- для профилей и уровней, которые подчиняются иерархической струк-
туре, рекомендуется, чтобы каждый уровень потока битов содержал ин-
дикатор profile and level indication 'самого простого' декодера, который
способен успешно декодировать этот уровень потока битов.
*2) — для декодирования потока битов MP @ LL требуется декодер SP @ ML.
6.6. Стандарты ТВЧ
Конкретным проявлением тенденций к унификации является новая
редакция стандарта ТВЧ. Согласно проекту Рекомендации ITU-R
ВТ. 709-3 вводится в действие единый стандарт для производства и меж-
дународного обмена программами ТВЧ [55]. Основное применение еди-
ного стандарта ТВЧ — видеосъемка и телекинопроизводство. В Европе
продукцию ТВЧ предлагают около 100 компании.
Теперь в Рекомендации ВТ. 709-3 вместо двух видов развертки сохраня-
ется единый формат изображения HD-CIF в виде матрицы 16:9 с 1080-ю
активными строками в кадре (отсчетами по вертикали) и с 1920-ю квад-
ратными элементами изображения (пикселями) в активной части стро-
ки (по горизонтали). При этом значения единых параметров не зависят
от частоты кадров, значения которой могут быть равными 60, 50, 30,
25 и 24 Гц. Таким образом, в стандарт включены новые значения часто-
ты кадров при прогрессивной развертке, в том числе 24 Гц, которая
используется в кинематографии. Применение частоты 24 кадр/с обес-
печивает не только упрощение преобразования фильмов в видеосигнал.
Ожидается, что с такой частотой будет производиться и видеосъемка.
Создатели программ получат еще одно средство для "бесшовного" объе-
динения изображений от различных источников. Это обеспечивает тож-
дественность электронной и киноверсии фильма, что облегчает между-
народный обмен программами в виде кинофильмов, которые могут
редактироваться в электронном виде и затем передаваться по цифро-
вым каналам связи. Таким образом, на смену кинопленке приходит
электронная память с мгновенным просмотром и монтажом.
Для формирования изображения определены прогрессивный (Р) и
чересстрочный (I) способы. Для транспортировки изображений, сфор-
мированных первым способом, можно применять канал передачи про-
грессивных кадров (Р) либо канал передачи сегментных кадров (PsF).
Для распространения изображений, сформированных вторым спосо-
бом, применяется канал передачи чересстрочных полей. Термин "сег-
ментный кадр" означает, что изображение сформировано с применени-
ем прогрессивной развертки, а передается в виде двух сегментов, один
из которых содержит нечетные строки изображения, а другой — чет-
ные. Характеристики развертки изображения в соответствии с единым
стандартом приведены в табл. 6.7.
Таблица 6.7. Характеристики развертки изображения
Пункт Параметр Значения, обозначающие системы
60/Р 30/Р 30/PsF 60/I 50/Р 25/Р 25/PsF 50/I 24/Р 24/PsF
6.1 Порядок представления отсчетов в системе с разверткой Слева направо, сверху вниз В чересстрочных системах и системах с сегментным кадром первая активная строка поля 1 расположена вверху изображения
6.2 Полное число строк 1125
6.3 Частота полей/ кадров/сегментных кадров, Гц 60 (60/1,001) 30 (30/1,001) 60 (60/1,001) 50 25 50 24 (24/1,001) 48 (48/1,001)
6.4 Коэффициент чересстрочности 1:1 2:1 1:1 2:1 1 :1
6.5 Частота кадров, Гц 60 (60/1,001) 30 (30/1,001) 50 25 24 (24/1,001)
6.6 Частота строк *1, Гц 67500 (67500/1,001) 33750 (33750/1,001) 56250 28125 27000 (27000/1,001)
6.7 Число отсчетов на полную строку -R,G,B,Y " Св> CR, 2200 1100 2640 1320 2750 1375
6.8 Номинальная полоса аналоговых сигналов *2, МГц 60 30 60 30
6.9 Частота дискретизации’ - R, G, В, Y, МГц 148,5 (148,5/1,001) 74,25 (74,25/1,001) 148,5 74,25 74,25 (74,25/1,001)
6.10 Частота дискретизации *3 - Св, CR, МГц 74,25 (74,25/1,001) 37,125 (37,125/1,001) 74,25 37,125 37,125 (37,125/1,001)
6.6. Стандарты ТВЧ
(О
Примечания: *1} — допуск на частоты + 0,001%. 2) — полоса частот для всех компонентов.
*3>— частота дискретизации сигналов Св, CR равна половине частоты дискретизации сигнала яркости
198
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
Возможные сочетания кадровых частот и каналов передачи приве-
дены в табл. 6.8.
Таблица 6.8. Параметры вариантов единого стандарта ТВЧ
Система Способ формирования изображения Канал передачи
60/P 60 Гц, прогрессивный прогрессивных кадров
30/P 30 Гц, прогрессивный прогрессивных кадров
30/PsF 30 Гц, прогрессивный сегментных кадров
60/1 30 Гц, чересстрочный чересстрочных полей
50/P 50 Гц, прогрессивный прогрессивных кадров
25/P 25 Гц, прогрессивный прогрессивных кадров
25/PsF 25 Гц, прогрессивный сегментных кадров
50/1 25 Гц, чересстрочный чересстрочных полей
24/P 24 Гц, прогрессивный прогрессивных кадров
24/PsF 24 Гц, прогрессивный сегментных кадров
Список литературы
1. Красносельский И.Н. Международная стандартизация цифрового
телевизионного вещания // Электросвязь. 1999. № 8.
2. Только пластическая операция или основательная реорганизация?
МСЭ в условиях изменяющегося окружения/Интервыо с П.Тарьян-
не, Генеральным секретарем МСЭ // ТелеВестник. 1993. № 2.
3. Толмачев Ю. Первая Всемирная конференция МСЭ пб стандарти-
зации // ТелеВестник. 1993. № 2.
4. ATSC Standard. Modulation and Coding Requirements for Digital TV
(DTV) Applications over Satellite. — ATSC Doc.A/80. 17 July 1999.
5. Кривошеев М.И. Новый подход к ТВ вещанию на базе многоцеле-
вого цифрового интерактивного контейнера // Электросвязь. 1997.
№ 12.
6. 50-я годовщина 11-й Исследовательской комиссии -МСЭ-Р // Тех-
ника кино и телевидения. 2000. № 7.
7. The 50th Anniversary of ITU-R Study Group 11 Chairman Mark I.
Krivocheev, Guest Speaker. SMPTE Journal. April 2000.
8. Кривошеев М.И. Сигнал «стоп» многостандартности в спутнико-
вом телевидении // «625». 1998. №№ 1,2.
9. ITU-R Recommendation ВТ.601-5. Studio Encoding Parameters of
Digital Television for Standard 4:3 and Wide-Screen 16:9 Aspect Ratios.
Список литературы
199
— ITU-R Recommendations, — ВТ Series. Broadcasting Service
(Television).
10. Кривошеев М.И., Виленчик Л.С., Красносельский И.Н. и др.
Цифровое телевидение/Под ред. М.И. Кривошеева. М.: Связь. 1980.
11. CCIR. Proposal for a New Study Program — High Definition Television.
— Doc. 11/31. 17 March 1972.
J.2 . Хлебородов В.А. Достижения и проблемы телевидения высокой
четкости // ЭКСПО журнал. 4/90. № 2.
13. CCIR. XVI Plenary Assembly. Dubrovnik, 1986. Doc. PLEN/119.
3 June 1986.
14. Krivocheev M.I. The first twenty years of HDTV: 1972-1992. —
SMPTE. 1993.
15. Krivocheev M.I. Worldwide HDTV standard for broadcasting and
electronic cinema. — Facta Universitatis (NIS). Electronics and
Energetics. Vol. 12. № 2 (1999).
16. Кривошеев М.И. Создание основ международной стандартизации
телевидения высокой четкости (ТВЧ) перспективных ТВ систем 4.1
и 4.2 // Техника кино и телевидения. 1996. №№ 1,3.
17. CCIR. Summary record of the first meeting. Study Group 11. — Doc.
11/173. 2 November 1987.
18. CCIR. Period 1986-1990. Interim Working Party 11/6, HDTV Events
between June and November 1987. — Doc. 11/164. 2 November 1987.
19. CCIR. Draft new Report. A Global Approch to HDTV. — Doc. 11/
245. 12 November 1987.
20. CCIR Study Group 11. Summary Record of the sixth meeting (6 October
1981). — Doc. 11/411. 7 October 1981.
21. ITU-R. Radiocommunication Study Group 11. Report by the Chairman.
(Period February 1993 to February 1994). — Doc. 11/223. 26 January
1994.
22. Красносельский И.Н. HD — DIVINE: Система ТВЧ для наземно-
го цифрового вещания // Электросвязь. 1994. № 4.
23. Wood D. Montreux Highlights the leadership of Prof. Krivocheev. —
EBU Technical Review. Summer 1997.
24. ITU-R Recommendation ВТ.798-1. Digital Television Terrestrial
Broadcasting in the VHF/UHF Bands. — ITU-R Recommendations,
Vol. 1997. — ВТ Series. Broadcasting Service (Television).
25. ITU-R Recommendation ВТ. 1206. Spectrum shaping limits for digital
terrestrial television broadcasting. — ITU-R Recommendations, Vol.
1997. — ВТ Series. Broadcasting Service (Television).
26. ITU-R Study Group 11: a distinguished history. — ITU News. —
2000. № 2.
27. Watters G.T., Barbieri G., Khleborodov V., Wood D. Comparative
evaluations of HDTV scanning standards. — EBU Review. — December
1990. № 244.
200
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
28. Кривошеев М.И., Хлебородов В.А. Историческое решение для ми-
рового телевидения, кинематографии и компьютерной индустрии //
Техника кино и телевидения. 1999. № 9.
29. Международные стандарты в ТВ вещании. Эра. — 2000. — № 7.
30. ITU-R. Co-Chairman, Working Party 6Р. Note concerning Document
6SCOM/32 for inclusion in the Chairman’s Report. — Doc. 6SCOM/35.
28 March 2001.
31. Co временем наперегонки. Беседа С.Л. Уразовой с М.И. Кривоше-
евым // Техника кино и телевидения. 2000. № 9.
32. CCIR. Report of the Chairman. — Doc. 11/122, 31 March 1992.
33. European Telecommunications Draft Standard prETS 300 421. Digital
Broadcasting Systems for Television, Sound and Data Services. Framing
Structure, Channel Coding and Modulation for 11/12 GHz Satellite
Services. August 1994.
34. Recommendation ITU-R BO. 1211 Digital Multi-programme Emission
Systems for Television, Sound and Data Services for Satellites operating
in the 11/12 GHz Frequency Range.
35. Recommendation ITU-R BO.1294 Common functional requirements
for the reception of digital multiprogramm television emissons by
satellites operating in the 11/12 GHz frequency range.
36. Recommendation ITU-R BO. 1408 Transmission system for advanced
multimedia services provided by integrated services digital broadcasting
in a broadcasting-satellite channel.
37. Address to ITU-R Joint Working Party 10-11S by Prof. Mark
Krivocheev, Chairman of Study Group 11 (Geneva, 19 May 1999).
Doc. 10-11S/INFO/4. 20 May 1999.
38. Working Party 6S. Draft new recommendation Digital multiprogramme
television systems for use by satellites operating in the 11/12 GHz
frequency range. Doc. 6/35. 21 September 2000.
39. Кривошеев М.И., Шамшин В.А. Направления развития переда-
ющей телевизионной сети // Электросвязь. 1974. № 1.
40. Зубарева Н., Кантор Л., Мамченков П., Поволоцкий И. Как
результаты ВКР-2000 повлияют на развитие российской радиове-
щательной службы // Broadcasting (телевидение и радиовещание).
2000. №№ 5,6.
41. Baron S.N., Krivocheev M.I. Digital image and audio
communications. Toward a global information infrastructure. — Van
Nostrand Reinhold. New York. NY. 1996.
42. ITU. Radiocommunication Study Group 11. Chairman‘s Report.
Broadcasting Service (Television). — ITU, Radiocommunication
Assembly, Geneva, 8-16 November 1993. — ITU-R. Doc.11/1001. 30
September 1993.
43. Krivocheev M.I. A Global Options for Enhanced Television. —
Список литературы
201
Address to IIU-R Workshop on Enhanced Television, Auckband, New
Zealand. 3-5 October. 1993.
44. ITU-R. Note by Prof. M. Krivocheev, Chairman of Study Group 11, to
Working Party 10A. Doc. 10A/INFO/1, 16 October 1998.
45. Кривошеев М.И. Новые системы цифрового вещания // «625».
1999. № 10.
46. Кривошеев М.И. Интерактивность в XXI веке. — Первый юби-
лейный международный Конгресс МАС’2001 "Инфокоммуникации
Глобального информационного общества XXI века. М.: апрель 2001.
47. Кривошеев М.И., Федунин В.Г. Интерактивное телевидение. —
М.: Радио и связь. 2000.
48. Ануфриев И.К., Соколов В.М., Быструшкин К.И. Интерак-
тивная информационная система нового поколения со средствами
мультимедиа на основе телевизоров/Тезисы докладов на Межгосу-
дарственном телефоруме стран-участников независимых государств
«Новому времени — новое телевидение». Москва, 18 — 23 августа
1998 г.
49. ITU-R. Chairman, Study Group 6. Summary Report of the meeting
of the Steering Committee of Study Group 6 (29 March 2001). —
Doc. 6/122. 30 March 2001.
50. Немцова C.P. Направление научно-практических исследований в
области экологии телерадиовещания /Информационный бюллетень
«Телерадиовещание». М.: АО ВНИИТР. 2000. № 2.
51. Абрамов В.А., Крапивина Е.Н., Мишенков С.Л. Экология те-
лерадиовещания /Семинар Московского НТОРЭС им. А.С. Попова.
Великие Луки, июль 2000 г.
52. ITU-R. Doc.11-3 TEMP 1, October 1994. — Chairman’s Opening
Remarks.
53. ITU-R. Doc.11-3/19, 14.09.1994. — Recommendation for Main
Elements of a Common Digital Terrestrial Television ITU-R Standard.
54. ITU-R Recommendation ВТ. 1299. The Basic Elements of a Worldwide
Family of Systems for Digital Terrestrial Television Broadcasting. —
ITU-R Recommendations. Vol. 1997. — ВТ Series. Broadcasting Service
(Television).
55. ITU-R Document 11/134-E. 31 May 4999. Working Party 11A. —
Revision to Recommendation ITU-R ВТ.709-3. — Parameter Values
for the HDTV Standards for Production and International Programme
Exchange.
56. Кривошеев М.И. Многоцелевая интерактивная система массового
информационного обслуживания // Вестник связи. 1999. № 2.
57. International Standard ISO/IEC 13818-1: 1996 (Е) // ITU-T
Recommendation H.222.0 (07/1995 E). Transmission of Non-Telephone
Signals. Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures
and Associated Audio Information: Systems.
202
6. Международная стандартизация систем цифрового телевидения
58. International Standard ISO/IEC 13818-2: 1995 (Е) // ITU-T
Recommendation H.262 (07/95). Transmission of Non-Telephone
Signals. — Information Technology — Generic Coding of Moving
Pictures and Associated Audio Information: Video.
59. International Standard ISO/IEC 13818-3: May 1994 // Information
Technology — Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio
Information: Audio.
60. ITU-R. Doc.llA/59-Е, 17.05.1999. Delayed contribution. (Japan). —
Proposed Draft new Recommendation. Channel Coding, Frame Structure
and Modulation Scheme for Terrestrial Integrated Services Digital
Broadcasting (ISDB-T).
61. ITU-R. Doc. 6E/50-E, 20.02.2001, (China). Terrestrial Digital
Multimedia/Television Broadcasting System Development in China.
62. ITU-T Recommendation X.200 (07/94). Information Technology —
Open Systems Interconnection — Basic Reference Model: The Basic
Model. — ITU-T Recommendations on CD-ROM. Geneva. September
1998.
63. ITU-R Recommendation ВТ.807. Reference model for data
broadcasting. — ITU-R Recommendations. Vol. 1997. — ВТ Series.
Broadcasting Service (Television).
64. Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник
// С.А.Аничкин, С.А.Белов, А.В.Бернштейн и др.// Под ред. И.А.Ми-
зина и А.П.Кулешова. М.: Радио и связь. 1990.
65. Золотов С. Протоколы Internet. СПб.: BHV — Санкт-Петербург.
1998.
66. Baron S., Wilson W.R. MPEG Overview // SMPTE Journal. June
1994.
67. Ely S.R. MPEG Video: A simple introduction. — EBU Review
(Technical), Winter 1995. №. 266.
68. Whitaker J. MPEG-2: A Closer Look. — Broadcast Engineering.
April 1997. Vol. 39. № 4.
69. ITU-R Recommendation ВТ. 1437. User Requirements for Coding for
Multi-Programme Transmission. — Doc. ll/BL/23. May 2000.
70. International Standard ISO/IEC 11172-3: November 1992 // Coding
of moving pictures and associated audio for digital storage media up
to about 1.5 Mbit/s — Audio Part.
71. ITU-R Recommendation'ВТ.1208-1. Video Coding for Digital
Terrestrial Television Broadcasting. — ITU-R Recommendations, Vol.
1997. — ВТ Series. Broadcasting Service (Television).
72. ITU-R. Doc.llA/135-Е, 19.06.2000. (Chairman, Working Party 11A).
— Report of the Meeting of Working Party 11 A. 7-9 February 2000.
73. ITU-R. Opening Address by the Chairman of Study Group 11. — Doc.
10-11S/TEMP/1, 15 January 1998; Doc. 10-11S/35. 30 January 1998.
Список литературы
203
74. Информация доступна на сайте Проекта DVB по адресу:
h ttp:/ / www. d vb. org/standards/worldadoption. html
75. Sinclair to demonstrate lack of digital television reception to Congress.
— Sinclair Broadcast Group, Inc. (SBG). News Release. 1 February
2000. — Hunt Valley. MD.
76. Кочуашвили К.З. Многоканальная система непосредственного спут-
никового телевизионного вещания «НТВ-Плюс»//Материалы Меж-
дународного конгресса HAT. Москва. 17—20 октября 2000,
TRBE‘2000. — М.: Прогресс технологий телерадиовещания. 2001.
77. Кривошеев М.И. Международная гармонизация стандартов циф-
рового ТВ-вещания. Наступление эры интерактивных технологий и
мультимедиа//Материалы Международного конгресса HAT. Моск-
ва. 17—20 октября 2000 г., TRBE‘2000. — М.: Прогресс техноло-
гий телерадиовещания. 2001.
78. ITU-R. Note of Member of Steering Committee, Honorary Chairman
of Study Group 6. Proposals to third meeting of the Steering Committee.
— Doc. 6SCOM/32. 26 March 2001.
79. Кантор Л. Россия вступает в эру цифрового спутникового телеви-
дения//Радио. 2000. №6.
7. Передача сервисной информации в системах
цифрового ТВ вещания
7.1. Основные определения сервисной информации
7.1.1. Место сервисной информации
Технология цифрового ТВ вещания — это использование структуры
транспортных пакетов MPEG-2 в качестве, так называемых, контейне-
ров данных. Каждый контейнер является оболочкой, в которую упако-
ваны данные различных источников. Транспортный поток системы
цифрового ТВ вещания обычно объединяет в себе несколько ТВ rfpo-
грамм и других дополнительных или вспомогательных служб, т.е вы-
полняет роль контейнера на физическом уровне. На приеме транспорт-
ный поток должен быть адекватно разделен на свои составляющие для
выдачи абоненту или для дополнительной обработки. При этом требует-
ся достаточно высокий уровень автоматизации декодера, поддерживаю-
щий работу по предварительно введенной программе без непосредствен-
ного вмешательства абонента. Для осуществления всех необходимых
операций по декодированию и выделению информации, а также для
информирования абонента о текущем режиме работы или о выборе
интересующих его служб используется передача специальной служеб-
ной информации, образующей канал управления системой вешания.
Эта специальная служебная информация играет роль заголовка кон-
тейнера данных.
В стандарте MPEG-2 ISO/IEC 13818-1 для целей управления заре-
зервированы специальные служебные данные, называемые специфи-
ческой информацией о программах (PSI) [1]. При разработке образцов
реальных систем цифрового ТВ вещания данные PSI были расширены
применительно к конкретно решаемым задачам. Сочетание данных PSI
и дополнительных служебных данных получило название сервисной
информации (SI). В стандартах DVB и ATSC подсистемы обработки
сервисной информации обозначаются DVB-SI и ATSC-SI соответствен-
но. Сразу заметим, что разница между синтаксисом (описанием) и фун-
кциями DVB-SI и ATSC-SI очень незначительна, основные различия
связаны с нумерацией идентификаторов и передачей дубликатов SI в
разных транспортных потоках, что в результате немного убыстряет
функционирование в системе ATSC [2].
Система сервисной информации DVB-SI может использоваться деко-
дером и пользователем для навигации по таблице предоставляемых
услуг. Ключевые данные, необходимые для автоматической самокон-
фигурации декодера, предоставляются MPEG-2 PSI. DVB-SI добавляет
информацию, позволяющую декодеру автоматически настраиваться на
конкретные службы и осуществлять группировку служб по категори-
ям, исходя из информации в расписании. Поскольку зритель в буду-
7.1. Основные определения сервисной информации
205
щем будет принимать на свой приемник-декодер сотни каналов, то ему
для навигации между новыми службами потребуется помощь в виде
электронного путеводителя по программам EPG. В DVB-SI приведены
технические атрибуты каждой службы, предоставляемой индивидуаль-
ным вещателем, а также информация о времени начала передачи, име-
ни провайдера службы и классификации событий (спорт, новости и
др.)-
Учитывая идентичность синтаксиса данных DVB-SI и ATSC-SI будем
рассматривать передачу сервисной информации применительно к сис-
теме DVB (здесь и далее используются обозначения, принятые в стан-
дарте MPEG-2 и являющиеся по сути синтаксическими конструкциями
языка Си).
7.1.2. Синтаксис потока битов
Каждая элементарная группа данных кодированного цифрового по-
тока описывается своим именем, своей длиной в битах и мнемоничес-
ким обозначением своего типа и порядка передачи.
Для описания различных типов данных, используемых в кодирован-
ном потоке битов, определена следующая мнемоника:
bslbf Строка битов, левый бит — первый, где "левый" соответствует порядку, в котором строки битов написаны в стандарте [3]. Строки битов написаны в виде цепочек цифр 1 и 0, заключенных в одинарные кавычки, например, 10000001. Пробелы в пределах цепочек цифр проставлены для простоты чтения и не имеют другого значения
uimsbf Целое число без знака, сначала старший значащий бит
rpchof Коэффициенты полинома ненулевых степеней, сначала самая высокая степень
Порядок следования байтов в многобайтовых словах: сначала стар-
ший значащий байт.
Численные значения констант в таблицах, представляющих сервис-
ную информацию, часто приводятся в шестнадцатеричном формате,
характерным признаком которого являются символы Ох в начале кон-
станты, например: 0x00000001, 0x34, OxOOEF и т.д.
Строки комментариев программы заключены между символами, /*
и */, например: /* комментарий */ . Фигурные скобки { } обозначают
соответственно начало и конец составного оператора или блока. Если
имена синтаксических конструкций состоят из нескольких слов, то пос-
ледние объединяются в непрерывную цепочку знаков с помощью сим-
волов подчеркивания, например, data_element.
Действие, вызываемое декодированным элементом данных, зависит
от значения этого элемента и значений элементов, декодированных ра-
нее.
Для выражения условий, когда элементы данных присутствуют и
соответствуют нормальному типу, используются приведенные ниже
конструкции, в которых в соответствии с синтаксисом языка Си пере-
206
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
менная или выражение, имеющее ненулевое значение, эквивалентны
условию, которое считается истинным.
while (условие)! dataelement Если условие истинно, то затем в потоке данных появится группа элементов данных. Это повторяется, пока условие остается истинным.
do{ data_element Элемент данных всегда появляется по крайней мере один раз. Он повторяется, пока условие не истинно.
while (условие)
if (условие)! Если условие истинно, то затем в потоке данных
dataelement } появится первая группа элементов данных.
else { data_element Если условие не истинно, то затем в потоке данных появится вторая группа элементов данных.
for (i = 0;i<n;i++){ data_element Группа элементов данных появляется п раз. Условная конструкция группы элементов данных может зависеть от значения переменной управления циклом /, которая обнуляется при первом появлении, увеличивается на 1 при втором появлении, и т.д.
data_element [ ] Массив данных, число элементов данных определяется контекстом.
data_element [n] n+1-й элемент массива данных.
data_element [m][n] ш+1, л+1 -и элемент двумерного массива данных.
data_element [l][m][n] /+1, л?4-1, л+1 -й элемент трехмерного массива данных.
data element [m..n] Замкнутый интервал битов между битом т и битом л в элементе данных data element.
Заметим, что группа элементов данных может содержать, вложен-
ные условные конструкции. Для компактности записи фигурные скоб-
ки {} опускаются, когда следует только один элемент данных.
Декодеры должны включить средства поиска кодов запуска и синх-
робайтов (транспортный поток), чтобы начать правильное декодирова-
ние и идентифицировать ошибки, стирания или вставки при декодиро-
вании. Методы идентификации этих ситуаций и предпринимаемые
действия не стандартизированы.
7.1. Основные определения сервисной информации
207
В синтаксисе элементов сервисной информации находят применение
следующие функции [4]:
bytealigned( ) — возвращает 1, если текущая позиция находится
на границе байта; т.е. следующий бит в потоке битов — это первый бит
в байте, иначе она возвращает 0;
nextbits( ) — разрешает сравнение цепочки битов со следующими
битами, которые будут декодированы в потоке битов;
next—start_code( ): следующий стартовый код — удаляет любой
нулевой бит и заполнение нулевыми байтами и определяет местополо-
жение следующего кода запуска; проверяет, является ли текущая по-
зиция выровненной по байтам: если нет, то присутствуют вставки би-
тов 0; после них перед стартовым кодом может присутствовать любое
число байтов 0, поэтому стартовые коды всегда выровнены по байтам и
им может предшествовать любое число вставленных битов 0. Синтак-
сис функции next start code приведен в табл. 7.1.
Таблица 7.1. Синтаксис функции next_start_code
Синтаксис Число битов Мнемоника
next_start_code( ) { while ( !bytealigned( ) ) zero_bit while (nextbits( )!=’00000000000000000000000Г) zero_byte 1 8 0 ’00000000’
7.1.3. Термины и определения
Анализ структуры и особенностей применения данных SI необходи-
мо предварить определением нескольких специфических терминов,
широко используемых в системах цифрового вещания для характерис-
тики процессов доставки информации пользователю [5, 6]. Соотноше-
ния между этими терминами иллюстрируются семантической схемой
доставки информации, показанной на рис. 7.1.
Система доставки — физическая среда, по которой передаются
один и/или большее число мультиплексов, например, спутнико-
вая система, широкополосный коаксиальный кабель, оптическое
волокно, наземный канал одного пункта излучения.
Сеть — совокупность мультиплексов транспортных потоков
MPEG-2, передаваемых с помощью единственной системы дос-
тавки, например, все цифровые каналы конкретной кабельной
системы.
208
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
Компоненты
Рис.7.1. Модель доставки служб в цифровом вещании
Мультиплекс — поток всех цифровых данных, переносящих одну
или большее число служб по одному физическому каналу сети
вещания.
Служба — последовательность программ под управлением веща-
теля, которая может передаваться как часть расписания про-
грамм.
Группа служб (букет) — совокупность служб, подаваемых как
единый информационный объект.
Компонент (элементарный поток) — один или большее число
информационных объектов, которые вместе составляют событие,
например, изображение, звук, телетекст.
Событие (номер в программе, программный элемент) — относя-
щаяся к обычной службе группировка передаваемых элементар-
7 1 Основные определения сервисном информации
209
них потоков данных с определенным временем начала и конца,
например, первая половина футбольного матча, выпуск новостей,
первая часть развлекательного шоу.
Программа — совокупность одного или большего числа собы-
тий под управлением вещателя, например, показ новостей, показ
развлечений.
Транспортный поток — структура данных, определяемая стан-
дартом ISO/IEC 13818-1 и являющаяся основой стандартов Про-
екта DVB.
Парциальный транспортный поток — поток битов, получен-
ный после изъятия из транспортного потока MPEG-2 тех транс-
портных пакетов, которые не относятся к какой-либо конкретно
выбранной программе или нескольким выбранным программам.
Пакет — структура данных, состоящая из заголовка и следую-
щих за ним смежных байтов, относящихся к элементарному по-
току данных. Уровень пакета — один из уровней в синтаксисе
системного кодирования.
Полезная нагрузка — байты пакета, следующие за байтами
заголовка пакета (поля адаптации не являются полезной нагруз-
кой).
Идентификатор пакета (PID) — неповторяемое целое значе-
ние, используемое для ассоциирования элементарных потоков
программы в одно- или многопрограммный транспортный по-
ток.
Вещатель (провайдер услуг) — организация, которая собирает
воедино последовательность событий или программ, подлежащих
доставке зрителю в соответствии с расписанием.
Секция — синтаксическая структура, используемая для отобра-
жения всей сервисной информации в пакеты транспортного по-
тока ISO/IEC 13818-1 [1].
Субтаблица — набор секций с одинаковыми значениями таб-
личного идентификатора tableid, расширения табличного иден-
тификатора tableidextension и номера версии version number.
Таблица — структура, образованная некоторым числом субтаб-
лиц sub table с одинаковыми значениями табличного идентифи-
катора table id.
Сервисная информация — цифровые данные, описывающие
систему доставки, содержание и расписание передаваемых пото-
ков данных и т.д. Она включает информацию PSI MPEG-2 вмес-
те с независимо определенными ее расширениями.
210
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
7.2. Таблицы сервисной информации
7.2.1. Определение таблиц сервисной информации
При передаче сигналов цифрового телевидения сервисная информа-
ция SI встраивается в каждый транспортный поток вещаемого мульти-
плекса в качестве независимого сигнала. Для того чтобы интерпрети-
ровать содержание транспортного потока, приемник-декодер должен, в
первую очередь, декодировать данные SI, содержащиеся в пакетах с
особым идентификатором PID. Широкий набор данных SI описывает
среду передачи, компоненты служб, соотношения между службами,
переносимыми конкретным транспортным потоком, а также между
службами остальных транспортных потоков сети.
Данные служебной информации PSI и SI организованы в виде ряда
таблиц. Каждая таблица содержит данные, относящиеся к определен-
ной функции, которая может потребоваться в приемнике для решения
поставленной задачи. Некоторые таблицы очень малы по объему, дру-
гие, напротив, могут иметь объем от нескольких килобайт до 2-3 Мбайт
[7].
Специфическая информация о программах PSI предоставляет ин-
формацию, требуемую для автоматического конфигурирования прием-
ника, декодирующего и демультиплексирующего различные потоки
программ в мультиплексе; она состоит из четырех таблиц:
РМТ (Program Map Table): таблица структуры программы —
содержит идентификаторы программ (PID) всех компонентов кон-
кретной программы: видео, аудио, ДИ. Таблица РМТ идентифи-
цирует и указывает местоположение потоков, которые составля-
ют каждую службу, и местоположение полей эталонных меток
времени программы конкретной службы.
PAT (Program Association Table): таблица взаимосвязи (ассоциа-
ции) программ — содержит идентификаторы программ (PID) таб-
лиц РМТ для всех программ, передаваемых в данном транспорт-
ном потоке. Для каждой службы в мультиплексе таблица РАТ
указывает местонахождение соответствующей таблицы РМТ (зна-
чения PID пакетов транспортного потока). Она также указывает
местонахождение таблицы сетевой информации (NIT).
CAT (Conditional Access Table): таблица ограниченного доступа
— содержит PID всех сообщений ограниченного доступа (ЕММ)
для платных программ. Таблица CAT предоставляет информа-
цию о системах ограниченного доступа (СОД), используемых в
мультиплексе. Информация — частная (т.е. не определенная в
существующем стандарте [6]) и зависящая от СОД, но включаю-
щая местоположение потока ЕММ, когда таковой существует.
NIT (Network Information Table): таблица сетевой информации
служит для предоставления информации о физической сети
(параметрах системы передачи данных): идентификаторе сети,
7.2. Таблицы сервисной информации
211
частоте, орбитальной позиции и пр. Группирует вместе службы,
относящиеся к специфическому поставщику сети. Содержит всю
информацию, которая может потребоваться для настройки IRD,
используется для сигнализации об изменениях в настроечной
информации.
В стандарте ISO/IEC 13818-1 [1] определено только местоположение
таблицы NIT, а ее синтаксис и семантика определяются Стандартом
EN 400 468 [6].
Дополнительная сервисная информации SI служит для описания тех-
нических атрибутов каждой из доступных служб, предоставляемых
индивидуальными вещателями. Она необходима для того, чтобы пользо-
ватель мог идентифицировать службы и события, переносимые раз-
личными мультиплексами по различным сетям. Данные SI структури-
рованы в десять таблиц (SDT, EIT, TDT, ВАТ, RST, ТОТ, ST, SIT, DIT,
TSDT):
SDT (Service Description Table): таблица описания службы — опи-
сывает различную дополнительную информацию, передаваемую
в транспортном потоке; содержит перечень названий служб, про-
вайдеров услуг и других параметров, ассоциированных с каждой
службой в конкретном мультиплексе стандарта MPEG-2;
EIT (Event Information Table): таблица информации о событиях
— содержит сведения обо всех событиях или программах в муль-
типлексе MPEG-2: наименование сюжета, время его начала, про-
должительность и пр. (как для текущего транспортного потока,
так и по опциям для других транспортных потоков, которые мо-
жет принять приемник IRD, т.е. для других типов обслужива-
ния);
TDT (Time and Date Table): таблица дат и времени — использует-
ся для передачи информации точного времени, включая текущее
время и дату, служит для подстройки внутреннего синхрогенера-
тора приемника-декод ера IRD. Данные TDT передаются в отдель-
ной таблице по причине частого обновления этой информации;
ТОТ (Time Offset Table): таблица смещения времени — несет
информацию, относящуюся к текущему времени и дате и к сме-
щению местного времени; данные ТОТ передаются в отдельной
таблице по причине частого обновления этой информации;
ВАТ (Bouquet Association Table): таблица группы служб — со-
держит информацию о группировке служб в одной программе,
т.е. одновременно декодируемых и выдаваемых пользователю;
сообщает название группы и предоставляет перечень служб в каж-
дой группе, (конкретная служба может принадлежать одной или
большему числу групп служб);
RST (Running Status Table): таблица текущего статуса — ее
секции используются для быстрого обновления текущего статуса
212
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
одного или нескольких событий (исполняется/не исполняется);
секции таблицы RST посылаются только однажды — в момент
изменения статуса события в отличие от других таблиц SI, кото-
рые обычно передаются с циклическим повторением; данные таб-
лицы RST позволяют автоматически переключаться между со-
бытиями;
ST (Stuffing Table): таблица байтов стаффинга — используется
для замены или отмены действия существующих секций (либо
субтаблиц, либо полных таблиц SI), в частности, граничных сек-
ций;
SIT (Selection Information Table): таблица выбираемой информа-
ции — используется только в "частичных", т.е. в записанных
потоках битов; она несет сводку об информации SI, требуемой
для описания потоков в частичном потоке битов;
DIT (Discontinuity Information Table): таблица неоднородности
информации — используется только в "частичных", т.е. в запи-
санных потоках битов; вводится в случае, когда информация SI
в частичном потоке битов может быть неоднородна;
TSDT (Transport Stream Description Table): таблица описания
транспортного потока,
7.2.2. Использование таблиц сервисной информации
Использование различных таблиц сервисной информации SI удобно
продемонстрировать на примере одного из возможных методов доступа
к потоку данных и его декодирования в приемнике, показанному на
рис. 7.2 [8]. Прием программы основывается на анализе следующих
четырех таблиц PSI:
РМТ — передает соотношения между элементарными потоками,
образующими программу, сведения об их атрибутах, а также иден-
тификатор пакета PID, в котором посылается информация;
NIT — передает сведения о канале, по которому посылается ин-
формация;
РАТ — указывает идентификаторы PID, используемые для пере-
дачи таблиц РМТ или NIT;
CAT — обеспечивает ограничение доступа к информации.
Декодер таблицы ассоциации программ РАТ идентифицирует иден-
тификаторы пакетов PID, содержащие сетевую информацию, и различ-
ные таблицы структуры программы РМТ.
Таблица РМТ конкретной программы идентифицирует PID, относя-
щиеся к пакетам сигналов изображения, звука и данных, опрашивая
их в соответствии со схемой последовательности операций, показанной
на рис. 7.2. В этом примере приведена схема объединения программ,
устанавливающая взаимосвязь различных компонентов, используя ба-
7.2. Таблицы сервисной информации
213
Рис.7.2. Структурная схема обработки данных в приемнике-декодере
214 7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
зовый номер программы и офсеты его значений для отдельных компо-
нентов.
7.3. Организация таблиц сервисной информации
7.3.1. Структура секций
В системе DVB каждая таблица должна быть сегментирована на одну
или несколько секций, которые вводятся в пакеты транспортного пото-
ка. Каждая таблица имеет заголовок и два (SDT, EIT) или три (NIT,
ВАТ) цикла, содержащие специфические для каждой таблицы деск-
рипторы. Номер каждой вновь посылаемой секции section number уве-
личивается на единицу. Для передачи номера секции таблицы
section_number отводится восьмибитовое поле, что позволяет использо-
вать максимально 256 секций. Длина секции для всех таблиц состав-
ляет 1021 байт за исключением секции таблицы EIT, длина которой
равна 4096 байт. Дескрипторы таблицы несут информацию, соответ-
ствующую их функциям. Каждая секция содержит заголовок, а также
частично или целиком поля циклической информации, отвечающей
содержанию таблицы [2].
Каждая таблица однозначно определяется комбинацией следующих
элементов, приведенных ниже.
table_id — определяет, к какой таблице принадлежит секция. Неко-
торые элементы tableid были определены ИСО, а остальные — ETSI.
Другие значения table id могут устанавливаться пользователем для час-
тных целей (список значений table id см. далее в п. 7.3.3, табл. 7.5).
table_id_extension — используется для идентификации субтаблицы
subtable.
section_number — позволяет декодеру заново собрать в первоначаль-
ном порядке секции конкретной субтаблицы sub table. Рекомендуется
передавать секции в порядке номеров, если только не является жела-
тельным передавать некоторые секции данного элемента чаще, чем
другие, например, по соображениям случайного доступа. Для таблиц
SI нумерация секций применяется к субтаблицам sub_table.
version_number — при изменении характеристик транспортного по-
тока, описанного в таблицах SI (например, новое начало событий, от-
личающийся состав элементарных потоков для данной службы), долж-
ны быть посланы новые данные SI, содержащие обновленную
информацию. О новой версии данных SI сообщается посылкой субтаб-
дицы sub table с теми же самыми идентификаторами, как и у предыду-
щей sub_table, содержащей нужные данные, но со следующим значени-
ем номера версии version number. Номер version number применяется
ко всем секциям субтаблиц sub table таблиц SI.
current_next_indicator — должна помечать каждую секцию, как дей-
ствующую в настоящий момент ("текущая"), или как вступающую в
7 3. Организация таблиц сервисной информации
215
Таблица 7.2. Поля секции таблицы РАТ
Поле Функция/Использование
tablejd 1 -байт: указывает характер таблицы. 0x00 указывает program_association_table
section_syntax_Jndicator 1 -бит: его значение для РАТ устанавливается равным 0x00
sectionjength 12-битов: длина program_association_table. Длина включает все байты,следующие за этим полем, в том числе CRC. Два старших значащих бита поля установ- лены в 00, предоставляя максимальное значение 1024
transport_stream_id 2-байта: может использоваться в качестве метки для выделения конкретного транспортного потока из всех доступных в сети. Его значение определяется пользователем
version_n umber 5-битов: номер версии всей таблицы РАТ — увеличивается каждый раз, если есть изменение в передаваемой таблице program_association_table
cu rre nt_n ext_i n d i cator 1-бит: 1 указывает, что таблица является действующей, 0 — что таблица будет использоваться в будущем
section_number 1 -байт: содержит номер данной секции в таблице program_association_table
last_section_number 1-байт: содержит номер section_number для последней секции в таблице program_association_table
действие в ближайшем будущем ("следующая"). Это позволяет пере-
дать будущую версию SI еще до изменения, давая декодеру возмож-
ность приготовиться к нему. Однако требования передавать следую-
щую версию секции заранее отсутствуют, но если такая передача
произошла, то следующей должна быть правильная версия этой сек-
ции.
В качестве примера приведем структуру секций двух важнейших
таблиц: взаимосвязи программ РАТ и структуры программы РМТ.
216
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
Структура секции взаимосвязи программ, служащей для передачи
таблицы РАТ, показана на рис. 7.3, а расшифровка полей РАТ — в
табл. 7.2.
Блок циклических данных (N_loop) имеет переменную длину и со-
держит N пар полей данных. В каждой паре первое содержит 16-байто-
вый номер программы (program number), а второе поле несет 13 бай-
тов сетевого (networkPID) или программного (programmapPID)
идентификаторов PID, необходимых для воспроизведения программы.
program_number — определяет программу, к которой применим иден-
тификатор program map PID. Если он установлен 0, то следует ссылка
на сетевой идентификатор network PID. Элемент program number ис-
пользуется как обозначение для канала вещания, который называется
программным каналом (термин "программный канал" характеризует
последовательность вещательных программ во времени; в случае много-
канальной системы по физическому каналу их передается несколько).
network_PID — определяет идентификаторы пакетов транспортного
потока, которые переносят таблицу сетевой информации.
program_map_PID — определяет идентификаторы пакетов транспор-
тного потока, которые переносят таблицу структуры программы (РМТ),
применимую для программы, указанной в поле program number.
Поле кода циклической проверки CRC 32, состоящее из 4 байт, слу-
жит для контроля ошибок во всей секции таблицы. Для циклической
проверки CRC используется генераторный полином
Х32+Х26+Х23+Х22+Х16+Х12+Хи+Х10+Х8+Х7+Х5+Х4+Х2+Х+1. (7.1)
Структура секции таблицы структуры программы РМТ показана на
рис. 7.4, а расшифровка полей РМТ — в табл. 7.3.
Рис.7.4. Структура секции таблицы РМТ
7.3. Организация таблиц сервисной информации
217
Таблица 7.3. Поля секции таблицы РМТ
Поле Функция/Использование
tablejd 1-байт: для секции таблицы РМТ его значение устанавливается в 0x02
s е cti о n_sy n tax_i n d i cato г 1-бит: его значение для РМТ устанавливается равным 0x01
sectionjength 12-битов: тот же самый, что и для РАТ
program_n umber 2-байта: определяет номер программы, к которой применим идентификатор program_map_PID
version_number 5-битов: тот же самый, что и для РАТ
cu rrent_n ext_i n d icator 1 -бит: тот же самый, что и для РАТ
section_number 1 -байт: он всегда установлен в 0x00
last_section_number 1 -байт: он всегда установлен в 0x00
PCR_PID 13-бит: определяет PID пакетов транспортного потока, который содержит приемлемое значение эталонных меток времени (PCR) программы, описываемой в поле programji umber
program JnfoJength определяет число байтов в дескрипторах программы, следующих непосредственно за этим полем
stream_type 1-байт: определяет тип элементарного потока или полезной нагрузки переносимых в составе пакетов с PID,значение которого описывается идентификатором элементарного потока elementary_PID. Значения этого поля специфицируются таблицей, например: 2 —для видео MPEG-2, а 4 —для аудио MPEG-2
elementary_PID 13-бит: определяет идентификатор PID транспортного потока, который несет взаимосвязанный элементарный поток или полезную нагрузку
ESJnfoJength 12-бит: определяет число байтов дескрипторов взаимосвязанного элементарного потока, следующего непосредственно за этим полем
CRC_32 4-байта: контролирует ошибки во всей секции таблицы РМТ
В транспортном потоке таблица структуры программы РМТ передает-
ся как полезная нагрузка потока битов с PID, равным program map PID,
как указано в табл. 7.3. Таблица РМТ включает дескрипторы как на
уровне службы, так и на уровне компонентов.
7.3.2. Отображение секций в пакеты транспортного потока
Между секциями и пакетами транспортного потока должно быть
устанавлено четкое соответствие. Секции могут начинаться в начале
полезной нагрузки пакета транспортного потока, но это не является
обязательным требованием, потому что начало первой секции в полез-
ной нагрузке транспортного пакета указывается в поле pointer field. В
218
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
транспортном пакете никогда не может быть более одного поля
pointer field, так как начало любой другой секции может быть иденти-
фицировано подсчетом длины первой и любых последующих секций,
поскольку используемый синтаксис не допускает никаких промежут-
ков между секциями в пределах пакета транспортного потока.
В пределах пакетов транспортного потока с любым единственным
значением PID одна секция заканчивается прежде, чем может быть
разрешен старт следующей, иначе было бы невозможно определить, к
какому заголовку секции относятся данные. Если секция заканчивает-
ся ранее конца транспортного пакета, но начинать другую секцию не-
удобно, то для заполнения пространства полезной нагрузки можно ис-
пользовать механизм стаффинга.
Стаффинг осуществляется заполнением каждого остающегося байта
транспортного пакета значением OxFF. Следовательно, значение OxFF
нельзя использовать табличным идентификатором table id. Если байт,
следующий непосредственно за последним байтом секции, принимает
значение OxFF, то вся оставшаяся часть транспортного пакета должна
быть заполнена байтами OxFF. Эти байты могут игнорироваться деко-
дером. Стаффинг может также быть выполнен с использованием меха-
низма поля адаптации adaptation field.
7.3.3. Кодирование полей идентификаторов PID и tableJd
В табл. 7.4 перечислены значения идентификатора программы PID,
которые должны использоваться для пакетов транспортного потока,
переносящих секции сервисной информации SI.
Таблица 7.4. Значения идентификаторов PID для потока информации SI
Таблица SI Значение PID
РАТ 0x0000
CAT 0x0001
TSDT 0x0002
Зарезервировано 0x0003 - OxOOOF
NIT,ST 0x0010
SDT,BAT,ST 0x0011
EIT.ST 0x0012
RST,ST 0x0013
TDT,TOT,ST 0x0014
Синхронизация сети 0x0015
Зарезервировано для использования в будущем 0x0016 - 0x001 D
DIT 0x001Е
SIT 0x001F
7.3. Организация таблиц сервисной информации
219
В табл. 7.5 перечислены значения идентификатора tableid, кото-
рые должны использоваться в таблицах сервисной информации.
Табл. 7.5. Значения идентификатора tablejd
Значение Описание
0x00 program_association_section
0x01 со n d i ti о n al_acce s s_s е cti о n
0x02 program_map_section
0x03 - 0x3F зарезервировано
0x40 network_information_section - actual_network
0x41 network_information_section - other_network
0x42 service_descri ption_section - actual_transport_stream
0x43 - 0x45 зарезервировано для использования в будущем
0x46 service_descri ption_section - other_transport_stream
0x47 - 0x49 зарезервировано для использования в будущем
0х4А bouquet_association_section
0x4В - 0x4D зарезервировано для использования в будущем
Ох4Е event_Jnformation_section - actual_transport_stream, present/following
Ox4F event_jnformation_section - other_transport_stream, present/following
0x50 - 0x5F event_information_section - actual_transport_stream,schedule
х60 - 0x6F event_jnformation_section - other_transport_stream,schedule
0x70 ti m e_date_secti о n
0x71 ru n n i n g_statu s_s e cti о n
0x72 stuffing_section
0x73 ti m e_off s e t_s e cti о n
0x74 - 0x7F зарезервировано для использования в будущем
0x80 - OxFE user_defined
OxFF зарезервировано
7.3.4. Частоты повторения и случайный доступ
В системах, где предусматривается случайный доступ, рекомендует-
ся несколько раз заново передавать секции SI даже в тех случаях, ког-
да изменений конфигурации не происходит.
Минимальный временной интервал между появлением последнего
байта текущей секции и первым байтом следующей переданной секции
с теми же самыми идентификаторами PID, table id и table_id_extension
и с тем же самым или отличающимся номером секции section number
должен быть равен 25 мс. Это ограничение применяется для транспор-
тных потоков с полной скоростью передачи данных до 100 Мбит/с.
220
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
Рекомендуется, чтобы максимальный интервал повторения таблиц
РАТ и РМТ составлял не более 100 мс, а таблиц TDT и ТОТ — не более
30 мс [9-11].
7.3.5. Скремблирование таблиц
За исключением таблицы EIT, переносящей информацию расписа-
ния, все остальные таблицы SI не должны подвергаться скремблирова-
нию. Если используется скремблирование пакетов транспортного пото-
ка, то может возникнуть необходимость использования стаффинга для
заполнения промежутка от конца секции до конца пакета так, чтобы
любые переходы между скремблированными и нескремблированными
данными происходили в границах пакета.
Для определения потоков с ограниченным доступом, которые управ-
ляют дескремблированием данных таблицы EIT, скремблированная
таблица расписания EIT должна быть идентифицирована в таблице
PSI. Значение OxFFFF идентификатора службы serviceid выделено для
идентификации скремблированной таблицы EIT. Секция структуры
программы для этой службы должна описывать таблицу EIT как част-
ный поток и должна включать один или большее число дескрипторов
ограниченного доступа CA descriptor, которые дают значения PID и по
опции могут выдать другие частные данные для идентифицирования
связанных с ними потоков с ограниченным доступом. Значение OxFFFF
идентификатора службы service id не должно использоваться для ка-
кой-либо другой службы.
7.4. Синтаксическое и семантическое описания таблиц
сервисной информации
Подробный анализ синтаксиса и семантики всех таблиц сервисной
информации предполагает рассмотрение чрезвычайно большого объе-
ма текстового материала, что в рамках данной книги не представляет-
ся возможным. Поэтому в качестве характерного примера рассмотрим
организацию секций таблицы сетевой информации NIT.
Таблица сетевой информации NIT отражает информацию, относя-
щуюся к физической организации мультиплексов и транспортных по-
токов, передаваемых по данной сети, а также характеристики собственно
сети. Синтаксис секции таблицы NIT представлен в табл. 7.6. Содер-
жание сервисной информации, концептуально относящейся к системе
доставки, характеризуется идентификатором сети networkid и иден-
тификатором исходной сети original network id. Сетевые идентифика-
торы network id служат уникальными кодами опознавания сетей, по-
этому за сетями закреплены их индивидуальные значения. Список
соответствия этих кодов сетям может быть найден в техническом отче-
те [12]. Идентификатор исходной сети originalnetworkid поддержи-
вает опознавание уникальной службы в транспортном потоке, даже если
он подвергался преобразованию в поток другой сети. Комбинация идеи-
7 4 Синтаксическое и семантическое описания таблиц сервисной информации
221
Таблица 7.6. Секция таблицы сетевой информации NIT
Синтаксис Число битов Иде нтификатор
n etwo гk_i n f о гm ati о n_s е cti о п () {
tablejd 8 uimsbf
section_syntax_mdicator 1 bslbf
reserved_future_use 1 bslbf
reserved 2 bslbf
sectionjength 12 uimsbf
networkjd 16 uimsbf
reserved 2 bslbf
version_number 5 uimsbf
current_next_indicator 1 bslbf
section_number 8 uimsbf
last_section_n umber 8 uimsbf
reserved_future_use 4 bslbf
network-descri ptorsjength 12 uimsbf
for(i=0;i<N;i++){
descri ptor()
reserved_future_use 4 bslbf
tran s po rt_stre am_l oo p_l e n gth 12 uimsbf
for(i=0;i<N;i++){
tran s po rt_stre am_i d 16 uimsbf
original_network_id 16 uimsbf
reserved Juture_use 4 bslbf
transport_descri ptorsjength 12 uimsbf
for(j=0;j<N;]++){
descri ptor()
CRC_32 32 rpchof
222 7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
тификаторов исходной сети original—network—id, транспортного потока
transport—stream—id и службы service_id позволяет единственным об-
разом идентифицировать каждый транспортный поток по следующей
логической цепочке: original—network—id/transport—streamid/service_id.
Таким образом, сетевой идентификатор network—id не входит в этот
путь опознавания.
При преобразовании службы, содержащейся в некотором транспор-
тном потоке, в поток другой сети меняется только идентификатор
network—id, а — original—network—id остается неизменным. В случае,
если таблица NIT передается в составе транспортного потока по сети,
для которой был изначально создан, то идентификаторы network—id и
original—network—id должны иметь одинаковое значение.
В качестве примера рассмотрим случай, когда две службы А и В,
которые порождены в двух различных системах доставки и по случайно-
сти имеют одинаковые идентификаторы service_id и transport—stream id,
перемещены в новую систему доставки.
После преобразования эти две службы размещаются в новой сети в
различных транспортных потоках X и У. Если бы эти две службы объе-
динялись в один и тот же транспортный поток, то было бы необходимо
изменить идентификацию служб, так как то же самое значение
service_id не может быть присвоено более чем одной службе в транс-
портном потоке, и только один original—network—id может быть ассо-
циирован с транспортным потоком. Характер изменения идентифика-
торов преобразуемых служб наглядно отображен на рис. 7.5 [13].
Сеть 12
Сеть 10 Служба А original_network_id 13 networkid 10 transport_stream_id 20 service_id 30 Сеть 11 Служба В original_network_id 11 network_id 11 1 1 > transport_stream_id 20 service id 30 Транспортный поток X Служба А original_network_id 13 network_id 12 transport_stream_id 20 serviceid 30 Транспортный поток Y Служба В original_network_id 11 ► network_id 12 transport_stream_id 20 service id 30
Рис. 7.5. Схема преобразования служб в новую систему доставки
7.4. Синтаксическое и семантическое описания таблиц сервисной информации
223
Интегрированному приемнику-декодеру IRD могут быть приданы фун-
кции сохранения информации NIT в энергонезависимой памяти, чтобы
минимизировать время доступа при переключении между каналами.
Также возможно передать таблицы NIT для других сетей как дополне-
ние таблицы для фактически используемой сети. Установление разли-
чий между таблицами NIT для фактической сети и для других сетей
достигается использованием различных значений табличного иденти-
фикатора table id (см. табл. 7.5).
Как было сказано выше, таблица NIT должна быть сегментирована
в секции сетевой информации network information section с использо-
ванием синтаксиса табл. 7.6. Любые секции, составляющие часть таб-
лицы NIT, должны передаваться в транспортных пакетах со значени-
ем идентификатора PID, равного 0x0010 (см. табл. 7.4). Любые секции
таблицы NIT, которые описывают фактическую сеть (т.е. сеть, частью
которой является транспортный поток, содержащий NIT), должны
иметь значение табличного идентификатора table id, равного 0x40 с
полем network id, значение которого устанавливается в соответствии с
данными, приведенными в [12]. Любые секции NIT, которые относятся
к другой сети, а не к фактической, должны принимать значение table id,
равное 0x41, а идентификатор network id должен иметь значение, вы-
деляемое другой сетью [12].
Ниже дана семантика элементов секции сетевой информации, син-
таксис которой приведен в табл. 7.6.
table_id: идентификатор таблицы (см. табл. 7.5).
sec tionsyntaxin dicat or: индикатор синтаксиса секции — поле дли-
ной 1 бит, которое должно быть установлено в 1.
section_length: длина секции — поле длиной 12 бит, первые два бита
которого должны быть установлены в 00. Оно определяет число байтов
секции, начинающихся сразу после поля section length и включая код
проверки CRC. Длина поля section length не должна превышать 1021
байт, чтобы секция целиком имела максимальную длину 1024 байта.
network_id: идентификатор сети — поле длиной 16 бит служит эти-
кеткой, чтобы идентифицировать систему доставки, о которой сообща-
ется в табл. 7.6 NIT, и отличить ее от любой другой системы доставки.
Присвоения значений этого поля могут быть найдены в [12].
version_number: номер версии — поле длиной 5 бит является номе-
ром версии субтаблицы sub table. Номер version number должен быть
увеличен на 1 всякий раз, когда происходит изменение в информации,
переносимой в рамках sub table. Когда он достигает значения 31, то цик-
лически сбрасывается в 0. Когда индикатор current next indicator уста-
новлен в 1, то номер version number должен быть таким же, как у приме-
няющейся в данный момент субтаблицы sub table, определенной
значениями идентификаторов table—id и network id. Когда индикатор
current next indicator установлен в 0, номер version number доложен
быть таким же, как у следующей применимой субтаблицы sub table,
определенной значениями идентификаторов table_id и network id.
224
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
current—next_indicator: индикатор текущий следующий — поле дли-
ной 1 бит, будучи установлено в 1, показывает, что sub table является
применимой в настоящее время, а будучи установлено в 0, — на то что
посланная sub table еще не является применимой и должна быть полу-
чена следующая, которая будет иметь законную силу.
section_number: номер секции — поле длиной 8 бит сообщает номер
секции. Номер первой секции в sub table должен иметь значение 0x00.
Номер section number должен быть увеличен на 1 для каждой допол-
нительной секции с теми же самыми идентификаторами table id и
network id.
last—section_number: номер последней секции — поле длиной 8 бит
определяет номер последней секции (т.е. секции с самым высоким зна-
чением section number) субтаблицы sub table, частью которой являет-
ся эта секция.
network—descriptors—length: длина сетевых дескрипторов — поле дли-
ной 12 бит задает полную длину в байтах следующих сетевых дескрип-
торов.
transport—stream_loop_length — поле длиной 12 бит, определяет в
байтах полную длину циклов транспортного потока, которые следуют
за ним, мгновенно заканчиваясь перед первым байтом кода проверки
CRC-32.
transport—stream_id: идентификатор транспортного потока — поле
длиной 16 бит служит этикеткой для того, чтобы идентифицировать и
отличить данный транспортный поток от любого другого мультиплек-
са в системе доставки.
original—network—id: идентификатор исходной сети — поле длиной
16 бит служит этикеткой идентификатора network_id первоначальной
системы доставки.
transport—descriptors—length — поле длиной 12 бит определяет в
байтах полную длину следующих за ним дескрипторов транспортного
потока.
CRC_32 — поле длиной 32 бита содержит значение кода циклической
проверки на четность CRC, который после обработки полной секции
сбрасывает в 0 регистры в декодере.
7.5. Дескрипторы
7.5.1. Общие сведения
При описании сервисной информации широко используются синтак-
сические конструкции данных SI, называемые дескрипторами. В таб-
лицах SI обычно приводятся значения тегов (признак, метка) дескрип-
торов. Некоторые дескрипторы фигурируют только в какой-либо одной
секции, другие могут присутствовать в секциях нескольких разных таб-
лиц, но во всех случаях значения тегов дескрипторов остаются неиз-
7 5 Дескрипторы
225
менными. В качестве примера в табл. 7.7 выборочно приведены неко-
торые дескрипторы и указано их местоположение.
Таблица 7.7. Значения и местоположение дескрипторов
Дескриптор Значение тега Местоположение
NIT BAT SDT EIT TOT PMT
network_name_descri ptor 0x40 * - - - - -
service_list_descri ptor 0x41 * * - - - -
stuffing_descri ptor 0x42 * * * * - -
sate 11 ite_de 1 i ve ry_syste m_descri pto r 0x43 * - - - - -
cable_delivery_system_descri ptor 0x44 * - - - - -
country_availability_descri ptor 0x49 - * * - - -
stream_identifier_descri ptor 0x52 - - - - - *
local_time_offset_descn ptor 0x58 - - - - ★ -
terrestrial_del ivery_system_descri ptor 0x5A * - - - - -
Для дескрипторов применяется следующая семантика:
descriptor_tag: тег дескриптора — 8-битовое поле, идентифицирую-
щее каждый дескриптор. Значения тегов устанавливаются стандартом
MPEG-2 [1], некоторые из них приведены в табл. 7.7;
descriptor_length: длина дескриптора — 8-битовое поле, определяю-
щее полное число байтов блока данных дескриптора, следующего за
байтом, описывающим значение этого поля.
Появление в синтаксисе секции конструкции типа "descriptor ()" оз-
начает, что в данном месте должно появиться некоторое число деск-
рипторов.
Приведем для примера сведения о дескрипторах таблицы сетевой
информации NIT, кабельной системы распределения сигналов цифро-
вого телевидения и транспортного потока.
7.5.2. Дескрипторы таблицы сетевой информации NIT
Приведенная в табл. 7.6 секция таблиц^ NIT может быть представ-
лена в виде следующей обобщенной синтаксической конструкции:
226
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
/* header ....*/
for i = 0; i < N; i++ { /* 1st descriptor loop */
descriptor()
for ( i = 0; i < N; i++) {
/* loop over Transport Streams */
transport_stream_id
original network id
for ( j = 0; Ij < M; j++) { /* 2nd descriptor loop */
descriptor()
/* CRC etc. */
Итак структура содержит несколько циклов, помеченных коммен-
тариями: 1 й дескрипторный цикл (1st descriptor loop), цикл, описыва-
ющий транспортные потоки (loop over Transport Streams), 2-й дескрип-
торный цикл (2st descriptor loop).
В первом дескрипторном цикле таблицы NIT можно использо-
вать следующие дескрипторы, определенные только для целей сервис-
ной информации.
Дескриптор установления связи используется для взаимосвязи с дру-
гими службами или транспортными потоками. Его появление в этом
цикле обеспечивает связь со службой, которая придана оператору сети.
Этот дескриптор может многократно присутствовать в цикле, указы-
вая на различные программы. Передача этого дескриптора не являет-
ся обязательной. Смысл этого дескриптора зависит от значения эле-
мента linkage type. При
0x01 — относится к службе, которая содержит информацию от-
носительно сети;
0x02 — относится к сетевому электронному путеводителю по про-
граммам (EPG);
0x04 — относится к транспортному потоку, который несет все-
объемлющую сервисную информацию, т.е. сервисную информа-
цию, доступную во всех других транспортных потоках сети.
Многоязыковый дескриптор названия сети — может использовать-
ся для передачи названия сети на одном или большем числе языков.
Он может быть включен в дескрипторный цикл только один раз. При-
менение этого дескриптора не является обязательным.
Дескриптор названия сети — используется для передачи названия
физической сети, например, "ASTRA", "EUTELSAT" и т.д. Этот деск-
риптор должен использоваться только один раз в любой субтаблице
сетевой информации NIT.
Во втором дескрипторном цикле таблицы NIT могут использо-
ваться следующие дескрипторы, определенные только для целей сер-
висной информации.
Дескрипторы системы доставки (delivery system descriptors) — опреде-
лены в настоящий момент для спутниковой, кабельной и наземной сетей
7.5. Дескрипторы
227
satellitedeliverysystemdescriptor,
cabledeliverysystemdescriptor,
terrestrialdeliverysystemdescriptor.
Дескрипторы для других систем доставки могут быть определены в
будущем. Дескрипторы системы доставки используются для передачи
физических параметров каждого транспортного потока сети. В каждом
цикле должен появляться один и только один дескриптор системы дос-
тавки. Приемник-декод ер IRD должен быть способен правильно интер-
претировать дескриптор системы доставки, чтобы быстро настроиться
на требуемый транспортный поток.
Дескриптор списка служб используется для перечисления служб
и типов служб каждого транспортного потока. Службы, внесенные в
список, идентифицируются элементом service id (эквивалент элемен-
та program number в стандарте MPEG-2). Идентификаторы
transport stream id и originalnetworkid, которые необходимы для
идентификации службы DVB один раз, даются в начале дескрипторно-
го цикла. Применение дескриптора списка служб допускается только
раз в каждом цикле. Передача этого дескриптора необязательна, но
если он существует, то список служб должен быть полным.
Дескриптор списка частот — служит для перечисления дополнитель-
ных частот, используемых для передачи мультиплекса на других час-
тотах. Применение дескриптора списка частот допускается только раз
в каждом цикле, для которого определен дескриптор системы достав-
ки. Передача этого дескриптора необязательна, но если он присутству-
ет, то список частот должен быть полным.
7.5.3. Дескриптор кабельной системы доставки
Синтаксис дескриптора кабельной системы доставки приведен в
табл. 7.8.
Таблица 7.8. Дескриптор кабельной системы доставки
Синтаксис Число битов Идентификатор
cable_delivery_system_descri ptor() { descri ptor_tag 8 uimsbf
descri ptorjength 8 uimsbf
frequency 32 bslbf
reserved_future_use 12 bslbf
FEC_outer 4 bslbf
modulation 8 bslbf
symbol_rate 28 bslbf
FECJnner 4 bslbf
}
228
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
Приведем семантику дескриптора кабельной системы доставки:
frequency: частота — поле длиной 32 бита, в котором помещаются 8
знаков значения частоты, выраженные в 4-битовом двоично-десятич-
ном коде. Для дескриптора кабельной системы доставки значение час-
тоты кодируется в мегагерцах, при этом десятичная запятая распола-
гается после четвертого знака (например, 0312,0000 МГц).
FEC_outer: внешний код защиты от ошибок — поле длиной 4 бита,
несущее сведения о внешней системе кодирования с прямым исправле-
нием ошибок. Значения поля FEC outer необходимо выбирать в соот-
ветствии с табл. 7.9.
Таблица 7.9. Внешняя схема кодозащиты
Поле FEC_oiiter Номера разрядов: 3210 Описание
0000 не определено
000.1 внешнее кодирование отсутствует
0010 код RS(204,188)
от 0011 до 1111 зарезервировано на будущее
modulation: модуляция — поле длиной 8 бит, определяющее в соот-
ветствии с табл. 7.10 схему модуляции, используемую в кабельной сис-
теме доставки.
Таблица 7.10. Схема модуляции в кабельной системе
Значение поля "modulation” Описание
0x00 не определено
0x01 16-QAM
0x02 32-QAM
0x03 64-QAM
0x04 128-QAM
0x05 256-QAM
от 0x06 до OxFF зарезервировано на будущее
symbol—rate: скорость символов — поле длиной 28 бит, в котором
помещаются 7 знаков значения скорости в Мсимволах/с, выраженные
в 4-битовом двоично-десятичном коде, в котором десятичная запятая
располагается после третьего знака (например, 027,4500 Мсимвол с).
FEC—inner: внутренний код защиты от ошибок — поле длиной 4 бита,
несущее сведения о внутренней системе кодирования с прямым исправ-
лением ошибок. Значения поля FECinner необходимо выбирать в со-
ответствии с табл. 7.11.
7.6. Особенности использования сервисной информации...
229
Таблица 7.11. Внутренняя схема кодозащиты
Поле "FEC_outer" Номера разрядов: 3210 Описание
0000 не определено
0001 сверточный код со скоростью 1/2
0010 сверточный код со скоростью 2/3
0011 сверточный код со скоростью 3/4
0100 сверточный код со скоростью 5/6
0101 сверточный код со скоростью 7/8
1111 без сверточного кодирования
от 0111 до 1110 зарезервировано на будущее
7.6. Особенности использования сервисной информации в
стандартных системах цифрового ТВ вещания
7.6.1. Ограничения при использовании таблиц сервисной информации
Методы и протоколы транспортировки данных в системах ATSC и
DVB являются совместимыми вариантами стандарта MPEG-2. Обе сис-
темы основаны на передаче транспортного потока с пакетами постоян-
ной длины 188 байтов. В обеих системах применяют некоторые расши-
рения и ограничения в использовании таблиц сервисной информации,
учитывающие требования стандарта MPEG-2.
В системе ATSC компоненты объединяемых телевизионных программ
имеют ограничения, рассмотренные ниже:
В таблицах PSI транспортного потока битов приведены лишь
программы, соответствующие индивидуальным значениям
PMTPID. Транспортный поток битов содержит таблицу струк-
туры программ РМТ и не используется для передачи таблиц PSI
другого типа. Каждая таблица PSI идентифицируется различны-
ми табличными идентификаторами table id.
Максимальный временной интервал в передаче таблицы РМТ, со-
держащий информацию телевизионной программы, равен 400 мс.
Номера программ привязаны к соответствующим элементам
PMT PID в таблице ассоциации программ РАТ с идентификато-
ром PID=0. Максимальный промежуток между нулевыми секци-
ями таблицы РАТ равен 100 мс.
Секция элементарного потока изображения содержит дескрип-
тор разделения потока данных, а поле alignment ttype имеет зна-
чение 0x02.
Заголовки адаптации вводятся в транспортные пакеты для реше-
230
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
ния задач сигнализации с использованием поля discontinuityindicator,
которое может прерывать поле versionnnmber.
В системе DVB используются ограничения информации PSL
Каждая секция таблицы взаимосвязи программ РАТ и таблицы
структуры программы РМТ должна передаваться по крайней мере
раз каждые 100 мс.
Таблица сетевой информации (NIT) вводится в транспортные па-
кеты со значением идентификатора PID 0x0010. Каждая секция
таблицы NIT должна передаваться по крайней мере один раз каж-
дые 10 с с минимальным интервалом времени 25 мс между после-
дним байтом данной секции и первым байтом следующей переда-
ваемой секции.
Таблицы PSI передаются в соответствующем потоке битов после-
довательно без промежутка между отдельными таблицами. Так как
таблицы не обязательно должны начинаться в начале транспорт-
ного пакета, то индикация их местоположения обеспечивается с
помощью поля pointer field. Последнее присутствует в пакете, если
в нем начинается таблица PSI. Данный случай сигнализируется на
уровне звена установкой флага payloadunitstartindicator в со-
стояние 1. Поле pointer field указывает число байтов, которые
следуют за ним перед началом таблицы PSI. Значение поля
pointer field, равное 0x00, указывает, что новая таблица PSI пос-
ледует за ним непосредственно.
Таблица взаимосвязи программ РАТ передается как полезная заг-
рузка битового потока с PID=0. Таблица РАТ обеспечивает соот-
ветствие между номером программы и значениями идентифика-
торов PID в пакетах транспортного потока битов, содержащих
описание программы в таблицах РМТ.
7.6.2. Гармонизация стандарта MPEG-2
В результате анализа МСЭ-Р было признано, что методы транспор-
тировки системной информации в цифровом наземном телевизионном
вещании в общемировом масштабе будут варьироваться из-за разли-
чия функциональных требований в разных странах. Возможность об-
мена программами из различных источников всегда будет желатель-
ной и предъявляющей особые требования на транспортном уровне.
Гармонизация разновидностей стандарта MPEG упрощает такой обмен
и облегчает сопряжение аппаратуры. Гармонизация включает [14]:
резервирование в каждом стандарте определенных значений PID
для частных пользователей;
совместимость при присвоении значений table id;
совместимость при присвоении значений descriptor tag;
7.6. Особенности использования сервисной информации... 231
совместимость при присвоении значений stream type;
совместимые правила пользования дескрипторами, определяемы-
ми стандартом MPEG;
единый, общий идентификатор программ.
7.6.3. Дескриптор регистрации транспортного потока
Зарезервированное ранее в стандарте MPEG-2 значение идентифика-
тора table id 0x03 было в дальнейшем использовано при определении
секции, описывающей транспортный поток TS_description_section, для
целей передачи соответствующих дескрипторов со значением PID 0x0002.
Транспортный поток может нести сервисную информацию SI как в стан-
дарте ATSC (Система А), так и в стандарте DVB (Система В). Имеющие
различия можно отметить введением секции TS description section в PID
со значением 0x0002, которая должна нести дескриптор регистрации
registration descriptor стандарта MPEG-2 с форматом, приведенным в
табл. 7.12 [16].
Таблица 7.12. Синтаксис дескриптора регистрации МСЭ-Р
Синтаксис Число бит Мнемоника Значение
ITU-R_registration_descri ptor(){
descri ptor_tag 8 uimsbf 0x05
descri ptorjength 8 uimsbf 0x0A
format-identifier 32 uimsbf
recommendation_number 32 uimsbf
System_A_SI_present 1 bslbf
System_B_SI_present 1 bslbf
reserved 14 bslbf
Приведем семантику элементов дескриптора регистрации
registrationdescriptor.
descriptor_tag: тег дескриптора — 8-битовое поле, указывающее тип
дескриптора. Значение registration descriptor равно 0x05.
descriptor_length: длина дескриптора — 8-битовое число, обозначаю-
щее подсчитанное число битов, следующих непосредственно за полем
descriptor length. Для данного примера это значение равно 0x0А или
10 байтам.
format identifier: идентификатор формата — 32-битовое число, од-
нозначно определяющее организацию по стандартизации, представив-
шую дескриптор [15].
232
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
recommendation_number: номер рекомендации — 32-битовое поле, ас-
социирующее транспортный поток с номером Рекомендации ВТ. 1209-1
МСЭ-Р.
System_A_SI_present: представлена SI Системы А — двоичный флаг,
который, будучи установлен, обозначает, что транспортный поток пе-
редает сервисную информацию в соответствии со спецификацией сис-
темы ATSC (МСЭ-Р, Система А). Если флаг сброшен, то сервисная ин-
формация Системы А отсутствует.
SystemBSIpresent: представлена SI Системы В — двоичный флаг,
который, будучи установлен, обозначает что транспортный поток пере-
дает системную информацию в соответствии со спецификацией систе-
мы DVB (МСЭ-Р, Система В). Если флаг сброшен, то сервисная инфор-
мация Системы В отсутствует.
В системе ATSC дескриптор используют для идентификации содер-
жания программ и элементарных потоков в декодирующей аппарату-
ре. Система DVB допускает возможность применения дескриптора ре-
гистрации для идентификации содержания программ и элементарных
потоков в декодирующем устройстве, но не требует использования дес-
криптора в приемнике.
Программы, сформированные в соответствии со стандартом ATSC,
идентифицируются с помощью 32-битового идентификатора в РМТ со
значением 0x47413934. Звуковые элементарные потоки, сформирован-
ные согласно стандарту ATSC, идентифицируются с помощью 32-бито-
вого идентификатора в РМТ со значением 0x41431D33.
В системах ATSC и DVB синтаксис пакетированного элементарного
потока (PES) используется для упаковки информации элементарных
потоков звука и изображения. Синтаксис PES используется в целях
передачи информации меток времени отображения (PTS) и декодирова-
ния (DTS), требуемых для синхронного декодирования звуковой и ви-
деоинформации .
В заголовке PES-пакета имеются следующие ограничения:
В системе ATSC:
PESscramblingcontrol кодируется как 00,
ESCRflag кодируется как 0,
ES_rate_flag кодируется как 0,
PESCRCflag кодируется как 0;
в системе DVB в вещательном потоке битов не передаются следую-
щие поля характера режима:
• tricksmodecon t rol,
• fieldid,
• intraslicerefresh,
• frequency_tr uncation,
7 6 Особенности использования сервисной информации...
233
• field rep cntrl;
в расширениях PES-пакета в стандарте ATSC:
PES_private_data flag кодируется как О,
pack header field _flag кодируется как О,
program packet sequence counter flag кодируется как О,
P STD buffer flag кодируется как 0.
7.6.4. Резервирование значений элементов сервисной информации
В системах ATSC и DVB резервируются определенные значения эле-
ментов descriptor tag и tableid, и использование этих значений гармо-
низировано в МСЭ-Р [16]. Применение зарезервированных значений
тегов дескрипторов descriptor tag приведено в табл. 7.13, а идентифи-
катора table id — в табл. 7.14.
Таблица 7.13. Резервирование значений descri ptor_tag
Значение descriptor_tag Применение
0x00—0x01 резервируются согласно ISO/IEC 13818-1
0x02—0x12 используются согласно ISO/IEC 13818-1
0x13—0x3F резервируются согласно ISO/IEC 13818-1
0x40—0x61 используются в системе DVB Примечание: в системе DVB определяются следующие специфические теги: 0x51 - mosaic_descriptor 0x52 - stream_identifier_descri ptor 0x56 - teletext_descri ptor 0x59 - subtitling_desen ptor 0x60 - service_move_descri ptor
0x62—0x7F резервируются в системе DVB
0x80—OxAF используются в системе ATSC. Примечание: в системе ATSC определяются следующие специфические теги: 0x81 -АС-3 audio_stream_descri ptor_tag
OxBO—OxFE определяется пользователем
OxFF запрещено стандартом ISO/IEC 13818
Кроме того, в целях обеспечения гармонизации транспортировки
должны быть зарезервированы определенные значения PID в последо-
вательности для "частных пользователей". Зарезервированные значе-
ния PID приведены в табл. 7.15.
234
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
Таблица 7.14. Резервирование значений tablejd
Значение tablejd Применение
0x00—0x02 используются согласно ISO/IEC 13818-1
0x03—0x3 F резервируются согласно ISO/IEC 13818-1
0x40—0x73 используются в системе DVB
0x74—0x7F резервируются в системе DVB
0x80—0x8 F резервируются в системе DVB
0x90—OxBF резервируются для частных таблиц пользователей
OxCO—OxFE используются в системе ATSC
OxFF резервируются согласно ISO/IEC 13818-1 для функции заполнения пакета (нулевой пакет)
Таблица 7.15. Резервирование значений PID
Значение PID Применение
0x0000—OxOOOF резервируются согласно ISO/IEC 13818-1 (MPEG)
0x0010—0x001 F резервируются для транспортировки сервисной информации DVB Примечание: ATSC позволяет использовать эти значения PID для таблицы РМТ и компонентов (элементарных потоков). Применение этого ограничения к требованиям спецификации на систему ATSC означает,что программный номер 1 не может быть использован; допустимый диапазон программных номеров составляет от 2 до 255
0x0020-0x1 FFB разрешены для локализации пользователей
0x1FFC резервируется для транспортировки системной информации в системе ATSC
0x1FFD резервируется для транспортировки главного электронного путеводителя по программам (Master EPG) в системе ATSC
0x1FFE разрешено для локализации пользователей
0x1FFF резервируется согласно ISO/IEC 13818-1 (MPEG)
7.6.5. Совместимость при присвоении значений типа потока
Поле типа потока stream type в таблице РМТ служит для указания
типа программного элемента, передаваемого в пакетах, идентифициру-
емых в соответствующем поле elementary PID. Значения, присвоенные
МСЭ-Р типам потока, приведены в табл. 7.16.
Список литературы
235
Таблица 7.16. Значения поля stream_type
Значение stream_type Применение
0x00—0x7F зарезервированы согласно ISO/IEC 13818-1 (MPEG)
0x80—OxAF зарезервированы для системы ATSC и расширений данного стандарта
OxBO—OxBF зарезервированы для сервисной информации системы DVB и расширений данного стандарта
OxCO—OxFF выделены для пользовательских частных типов потока
7.6.6. Гибкость транспортировки
Описанные методы организации сервисной информации в системах
цифрового ТВ вещания используются в субсистеме мультиплексирова-
ния и транспортировки информационных сигналов. Эта субсистема
принимает кодированные элементарные потоки битов, представляю-
щие собой видеоданные, аудиоданные и дополнительные данные, пре-
образует их в фиксированные пакеты стандартной структуры, присва-
ивает каждому пакету соответствующий код идентификации и
объединяет пакеты в общий транспортный поток. Эти процессы явля-
ются гибкими и расширяемыми, поэтому служат основой построения
многофункциональной цифровой системы передачи и вещания. Конк-
ретные особенности использования сервисной информации будут рас-
сматриваться в следующих главах.
Список литературы
1. International Standard ISO/IEC 13818-1: 1996 (Е) // ITU-T
Recommendation H.222.0 (07/1995 E). Transmission of Non-
Telephone Signals. Information Technology — Generic Coding of
Moving Pictures and Associated Audio Information: Systems.
2. Mlynarczyk C. Using SI Tables to Create Electronic Program
Guides. Hewlett Packard Application Note, 08 September 1997.
3. ATSC Digital Television Standard. — ATSC Doc.A/53. March 2000.
4. ITU-R. Doc.ll-3/27-Е, 15.03.1996. (USA). — Guide to the use of
the ATSC Digital Television Standard.
5. DVB Document A038. Specification for Service Information (SI) in
Digital Video Broadcasting (DVB) Systems. — DVB Project Office.
March 1998.
6. European Standard (Telecommunications series) EN 300 468 VI.3.1
(1998-02). — Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for
Service Information (SI) in DVB systems. — EBU/CENELEC/ETSI
JTC.
236
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ вещания
7. Hibbert С., Tooms М. A Centrally Based Service Information (SI)
System for UK Digital Terrestrial Television. — IBC’98.
International Broadcasting Convention, Amsterdam, the Netherlands,
11 — 15 September 1998. Conference Publication Papers.
8. ITU-R Recommendation ВТ.1207-1. Data Access Methods for Digital
Television Broadcasting. ITU-R Recommendations, — ВТ Series.
Broadcasting Service (Television).
9. ITU-R. Doc.ll-3/47-Е, 29.08.1996. (EBU). — Digital Video
Broadcasting (DVB); Implementation Guidelines for the Use of
MPEG-2 Systems, Video and Audio in Satellite and Cable
Broadcasting Applications.
10. ETSI Technical Report ETR 154 (September 1997), Third Edition.
— Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation Guidelines
for the use of MPEG-2 Systems, Video and Audio in Satellite, Cable
and Terrestrial Broadcasting Applications. — EBU/CENELEC/ETSI
JTC.
11. DVB Document A005 Rev.l. — Guidelines on Implementation and
Usage of Service Information. — DVB Project Office. March 1998.
12. ETSI Technical Report ETR 162 (October 1995). — Digital
broadcasting systems for television, sound and data services;
Allocation of Service Information (SI) codes for Digital Video
Broadcasting (DVB) systems. — EBU/ETSI JTC.
13. ETSI Technical Report ETR 211 (August 1997). Second Edition. —
Digital Video Broadcasting (DVB); Guidelines on implementation
and usage of Service Information (SI). — EBU/ETSI JTC.
14. ITU-R. Doc.ll-3/48-Е, 2.09.1996. (Special Rapporteur — TG11/3
DG2). — Progress Report on Service Multiplex and Transport.
15. ITU-R Recommendation BT.1209-1. Service Multiplex Methods for Digital
Terrestrial Television Broadcasting. — ITU-R Recommendations, — ВТ
Series. Broadcasting Service (Television).
16. ITU-R Recommendation ВТ.1300-1. Service Multiplex, Transport,
and Identification Methods for Digital Terrestrial Television
Broadcasting. — ITU-R Recommendations on CD-ROM. March 2001.
— ВТ Series. Broadcasting Service (Television).
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых
потоков в системах ТВ вещания
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
8.1.1. Уровни мультиплексирования
Системы цифрового ТВ вещания, соответствующие различным между-
народным стандартам, отличаются в основном уровнем адаптации к сети.
На транспортном уровне механизмы обработки данных в известных сис-
темах практически совпадают, поскольку все они основаны на алгорит-
мах мультиплексирования и передачи служебной информации, описан-
ных в стандарте MPEG-2. Транспортный уровень очень важен, так как
создает универсальную многоцелевую систему, и его жесткая регламента-
ция позволяет разрабатывать совместимые абонентские приставки, ис-
пользовать в различных системах общие алгоритмы восстановления и
представления информации. Субсистема мультиплексирования и транс-
портировки принимает цифровые потоки, представляющие данные изоб-
ражения, звуковые данные, дополнительные и служебные данные, фор-
мирует их в управляемые пакеты, обеспечивает механизм индикации
начала пакета (синхронизация), назначает каждому пакету соответству-
ющий код идентификации (заголовок) и объединяет (мультиплексирует)
пакеты в общий транспортный поток данных. Субсистема мультиплекси-
рования и транспортировки является основой цифровой системы связи.
Рассмотрим более подробно процессы мультиплексирования и пакетиро-
вания данных, характерные для транспортного уровня.
Групповой сигнал в системе цифрового телевидения формируется
мультиплексированием потоков битов различных компонентов: видео-
и аудиоданных и управления (сервисной информации). Процесс муль-
типлексирования в системе может быть представлен как комбинация
мультиплексирования на двух различных уровнях — программном и
системном [1]. Аналоговые сигналы вещательных служб сначала коди-
руются со сжатием данных в непрерывные, так называемые элементар-
ные потоки битов (Elementary Stream, ES), которые могут иметь фикси-
рованную или переменную скорость передачи данных. Далее существуют
две возможности мультиплексирования: формирование программного по-
тока (Program Stream, PS) с длинными пакетами переменной длины и
формирование транспортного потока (Transport Stream, TS) с коротки-
ми пакетами фиксированной длины, что на рис. 8.1 показано для некото-
рой произвольной комбинации компонентов в виде аудио- и видеоданных.
Эти две схемь! мультиплексирования порождены различными задача-
ми по обработке и передаче информации. Программные потоки содер-
жат минимальную избыточность, обусловленную вводом данных уп-
равления, и предназначены в основном для некоторых видов
дополнительной программной обработки и для хранения массивов ин-
формации на носителях, для которых характерна весьма низкая веро-
238
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
Аудио
Видео
Аудио
Видео
Поток программных пакетов
Аудио
Видео Аудио | Аудио
Видео Видео Аудио Аудио
Видео | Видео Видео
Поток транспортных пакетов
Рис. 8.1. Варианты пакетирования
ятность ошибки, например, для записи на CD-ROM. При необходимос-
ти поток PS может содержать всего один поток ES, т.е. может быть
получен перекодированием без мультиплексирования. Транспортные
потоки сегментированы на пакеты по 188 байт и предназначены для
последующих многократных операций мультиплексирования-демуль-
типлексирования, сопряжения с другими транспортными сетями (ATM,
SDH), кодирования корректирующими кодами для передачи по кана-
лам с помехами, облегчения идентификации и синхронизации пакетов.
Структурная схема мультиплексирования с формированием про-
граммного и транспортного потоков показана на рис. 8.2 [1, 2].
Элементарные
потоки ( ES)
Аналоговые
сигналы
Пакетированные
элементарные потоки
( PES-пакеты)
Мультиплексированные
потоки ( PS/TS)
Рис. 8.2. Программное и транспортное мультиплексирование в системе цифрового
телевидения
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
239
В общем случае перед мультиплексированием элементарные потоки
ES, представляющие аналоговые сигналы или данные из базы, а также
поток битов управления преобразуются в промежуточные пакетиро-
ванные элементарные потоки (Packetized Elementary Stream, PES), или
PES-пакеты, т.е. потоки данных в виде больших пакетов переменной
длины, они содержат заголовок и полезную нагрузку, В заголовке раз-
мещаются данные сервисной информации SI. В полезной нагрузке PES-
пакета байты данных элементарного потока ES содержатся в их есте-
ственном порядке. Каждый из индивидуальных потоков битов
идентифицируется своим уникальным идентификатором пакета (Packet
Identifier, PID). Поток битов управления мультиплексированием содер-
жит таблицу структуры программы (Program Map Table, РМТ), кото-
рая включает информацию об идентификаторах пакетов PID транспор-
тных потоков, образующих программу, о приложениях, передаваемых
посредством этих потоков, и о соотношениях между потоками PES-
пакетов. Данные управления также структурируются в специальный
PES-пакет, в полезной нагрузке которого размещается таблица РМТ.
Один или несколько потоков PES-пакетов, имеющих общую времен-
ную базу, могут мультиплексироваться либо в программный поток PS,
либо в транспортный поток TS отдельной программы. Потоки PS и TS
могут быть взаимно преобразованы друг в друга через промежуточное
преобразование их в PES-пакеты [3].
На втором, системном уровне мультиплексирования из нескольких
транспортных потоков TS отдельных программ формируется единый
системный поток транспортных пакетов многопрограммной системы
цифрового вещания. Полная структурная схема формирования систем-
ного потока транспортных пакетов, включая ввод дополнительных дан-
ных, а также данных управления системой ограничения доступа (СОД),
показана на рис. 8.3. Такой поток, передаваемый по одному физическо-
му каналу сети вещания, называется мультиплексом, В процессе муль-
типлексирования в состав транспортных пакетов, имеющих фиксиро-
ванную длину 188 байт, вводится также поток битов управления
(сервисной информации) системного уровня, для которого всегда PID=0.
Этот поток в полезной нагрузке содержит таблицу взаимосвязи (ассо-
циации) программ (Program Association Table, РАТ), которая отража-
ет идентичность программ и транспортных потоков программ, иденти-
фицируемых своими PID, содержащимися в таблице РМТ отдельной
программы.
На приемной стороне системный транспортный поток образуется на
выходе декодера для какого-либо определенного канала, по которому
ведется передача (рис. 8.4). Далее в демультиплексоре из системного транс-
портного потока выделяется транспортный поток конкретной програм-
мы, а из него — компрессированные потоки, переносящие видеоданные
и аудиоданные. Сжатые видео- и аудиоданные поступают в соответству-
ющие декодеры, на выходе которых образуются восстановленные сиг-
налы изображения и звука.
В реальных устройствах мультиплексирования и управления не тре-
буется обязательного наличия формирователей PES-пакетов и несколь-
240
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
Элементарные
потоки (ES)
Пакетированные
элементарные потоки
( PES-пакеты),
относящиеся к
Мультиплексированный
транспортный поток (TS^
отдельной программы
Т ранспортные
потоки (TSj)
других программ
Рис. 8.3. Транспортное мультиплексирование с формированием системного потока
Декодированный
Рис. 8.4. Структурная схема транспортного демультиплексирования и
декодирования
ких транспортных мультиплексоров программного и системного уров-
ней [4]. Их функции могут быть интегрированы в другие устройства,
что упрощает принципиальную схему и конструкцию блока мульти-
плексирования .
Скорость передачи мультиплексированного потока данных задается
модемом, выдающим сигнал тактовой синхронизации и запросы на счи-
тывание TS-пакетов из транспортного мультиплексора, в составе кото-
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
241
рого по входам PES-пакетов имеется небольшая буферная память типа
FIFO. В случае, если источник данных в данный момент времени недо-
ступен, транспортный мультиплексор в ответ на запрос выдает нуле-
вой пакет (без полезной нагрузки) [5].
8.1.2. Структура элементарных пакетов
Формат элементарных потоков битов ES в стандарте MPEG-2 опре-
делен для каждого элементарного потока, состоящего из компоненты с
фиксированной длиной в 5 байт и компоненты с переменной длиной
elementary_stream_descriptor (дескриптор элементарного потока).
Структура элементарного потока и последовательность преобразова-
ния потока ES в поток транспортных пакетов показаны на рис. 8.5.
Формат элементарного потока приведен в табл. 8.1 [6].
Элементарный поток битов
3 бита: резерв 4 бита: резерв
Последовательность транспортных пакетов
Рис. 8.5. Преобразование элементарного потока в транспортный поток
Таблица 8.1. Формат элементарного потока
Поле Функция / Использование
stream_type Указывает применение данного элементарного потока
elementary_PID Указывает PID транспортного потока битов, содержащего элементарный поток битов
ES_info_length Указывает для последующего поля значение длины компонента elementary_stream_descri ptor
242
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
Некоторые неиспользуемые байты последнего пакета транспортного
потока могут при необходимости заполняться байтами стаффинга (OxFF).
Транспортный заголовок идентифицирует тип потока битов, вид услу-
ги и другую служебную информацию.
8.1.3. Структура PES-пакетов
Структура PES-пакета показана на рис. 8.6 [6]. PES-пакет со-
стоит из заголовка и следующего за ним блока полезной нагрузки
(PES_packet—data_bytes) в виде элементарного потока битов одного
из возможных источников. Длина заголовка и содержимого пакета в
общем случае переменные. В поле заголовка присутствуют следующие
основные поля сервисной информации:
packet_start_code_prefix: префикс кода начала пакета — кодовая
комбинация фиксированной длины в 24 бита 0000 0000 0000 0000
0000 0001 (0x000001). Вместе со следующим за ней идентификатором
потока stream id образует код начала пакета, который служит для опоз-
навания начала нового PES-пакета;
stream_ID: идентификатор потока — поле длиной 8 бит. В программ-
ных потоках поле stream id определяет тип и номер элементарного
потока. В транспортных потоках в поле stream id может быть уста-
новлено любое разрешенное значение, которое правильно описывает
тип элементарного потока. В транспортных потоках тип элементарно-
го потока определяется содержанием таблиц сервисной информации;
PES—packet—length: длина PES-пакета — поле длиной 16 бит, указы-
вающее число байтов содержимого пакета, «т.е. байтов остающихся в
пакете непосредственно после этого поля. Значение 0 показывает, что
длина PES-пакета не определена и не ограничена. Это допускается только
для PES-пакетов, в которых полезная нагрузка состоит из байтов эле-
ментарного потока видеоданных, содержащегося в пакетах транспорт-
ного потока;
optional_PES_header: необязательный заголовок пакета — имеет пе-
ременную длину и содержит произвольное число полей в виде различ-
ных байтов управления, индикаторов, флагов и т.п., детально описы-
вающих структуру данных пользователя и возможные режимы работы
приемного оборудования.
PES—scrambling—control: управление скремблированием PES-пакета
— поле длиной 2 бита указывает режим скремблирования полезной
нагрузки PES-пакета. Если осуществлено скремблирование на уровне
PES-пакета, то заголовок PES-пакета, который может содержать нео-
бязательные поля, не должен скремблироваться. Возможные значения
поля PES scrambling control приведены в табл. 8.2.
PES—priority: приоритет PES-пакета — поле длиной 1 бит, указываю-
щее приоритет полезной нагрузки в данном PES-пакете. Значение 1
указывает на более высокий приоритет полезной нагрузки данного PES-
пакета, чем у полезной нагрузки PES-пакета, у которого это поле уста-
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
243
128 8 8 16 7
Рис. 8.6. Структура PES-пакета
Таблица 8.2. Значения поля PES_scrambling_control
Значение Описание
00 Не скремблируется
01 Определяется пользователем
10 Определяется пользователем
11 Определяется пользователем
новлено в 0. Мультиплексор может использовать бит PESpriority, что-
бы расположить входящие данные в пределах элементарного потока
согласно их приоритетам. Это поле не должно изменяться механизмом
транспортировки;
original_or_copy: оригинал или копия — поле длиной 1 бит. Если оно
установлено в 1, то содержание связанной полезной нагрузки PES-па-
кета является оригиналом. Если оно установлено в 0, то содержание
связанной полезной нагрузки PES-пакета является копией;
244
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
PTS—DTS—flags: флаги PTSDTS — поле длиной 2 бита. Когда поле
PTS DTS—flags установлено в 10, в заголовке PES-пакета должны при-
сутствовать поля метки времени отображения PTS. Когда поле
PTSDTSflags установлено в 11, в заголовке PES-пакета должны при-
сутствовать и поля PTS, и поля метки времени декодирования DTS.
Когда поле PTS DTS flags установлено в 00, в заголовке PES-пакета
не должны присутствовать поля PTS или поля DTS. Значение поля 01
запрещено.
PES CRC flag: флаг проверки PES-пакета — поле длиной 1 бит, ко-
торое, будучи установлено в 1, указывает, что поле циклической про-
верки на четность CRC присутствует в PES-пакете. Если значение поля
установлено в 0, то это указывает на то, что поле проверки отсутствует;
PES_extension_flag: флаг расширения PES-пакета — поле длиной 1 бит,
которое, будучи установлено в 1, указывает на то, что в заголовке это-
го PES-пакета присутствует поле расширения PESextension. Если зна-
чение поля установлено в 0, то это означает, что поле расширения
PES extension отсутствует;
PES—header_data_length: длина данных заголовка PES-пакета — поле
длиной 8 бит, которое определяет общее число байтов, занятых необя-
зательными полями и любыми байтами стаффинга, содержащимися в
заголовке этого PES-пакета. Присутствие необязательных полей инди-
цируется байтом, который предшествует полю PESheaderdatalength;
ESCR и ES_rate — поля содержат сигналы синхронизации, относя-
щиеся к последовательности PES-потоков;
ESrate: скорость элементарного потока — поле представляет целое
число без знака длиной 22 бита, определяющее скорость, с которой
целевой системный декодер получает байты PES-пакета в случае PES-
потока. Поле ES rate пригодно для PES-пакета, в который оно включе-
но, и для последующих PES-пакетов того же самого PES-потока, пока
не будет предъявлено новое поле ES rate. Значение ES rate измеряется
единицами 50 байтов/секунда. Значение 0 запрещается;
PES_private_data_flag: флаг частных данных PES-пакета — флаг
длиной 1 бит, который, будучи установленным в 1, указывает на то,
что заголовок PES-пакета содержит частные данные, если же в 0, то
частные данные в заголовке PES-пакета отсутствуют;
PES private data: частные данные PES-пакета — поле длиной 16 байт,
которое содержит частные данные. Объединенные с данными предше-
ствующего и последующего полей, они не должны повторять значение
поля packet start code prefix (0x000001);
PES extension field length: длина поля расширения PES-пакета
поле длиной 7 бит, которое определяет в байтах длину данных, следую-
щих за этим полем в поле расширения PES-пакета, до и включая лю-
бые резервные байты;
stuffing_byte: байт стаффинга — 8-битовая фиксированная комбина-
ция со значением 1111 1111, которая может быть вставлена кодирую-
щим устройством, например, чтобы удовлетворить специфическим тре-
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
245
бованиям передачи по каналу или в целях асинхронного сопряжения
пакетов. Она игнорируется декодером. В заголовке одного PES-пакета
не должно присутствовать более 32 байтов стаффинга.
8.1.4. Структура транспортных пакетов
Транспортный пакет стандарта MPEG-2 имеет постоянную длину,
равную 188 байтам, заголовок пакета имеет переменную длину. Как
показано на рис. 8.7, в состав заголовка транспортного пакета входит
канальный заголовок, имеющий фиксированную длину 4 байта и поле
данных адаптации (выполняет функцию транспортного заголовка).
Заголовок адаптации (переменная длина)
4 байта
Полезная нагрузка
не масштабируется
Канальный заголовок
Рис. 8.7. Формат транспортного пакета
В общем случае транспортные пакеты могут формироваться раз-
личными путями: объединением потоков ES, PES-пакетов и других TS-
пакетов. Для многопрограммного вещания транспортные потоки от-
дельных программ асинхронно объединяются в мультиплекс,
подлежащий передаче по каналу. Синтаксис транспортного потока при-
веден в табл.8.3 [6].
Таблица 8.3. Синтаксис транспортного потока
Синтаксис Число бит Мнемоника
MPEG_transport_stream() { do{ tran s po rt_packet() } while (nextbits() = = sync_byte)
Транспортный пакет имеет сложную многоуровневую структуру, по-
казанную на рис. 8.8 [1, 6].
Синтаксис пакета транспортного потока приведен в табл.8.4.
246
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
188 байтов
Рис. 8.8. Структура пакетов транспортного потока
Таблица 8.4. Синтаксис пакета транспортного потока
Синтаксис Число бит Мнемоника
transport_packet() {
sync_byte 8 bslbf
tran s po rt_e r ro r_i n d i cato r 1 bslbf
pay I oad_u n i t_start_i n d i cato r 1 bslbf
transport_priority 1 bslbf
PID 13 uimsbf
tran s port_s cram b I i n g_co n tro I 2 bslbf
adaptation_field_control 2 bslbf
conti n u ity_cou nter 4 uimsbf
if(adaptation_field_control = - '10' 11 adaptation_field_control = = '11'){
adaptation_field()
}
if(adaptation_field_control = = '0Г 11 adaptation_field_control = = '1 Г) {
for (i = 0; i < N; i++){
data_byte 8 bslbf
} } }
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
247
Семантическое определение полей на уровне пакета транспортного
потока:
sync—byte: синхро байт — фиксированное поле длиной 8 бит, имею-
щее значение 0100 0111 (0x47). Следует избегать повторения значения
синхро байта при выборе значений для других регулярно встречаю-
щихся полей типа PID;
transport_error_indicator: индикатор ошибки транспортировки —
флаг длиной 1 бит. Будучи установленным в 1, он указывает на то, что
в соответствующем пакете транспортного потока имеется, по крайней
мере, одна неисправимая ошибка в битах. Этот бит может быть уста-
новлен в 1 объектами, внешними по отношению к транспортному уров-
ню. Будучи установленным в 1, этот бит не должен быть сброшен в 0,
пока не будут исправлены значения битов, имеющих ошибки;
payload—unit—start—indicator: индикатор начала блока полезной на-
грузки — флаг длиной 1 бит, который имеет нормативное значение для
пакетов транспортного потока, переносящих PES-пакеты или данные
сервисной информации SL
Когда полезная нагрузка пакета транспортного потока содержит дан-
ные PES-пакета, то payload unit start indicator имеет следующий
смысл: 1 указывает на то, что полезная нагрузка этого пакета транс-
портного потока начнется с первым байтом PES-пакета, а 0 — на то,
что в этом пакете транспортного потока не может быть начала PES-
пакета. Если payload unit start indicator установлен в 1, то в этом
пакете транспортного потока начинается один и только один PES-па-
кет.
Когда полезная нагрузка пакета транспортного потока содержит дан-
ные сервисной информации SI, payload unit start indicator имеет сле-
дующий смысл: если пакет транспортного потока содержит первый байт
секции SI, то значение payload unit start indicator должно быть 1,
указывая на то, что первый байт полезной нагрузки этого пакета транс-
портного потока содержит поле указателя pointer field. Если пакет
транспортного потока не содержит первого байта секции SI, то значе-
ние payload unit start indicator должно быть 0, указывая на то, что в
полезной нагрузке нет поля указателя pointer field.
Для пустых пакетов payload unit start indicator должен быть уста-
новлен в 0.
Значение этого бита для пакетов транспортного потока, перенося-
щих только частные данные в стандарте MPEG-2, не определено.
transport—priority: приоритет транспортировки — индикатор длиной
1 бит. Будучи установленным в 1 он указывает на то, что связанный с
ним пакет имеет больший приоритет, чем другие пакеты, имеющие тот
же самый индикатор PID, но в которых этот бит не установлен в 1.
Транспортный механизм может использовать этот индикатор для распо-
ложения по приоритетам всех данных в пределах элементарного потока.
248 8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
В зависимости от применения поле transport_priority может быть коди-
ровано независимо от PID или только для одного PID. Это поле может
быть изменено кодерами или декодерами для специфических каналов.
PID: идентификатор пакета — поле длиной 13 бит, указывающее
тип данных, содержащихся в полезной нагрузке пакета. Значение PID
0x0000 зарезервировано для таблицы взаимосвязи программ РАТ. Зна-
чение PID 0x0001 зарезервировано для таблицы ограниченного досту-
па CAT. Значения идентификатора PID от 0x0002 до OxOOOF являются
зарезервированными. Значение PID OxlFFF сохранено для пустых па-
кетов. Значения идентификатора PID приведены в табл. 8.5.
Таблица 8.5. Значения PID
Значение Описание
0x0000 Таблица взаимосвязи программ РАТ (Program_Association_Table)
0x0001 Таблица ограниченного доступа CAT (Conditional_Access_Table)
0x0002 — OxOOOF Зарезервировано
0x00010 —0x1 FFE Может быть присвоено сетевому идентификатору network_PID, идентификатору структуры программы Program_map_PID, идентификатору элементарного потока elementary_PID или для других целей
OxlFFF Пустой пакет
Примечание. Транспортные пакеты со значениями PID 0x0000, 0x0001 и 0x0010 —
0x1 FFE допускаются для переноса эталонных меток времени программы PCR
transport__scramblmg—control — поле длиной 2 бита указывает ре-
жим скремблирования полезной нагрузки пакета транспортного пото-
ка. Заголовок пакета транспортного потока и поле адаптации, когда
таковое присутствует, не должны скремблироваться. В случае пустого
пакета значение поля transport scrambling control должно быть уста-
новлено в 00 (табл. 8.6).
Таблица 8.6. Значения поля управления скремблированием
Значение Описание
00 Без скремблирования
01 Определяется пользователем
10 Определяется пользователем
11 Определяется пользователем
adaptation—field_control: управление полем адаптации — поле дли-
ной 2 бита указывает, следует ли поле адаптации и/или полезная на-
грузка за этим заголовком пакета транспортного потока (табл. 8.7).
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания
249
Таблица 8.7. Значения поля адаптации
Значение Описание
00 Зарезервировано ISO/IEC для использования в будущем
01 Без поля адаптации adaptation_field, только полезная нагрузка
10 Только поле адаптации adaptation_field, без полезной нагрузки
11 Поле адаптации adaptation_field, за которым следует полезная нагрузка
Декодеры, определенные в Стандарте ISO/IEC 13818-1 [6], должны
отказаться от декодирования пакетов транспортного потока с полем
adaptation field control, установленным в 00. В случае пустого пакета
значение поля adaptation field control должно быть установлено в 01.
continuity—counter: счетчик непрерывности — поле длиной 4 бита,
увеличивающее свое значение с каждым пакетом транспортного пото-
ка, имеющим тот же самый пакетный идентификатор PID. Счетчик
continuity—counter после достижения своего максимального значения снова
сбрасывается в 0. Значение continuity counter не должно увеличивать-
ся, когда значение управления полем адаптации adaptation field control
пакета равняется 00 или 10.
В транспортных потоках сдвоенные пакеты могут быть посланы как
два и только два последовательных пакета транспортного потока с тем
же самым идентификатором PID. Сдвоенные пакеты должны иметь то
же самое значение счетчика continuity counter, как у первоначального
пакета, а поле управления адаптацией adaptation field control должно
быть равно 01 или 11. В сдвоенных пакетах каждый байт первоначаль-
ного пакета должен быть дублирован, за исключением полей эталон-
ных меток времени программы, а если таковые присутствуют, то им
должно быть присвоено подходящее значение.
Счетчик continuity counter в конкретном пакете транспортного по-
тока считается непрерывным, когда он отличается на единицу в боль-
шую сторону от значения continuity counter для предыдущего пакета
транспортного потока с тем же самым идентификатором PID, или в
условиях отсутствия приращения его значений (adaptation—field_control
установлен в 00 или 10, или при сдвоенных пакетах). Счетчик непре-
рывности может иметь нарушение непрерывности, когда индикатор
discontinuity indicator установлен в 1. В случае передачи пустого паке-
та значение счетчика continuity—counter не определено.
data_byte: байты данных — они должны быть смежными байтами
данных PES—пакетов, байтами секций сервисной информации SI, бай-
тами стаффинга пакета после секций PSI или частными данными, не
250
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
относящимися к структурам, обозначенным идентификатором PID. В
случае пустых пакетов со значением PID OxlFFF полю data byte мо-
жет быть назначено любое значение. Число N байтов data bytes опре-
деляется как 184 минус число байтов в поле адаптации adaptation field.
Транспортные пакеты, также как и образующие их элементарные
потоки данных, могут иметь либо фиксированную, либо переменную
скорость передачи. Значение скорости транспортного потока определя-
ется в заголовке адаптации установками в поле эталонных меток вре-
мени программы PCR (Program Clock Reference), которые различаются
для каждой программы. По сути PCR является временной меткой, ис-
пользуемой декодерами транспортного потока для осуществления пра-
вильного тактирования [1].
PES-пакеты, содержащие PES-заголовки от различных элементар-
ных потоков битов, переносятся как немасштабируемая полезная заг-
рузка в основной части транспортного пакета фиксированной длины.
Масштабируемостью называется возможность изменения числа элемен-
тарных потоков на входе мультиплексора в зависимости от полосы ча-
стот предоставленного канала.
8.2. Транспортировка пакетов MPEG-2 в составе ячеек ATM
Механизм транспортировки данных из одной точки в другую в боль-
шинстве систем связи включает идентификацию источника и получа-
теля пункта назначения. Механизм идентификации особенно важен в
системах с коммутацией пакетов, в которых пакеты данных пересыла-
ются из одного пункта коммутации в другой до тех пор, пока не достиг-
нут конечного пункта назначения. В комплексных системах связи па-
кеты данных, относящиеся к одному и тому же сообщению, могут
доставляться от источника к пункту назначения различными путями в
зависимости от величины трафика системы. Пакеты, предназначенные
для применения на уровне звена данных и физическом уровне, обычно
содержат следующие шесть элементов: флаг начала пакета и синхро-
информацию; информацию для управления кадром с указанием типа
кадра; идентификатор пункта передачи в виде адреса источника; иден-
тификатор пункта назначения в виде адреса получателя; полезная на-
грузка; символы для обнаружения ошибок или циклической проверки
на четность (CRC).
Одной из важных технологий, применяющейся для передачи дан-
ных по широкополосным цифровым сетям с интеграцией служб (В-
ISDN), является асинхронный способ передачи (Asynchronous Transfer
Mode, ATM). Первоначально ATM-технология была разработана для
решения задач мультиплексирования и транспортировки применительно
к телефонной связи с целью объединения различных видов трафика в
одной и той же системе. В структуре ATM информация передается ко-
роткими пакетами фиксированной длины, которые называются ячейка-
ми. Длина ячейки составляет 53 байта (октета по терминологии МСЭ-Т)
8.2. Транспортировка пакетов MPEG-2 в составе ячеек ATM
251
[7] . Первые 5 байтов (заголовок) содержат информацию о мультиплек-
сировании, а остальные 48 байтов (полезная загрузка) содержат дан-
ные пользователя.
Заголовок ячейки ATM обеспечивает выполнение сетевых функций
и состоит из шести полей [8]
GFC — Generic Flow Control — 4-битовое поле общего контроля
потока, служащее для контроля прохождения трафика через се-
тевой интерфейс пользователя.
VPI — Virtual Path Identifier — 8-битовое поле идентификатора
виртуального пути (указателя фактического маршрута передачи).
VCI — Virtual Channel Identifier — 16-битовое поле идентифика-
тора виртуального (фактически используемого) канала. Функции
VCI и VPI совместно обеспечивают информацию о маршруте пе-
редачи информации с преобразованием последовательностей из
одного вида в другой. Информация, относящаяся к источнику и
конечному пункту назначения, передается не в ATM заголовке, а
представляется последовательностью этапов маршрута при вы-
делении ATM канала.
PTI — Payload Type Indicator — 3-битовое поле индикации типа
полезной нагрузки.
CLP — Cell-Loss Priority — 1-битовое поле приоритета потери
ячейки, т.е. флаг, определяющий прерывание передачи последо-
вательности при перегрузке сети.
НЕС — Header Error Control — 8-битовое поле контроля над
ошибками в заголовке, служащее для исправления ошибок в ATM
заголовке.
Метод ATM был разработан для применения в сети с коммутацией
пакетов, когда различные ячейки одного и того же сообщения могут
следовать по разнообразным путям между источником и приемником.
Чтобы гарантировать правильную сквозную доставку информации и
восстановление полезной нагрузки в порядке ее передачи, были стан-
дартизированы уровни эталонной модели протоколов В-ISDN. Примени-
тельно к ATM важное значение имеют три первых уровня: физический,
уровень ATM и уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer, AAL).
Уровень адаптации ATM обеспечивает выполнение услуг в интере-
сах верхнего уровня, при этом он разбивается на два подуровня: кон-
вергенции (Convergence Sublayer, CS); сегментации и сборки
(Segmentation and Reassembly Syblayer, SAR). В настоящее время стан-
дартизированы 5 уровней адаптации ATM типа 1 — 5 [9]. Они обеспе-
чивают маршрутизацию сообщения, ретрансляцию кадров, эмуляцию
каналов, идентификацию узлов и информацию о времени, необходи-
мые для правильного восстановления сообщений на приемном конце.
Однако, в условиях единственного пути сообщения, характерного для
цифрового наземного вещания, байты, относящиеся к идентификации
пути сообщения, представляют собой избыточные данные заголовка.
Цифровое наземное телевизионное вещание является системой ис-
252
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
ключительно для передачи из одной точки на множество точек, и сис-
тема транспортировки MPEG-2 предназначена для применения в функ-
ции эффективного контейнера сигналов изображения, звука и данных,
которые будут подаваться от источника к потребителю. Поскольку уча-
сток тракта между источником и потребителем является по существу
"фиксированным" (если не учитывать проблемы многолучевой интер-
ференции) и пропускная способность наземного канала при передаче
данных строго ограничена, нет никакой необходимости передавать ин-
формацию об источнике, пункте назначения или узловом пункте сети в
каждом пакете.
При разработке стандартов MPEG-2 учитывался вариант сопряже-
ния транспортных потоков цифрового телевидения с сетями ATM. Из-
вестны два метода последовательного ввода пакетов транспортного по-
тока MPEG-2 в ячейки системы ATM, рассмотренные в Рекомендации
МСЭ-Т J.82 [10]. В первом из них используются уровень адаптации
ATM AAL типа 1 и введение отдельного транспортного пакета MPEG-2
в четыре ячейки системы ATM. Подуровень сегментации и сборки SAR
принимает от подуровня конвергенции CS блоки данных полезной на-
грузки длиной 47 октетов и добавляет к ним 1 октет заголовка. Сформи-
рованный таким образом блок данных в 48 октетов называется прото-
кольным блоком данных (Protocol Data Unit, PDU), или SAR-PDU.
Транспортный пакет стандарта MPEG-2 состоит из 188 байтов, включа-
ющих 4 байта заголовка и 184 байта полезной загрузки. Этот 188-байто-
вый пакет может быть размещен в пределах четырех ячеек ATM как
четыре полезные нагрузки по 47 байтов блоков SAR-PDU (4 х 47 = 188),
оставляя пространство для одного байта адаптации ATM AAL типа 1 на
одну ячейку ATM. Пример такого размещения показан на рис. 8.9. От-
метим, что транспортная субсистема MPEG-2 с ее 4-байтовым заголов-
ком транспортного пакета из 188 байтов менее перегружена, чем систе-
ма ATM. Излишнее наполнение заголовка должно приниматься во
внимание среди прочих ограничений систем цифрового ТВ вещания.
Во втором методе ввода используется уровень адаптации ATM AAL
типа 5, для которого блок данных полезной нагрузки равен 48 окте-
там. Уровень адаптации типа 5 обладает меньшей избыточностью, так
как использует служебную информацию, переносимую в заголовке ячей-
ки ATM [11]. На этом уровне осуществляется так называемое 1/N-
перераспределение, при котором N пакетов транспортного потока заг-
ружаются в ATM-ячейки на уровне адаптации для звена служебных
данных. Значение N определяется сигнализацией о заполнении ячеек.
В некоторых случаях сигнализация не передается, и объем загрузки
ячеек не превышает 376 октетов данных.
Если в двух последовательно поступающих пакетах транспортного
потока не содержатся эталонные метки времени программы (программ-
ный тактовый сигнал) (Program Clock Reference, PCR), то они могут
быть непосредственно введены в восемь ATM-ячеек (N =2), Структур-
ная схема ввода двух транспортных пакетов в 8 ячеек ATM показана
на рис. 8.10. Общий объем данных полезной нагрузки в составе 8 ячеек
ATM уровня адаптации AAL типа 5 составляет 384 октета. Из них 376
8.2. Транспортировка пакетов MPEG-2 в составе ячеек ATM
253
Транспортный пакет MPEG-2 (188 байтов)
Рис. 8.9. Мультиплексирование транспортного пакета MPEG-2 в ячейки ATM
Транспортный
поток MPEG-2
Транспортный пакет 1
Транспортный пакет 2
AAL-PDU
Ячейки
ATM
(53 октета)
AAL-SDU
Рис. 8.10. Ввод пакетов (N = 2) в ячейки ATM (AAL типа 5)
октетов служат для ввода данных двух транспортных пакетов, а 8 ок-
тетов хвостовика протокольного блока данных общей части подуровня
конвергенции (Common Part Convergence Sublayer, CPCS-PDU) могут
использоваться, например, для контроля ошибок.
254
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
8.3. Особенности статистического мультиплексирования
Важным направлением современного цифрового ТВ вещания явля-
ется увеличение числа программ, предоставляемых пользователю в со-
ставе одного мультиплекса. При сохранении действующих частотных
планов реализация этого вида обслуживания приобретает особое значе-
ние. Выдвигаются предложения о передаче по одному каналу до 10 ТВ
программ различного качества. Решение этой задачи требует, с одной
стороны, поиска новых методов сжатия видео- и аудиосигналов и пере-
дачи их с помощью спектрально-эффективных MeTOflOBJ цифровой мо-
дуляции, а с другой — применения адаптивного кодирования со сжати-
ем и с расширенным статистическим мультиплексированием нескольких
ТВ программ в общий цифровой поток.
При традиционной организации многопрограммного вещания про-
пускная способность канала делится между несколькими программами
некоторым фиксированным образом. Это предполагает использование
постоянной скорости передачи битов для каждой программы. Извест-
но, что значение скорости передачи информации, необходимое для дос-
тижения желаемого качества изображения, зависит от содержания изоб-
ражения. Поэтому новые методы кодирования предполагают, что более
сложный материал кодируется с большим числом битов, чем менее
сложный материал [12]. Это означает, что для эффективного использо-
вания пропускной способности канала следует применять устройства
сжатия с переменной скоростью битов, обеспечивая в результате задан-
ное качество как для отдельно взятых программ, так и для всего набо-
ра программ, передаваемых в одном мультиплексе.
Для управления устройствами сжатия с переменными скоростями
битов разработан метод, названный совместным управлением кодиро-
ванием [13]. Он отличается от обычного метода статистического муль-
типлексирования, основанного на "законе больших чисел". Последний
при малом числе источников имеет большую вероятность переполне-
ния буфера, и, как следствие, общая скорость передачи превосходит
пропускную способность канала, что приводит к потере данных. Метод
совместного управления кодированием исключает потерю данных, по-
скольку общая скорость передачи не выходит за границы пропускной
способности канала.
Стандартные кодеры MPEG-2 поддерживают режим кодирования с
переменной скоростью выходных данных. Например, для цифрового
ТВ сигнала стандартного качества (SDTV) скорость передачи может ле-
жать в пределах от 2 Мбит/с до 15 Мбит/с. При обычном кодировании
переменная скорость данных выравнивается специальным буфером, и
передача по каналу идет с постоянной скоростью. При кодировании с
совместным управлением каждое кодирующее устройство имеет свою
собственную переменную скорость битов для каждой программы, выби-
раемую таким образом, чтобы общая скорость системы была постоян-
ной и в оптимальном случае равной пропускной способности канала.
Структурная схема метода кодирования с совместным управлением
от системного мультиплексора показана на рис. 8.11. Для реализации
8.3. Особенности статистического мультиплексирования
255
Видео 1 Кодер 1 Кодер 2 I I i i i i Кодер п Дополнительные данные 1 Мультиплексор MPEG-2, включая управление кодированием К каналу передачи
Данные 1
Видео 2 Управление кодером 1
Дополнительные данные 2
Данные 2
Видео п Управление кодером 2
I i i i i । Дополнительные данные п
Данные п
Управление кодером п
Рис. 8.11. Структурная схема системы совместного управления кодированием
этого метода необходимы линии двусторонней передачи данных между
кодерами программ и системным мультиплексором. Наличие обратной
связи от мультиплексора к индивидуальным программным кодерам
позволяет адаптивно изменять коэффициент сжатия и скорость битов
в потоках отдельных программ при постоянной скорости мультиплек-
сированного группового потока. Для получения постоянной общей ско-
рости устройство совместного управления подбирает приемлемые па-
раметры кодирования в соответствии с предопределенными заранее
условиями. При этом для обеспечения постоянного соответствия меж-
ду качеством кодирования и скоростью передачи одни и те же парамет-
ры кодирования используются для всех программ.
Этот метод гарантирует, что более сложные программы будут про-
изводить больше данных и минимизировать изменения качества изоб-
ражений для программ, передаваемых по одному каналу. Эксперимен-
тально полученные результаты свидетельствуют о том, что кодирование
и сжатие с переменной (зависящей от исходного качества изображе-
ния) тактовой частотой кодерами MPEG-2 приводят к субъективно бо-
лее высокому качеству и объективно более высокому с/ш кодирован-
ных изображений. При этом интегральное качество группы программ
выше, чем при обычном кодировании с постоянной скоростью. В то же
время существует проблема улучшения качества наиболее сложных
программ, которое будет достигаться ценой снижения качества менее
сложных программ.
256
8 Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
8.4. Коммутация транспортных потоков MPEG-2
8.4.1. Общие сведения
При производстве аналоговых ТВ программ результирующая после-
довательность кадров комбинируется из сигналов многих источников
изображения и звука. Это выполняется с помощью звуковых и видео-
коммутаторов или микшеров. В системе доставки программ коммута-
ция источников требуется повсюду, начиная с редактирования содер-
жания, получаемого от различных источников в виде камер и средств
записи в процессе доставки программы в конечный пункт передачи. В
этом пункте следует предусматривать необходимость введения программ
местного содержания (например, сигналов опознавания станции, ком-
мерческих программ, местных программ новостей и т.п.) в поток дан-
ных для сети или ведомственного источника программ.
В последние 20 лет высокого уровня развития достигли технология
и технические средства, требуемые для обеспечения безразрывного пе-
реключения источников изображения и звука с использованием тради-
ционных форматов аналогового и несжатого цифрового сигналов. По-
явление технологии цифрового сжатия обусловило новые задачи,
решение которых необходимо, если при производстве программы тре-
буется безразрывное переключение.
Система MPEG-2 первоначально была задумана как средство сжатия
объема информации при видеозаписи. Предполагалось, что результи-
рующий несжатый, но полностью отредактированный поток сигналов
изображения и звука будет подаваться в кодер и записываться соответ-
ствующей аппаратурой. В связи с применением синтаксиса MPEG-2 в
наземных и спутниковых системах распределения стала очевидной необ-
ходимость дополнения пакетов данных содержанием местных программ.
В стандарт MPEG-2 была введена возможность осуществления ком-
мутирующей функции. Коммутация в терминалах MPEG называется
склеиванием. Возможны два вида склеивания', безразрывное и с пре-
рыванием [8].
Безразрывное склеивание не вызывает нарушений непрерывности
декодирования. Это означает, что время декодирования первого дос-
тупного фрагмента (кодированное изображение или кадр кодированной
звуковой информации) нового потока будет определяться тем же вре-
менным кодом, как и следующий доступный фрагмент старого потока,
как если бы не было склеивания. Как и при любой операции по редак-
тированию, для получения приемлемых результатов необходимо ре-
шить задачи временной синхронизации и относительного времени за-
держки звука и изображения. Несмотря на то, что синтаксис стандарта
MPEG-2 обеспечивает возможность склеивания потоков, его весьма об-
щий характер не гарантирует сопряжения потоков или взаимного об-
мена данными между ними. Поэтому традиционные задачи коммута-
ции следует дополнить управлением буферной памятью данных,
идентификацией точек склеивания и другими практическими стандар-
тами, которые необходимо разработать в будущем.
Переключения с прерываниями вызывают нарушения непрерывное-
8.4 Коммутация транспортных потоков MPEG-2
257
ти процесса декодирования. Это означает, что время декодирования
фрагмента, введенного в новый поток данных, не равно времени, кото-
рое было бы в случае безразрывного декодирования. Другим источни-
ком возможного нарушения непрерывности процесса является набор
идентификаторов PID, соответствующий различным цифровым пото-
кам данных. Известно, что таблица структуры программы РМТ для
программного транспортного потока обеспечивает информацию PID,
описывающую, какой поток видеоданных и соответствующий поток
звуковых данных запрашивается для включения в состав программы.
Цифровые потоки, поступающие из какой-либо аппаратуры видеозапи-
си, программных сетей, коммерческих и местных студий и других ис-
точников, будут, вероятно, иметь свои индивидуальные PID. Коммута-
ция (склеивание) этих различных источников при монтаже общей
программы вещания может привести к изменениям PID, вызывающим
прерывание работы декодера в связи с поиском PID, соответствующих
данной таблице РМТ, или приемом новой таблицы РМТ. На практике
цифровой поток каждой программы вещания должен соответствовать
PID до и после склеивания, чтобы гарантировать непрерывное опозна-
вание пакетов.
8.4.2. Обобщенная модель коммутатора цифровых потоков
На рис. 8.12 показана обобщенная модель устройства с коммутаци-
ей двух транспортных потоков данных стандарта MPEG-2. В приведен-
ном примере коммутатор формирует поток выходных данных путем
перехода в заранее определенной точке от входного потока А (который
может соответствовать отдельной программе или входу отдельной ка-
меры) к входному потоку В (который может соответствовать другой
программе, средствам записи или входу другой камеры) [8].
Интервал наложения представляет собой переменный интервал вре-
мени, в течение которого звуковые пакеты входного потока А могут
оставаться активными, а звуковые пакеты входного потока В еще не
стали годными для декодирования.
Коммутация аналоговых сигналов и несжатых цифровых видеопо-
токов основана на использовании сигнала кадрового гасящего интерва-
ла, не содержащего информации об изображении. Точки редактирова-
ния существуют в заранее известных периодических интервалах времени,
обратных по величине частоте полей или кадров. Однако, такие детер-
минированные интервалы времени, естественно, отсутствуют в сжатом
потоке данных, поскольку число битов, требуемое для представления
каждого кадра последовательности изображений, меняется в соответ-
ствии с содержимым кадра.
Тот факт, что потоки данных, содержащие пакеты видео-, звуковых
и информационных данных, вставлены все в один и тот же поток, яв-
ляется еще одним отличием в наборе ограничений по коммутации. Звук
и изображение нельзя коммутировать в точности в один и тот же мо-
мент времени. Это отражает интервал наложения, показанный на
рис. 8.12.
258
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
Пакет соответствующего
звука (САР)
Переключение
изображения
Переключение
САР
изображения
Коммутатор
Переключение Переключение
изображения звука
Интервал наложения
Входной поток В
Рис. 8.12. Обобщенная модель коммутатора
Так же, как и в традиционной видеоаппаратуре, необходимо синхро-
низировать точки склеивания двух или более потоков цифровых паке-
тов. Кроме того, точки склеивания звука во входных потоках должны
запаздывать относительно точек склеивания изображений. Звуковые
пакеты PES должны появляться в потоке пакетов позже, чем пакеты
PES изображения с соответствующими метками времени отображе-
ния (Presentation Time-Stamp, PTS).
Как и в традиционной видеоаппаратуре, процесс коммутации начи-
нается с команды на переключение, указывающей момент времени вы-
полнения коммутации. Эта команда может назначаться заранее и вво-
диться вручную. Переключение выполняется в том случае, если
соответствующие точки склеивания изображений в обоих потоках со-
впадают с точкой коммутации. Как показано на рис. 8.12, вначале
выполняется склеивание изображения, а после него — склеивание зву-
ка. Таким образом, существует короткий интервал времени (интервал
наложения), в котором выходной поток содержит видеоданные нового
источника и звуковые данные старого источника.
При коммутации двух сигналов изображения без сжатия точка ре-
дактирования по отношению к существующему на входе А сигналу изоб-
ражения называется точкой вывода. Соответствующая точка редакти-
рования относительно замещающего сигнала изображения на входе В
называется точкой ввода. Эти термины являются эквивалентными с
точки зрения коммутации или склеивания потоков цифровых пакети-
рованных данных.
Одним из последних дополнений синтаксиса MPEG-2 является поле
splice_countdown. Это однобайтовое поле указывает число цифровых
8.4. Коммутация транспортных потоков MPEG-2
259
пакетов в битовом потоке с тем же PID, что и у данного пакета, от
этого пакета до пакета с точкой переключения. Пакет с точкой пере-
ключения определяется как пакет, содержащий точку в элементарном
битовом потоке, в которой можно удалить данные и заменить их дру-
гим потоком битов. Пакет с точкой переключения указывает место в
транспортном потоке, которое может быть подходящим для коммута-
ции потоков. Это не означает, что переключение должно обязательно
произойти.
Точка переключения должна использоваться при других конкрет-
ных ограничениях. Хорошие результаты могут быть, если ограничить
моменты времени переключения граничными участками последователь-
ности изображений так, чтобы данные sequence_end_code совпадали
с точкой склеивания. Полезно также формировать видеоинформацию
в окрестностях точки переключения с использованием приблизитель-
ного предсказания. 1-кадры обеспечивают правильное положение точ-
ки склеивания, так как они зависят от информации в других кадрах.
Таким образом, точка вывода как точка безразрывного склеивания
потоков MPEG является окончанием пакета транспортного потока, в
котором:
имеется флаг splice point flag;
поле splice countdown flag со значением 0.
Важность получения видеоинформации в окрестностях точки пере-
ключения с помощью приблизительного предсказания станет очевид-
ной, если посмотреть, что происходит, когда первым кадром после точ-
ки переключения является В-кадр. В-кадр предсказывается на основе
кадров до и после момента точки переключения и на основе изменений
между соответствующими кадрами. При коммутации в точке переклю-
чения один из этих кадров изменяется и на восстановленном изображе-
нии будут появляться искажения.
В поле адаптации транспортного заголовка содержатся следующие
важные элементы синтаксиса, используемые при переключении [8]:
discontinuityindicator;
splicingpoin t_f lag;
splicecountdown;
seamlessspliceflag;
• DTSnextAU.
8.4.3. Управление буфером декодера
Компенсация движения, адаптивное кодирование и кодирование с
переменной длиной слова приводят к очень большим изменениям объе-
ма сжатых видеоданных как функции времени. Например, скорость
сжатых данных после изменения изображения может в несколько раз
превышать скорость передачи информации по каналу. Для преобразо-
260
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
вания переменной скорости входных данных в постоянную скорость
передачи используется буфер. Устройство для управления скоростью
периодически регулирует шаг квантования и/или величину искажений,
по результатам которой управляется заполнение буфера в целях пре-
дотвращения его опустошения или перегрузки. Аналогичные методы
используются и при объединении сжатых потоков звуковых данных.
Скорость уменьшения или увеличения объема данных в буфере оп-
ределяется траекторией буфера. Склеивающее устройство должно учи-
тывать эту траекторию относительно двух переключаемых потоков дан-
ных для гарантии отсутствия недостаточного или избыточного
заполнения буфера.
На рис. 8.13 — 8.15 изображены возможные варианты переполне-
ния буфера [8].
На рис. 8.13 показана возможная траектория буфера сигнала изоб-
ражения для потока видеоданных А.
На рис. 8.14 изображена возможная траектория видеобуфера для
потока В, который должен быть введен в поток видеоданных А.
На рис. 8.15 показана возможная траектория видеобуфера для циф-
рового потока в процессе склеивания или редактирования потока, ко-
торый в этом случае вызывает переполнение памяти.
Различные виды переключений, предполагающие разные скорости
данных и различные состояния буфера по обе стороны от точки комму-
тации, будут вызывать появление битовых потоков, не являющихся
непрерывными. Это означает, что необходимо определить универсаль-
ное состояние буфера splice state.
Очевидно, при переключении надо тщательно следить, чтобы ком-
мутируемые потоки данных не вызывали недостаточное или избыточ-
ное заполнение буфера.
Рис. 8.13. Входной видеопоток А
8.4. Коммутация транспортных потоков MPEG-2
261
Рис. 8.14. Входной видеопоток В
Рис. 8.15. Выходной поток данных
262
8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков в системах ТВ вещания
При безразрывном переключении недостаточное заполнение буфера
будет, вероятно, более приемлемо, чем его переполнение. В последнем
случае при возможном отсутствии данных в формирователе, будет иметь
место лишь задержка в их доставке.
8.4.4. Проблемы переключения данных изображений и звука
Стандарт MPEG-2 не позволяет изменять разрешающую способность
последовательности изображений. Поэтому в тех случаях, когда требу-
ется изменить разрешающую способность или параметры изображе-
ния, в поток данных необходимо вводить указатель sequence_end_code
передаваемой после заголовка последовательности sequence_header.
Такое изменение можно осуществить в точке переключения потоков.
Варьирование разрешающей способности изображения может предус-
матривать изменение профиля и/или уровня изображения. Для обеспе-
чения возможности изменений в точке переключения потоков декодер
должен обладать способностью адаптации к более высокому профилю/
уровню изображения [8].
В транспортном потоке данных каждой программы передаются дис-
креты тактового сигнала, используемого при кодировании, с тем, что-
бы в декодере можно было получить точную копию временной базы,
примененной в декодере. С помощью синхронизации по этому тактово-
му сигналу декодер точно декодирует и восстанавливает сигнал про-
граммы, сформированный в декодере.
Как и в случае аналогового изображения, крайне нежелательно син-
хронизировать две временные базы без применения какого-либо уст-
ройства, устраняющего любые различия этих баз. Переключение двух
асинхронных транспортных потоков данных будет вызывать наруше-
ние непрерывности базы, прерывание процесса декодирования и увели-
чение вероятности переполнения или недостаточного заполнения буфе-
ра декодера.
Поскольку длительность кадра звуковых данных не равна длитель-
ности кадра видеоданных, безразрывное переключение данных одного
вида вовсе не означает безразрывность переключения данных другого
вида.
Кадрирование звуковых данных воздействует на скорость отсчетов
сигнала и уровень кодирования более простым способом по сравнению
с влиянием разрешающей способности, профиля/уровня и формата раз-
ложения на структуру потока видеоданных. Если частота отсчетов зву-
кового сигнала и уровень кодирования изменяются при переключении
старого и нового потоков данных, будет изменяться и синхронизация
звука. В большинстве случаев это будет вызывать попытку перехода
декодера в режим восстановления синхронизации и появление допол-
нительных искажений воспроизводимого звука.
Список литературы
263
Список литературы
1. ITU-R Recommendation ВТ.1306-1. Error-Correction, Data Framing,
Modulation and Emission Methods for Digital Terrestrial Television
Broadcasting. — ITU-R Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting
Service (Television).
2. Lee B.G., Kang M., Lee J. Broadband Telecommunications
Technology. Second Edition. — Artech House. Inc. Boston, London.
1996.
3. ITU-R. Doc.ll/4-Е, Rev.l, 18.03.1999. (Task Group 11/3). — A Guide
to Digital Terrestrial Television Broadcasting in the VHV/UHV Bands.
4. ETSI Technical Report ETR 154 (September 1997), Third Edition. —
Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation Guidelines for the
use of MPEG-2 Systems, Video and Audio in Satellite, Cable and
Terrestrial Broadcasting Applications. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
5. Lyons P.W. Grand Alliance prototype transport stream encoder design
and implementation. — IEEE Trans, on Custom. Electron., Vol.41. №
3. August 1995.
6. International Standard ISO/IEC 13818-1: 1996 (E) // ITU-T
Recommendation H.222.0 (07/1995 E). Transmission of Non-Telephone
Signals. Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures
and Associated Audio Information: Systems.
7. ITU-T Recommendation 1.361 (11/95). В-ISDN ATM Layer
Specification. — Integrated Services Digital Network (ISDN). Overall
Network Aspects and Functions. — ITU-T Recommendations on CD-
ROM. Geneva. September 1998.
8. Baron S.N., Krivocheev M.I. Digital image and audio
communications. Toward a global information infrastructure. — Van
Nostrand Reinhold. New York. NY. 1996.
9. ITU-T Recommendation 1.363 (03/93). Integrated Services Digital
Network (ISDN). — Overall Network Aspects and Functions. B-ISDN
ATM Adaptation Layer (AAL) Specification. — ITU-T Recommendations
on CD-ROM. Geneva. September 1998.
10. ITU-T Recommendation J.82 (07/96). Transport of MPEG-2 Constant
Bit Rate Television Signals in B-ISDN. — ITU-T Recommendations on
CD-ROM, Geneva. September 1998. — Transmission of Sound-
Programme and Television Signals.
11. Назаров A.H., Симонов M.B. ATM технология высокоскорост-
ных сетей. М.: Эко-Трендз. 1998.
12. ITU-R. Doc.llB/7-Е, 13.03.1996. (Canada). — Joint coding for multi-
program transmission.
13. ITU-R. Doc.llB/TEMP/3-E, 22.03.1996, (Working Party 11B). —
Work plan for the production of recommendations on coding for multi-
programme transmission.
9. Мультиплексирование потоков данных
дополнительных и вспомогательных служб в
системах цифрового телевидения
9.1. Вещание данных
9.1.1. Предварительные замечания
В системах цифрового ТВ вещания возможности передачи различ-
ной дополнительной и вспомогательной информации практически не
ограничены. При организации цифрового ТВ вещания с интеграцией
служб, в частности, мультимедийного вещания, в программу могут быть
введены данные различного вида [1, 2]:
телетекст;
скрытые субтитры;
страницы Интернета;
программное обеспечение компьютеров;
информация о деталях сюжета;
текстовые данные для их распечатки абонентом;
многоязыковое сопровождение программ;
коды управления доставкой программ (PDC);
электронный путеводитель по программам (EPG),
а также различные комбинации перечисленных служб, сочетающие
возможности техники связи и компьютерной обработки информации.
Рассмотренные в главах 7 и 8 механизмы мультиплексирования и
транспортировки пригодны для передачи информации самого различ-
ного назначения, в том числе, данных Интернета и цифрового трафика
реального времени (малоподвижные изображения систем теленаблюде-
ния и видеоконференцсвязи). По некоторым оценкам такие службы
имеют все основания занять доминирующие позиции в цифровом ве-х
щании. Это связано с тем, что все в большей степени наблюдается дис-
баланс между вычислительной мощностью персональных компьюте-
ров и реальными возможностями передачи данных с помощью модемов
для коммутируемых телефонных сетей. Исследования показали, что в
Европе при подключении к сети Интернет средняя скорость передачи
данных составляет 1 кбит/с, а 80/о пользователей Интернета посеща-
ют от 100 до 200 сайтов [3]. То есть, множество пользователей практи-
чески единовременно делают независимые запросы одной и той же ин-
формации и получают ее с малой скоростью. Необходимость решения
этой проблемы привела к созданию отдельного стандарта DVB на ве-
щание данных [4]. Цифровой поток, состоящий из последовательности
9.1. Вещание данных
265
транспортных пакетов стандарта MPEG-2, рассматривается как кон-
тейнер данных, имеющий пропускную способность от 6 до 38 Мбит/с в
зависимости от использования всей или части полосы канала. Для вы-
деления данных из контейнера служит интегрированный приемник-де-
кодер IRD или персональный компьютер (ПК) с платой расширения,
содержащей приемник и декодер. Служба скоростной загрузки программ
из Интернета по сети цифрового ТВ вещания часто называется Турбо-
Интернет.
Наиболее общей формой передаваемых данных являются асинхрон-
ные потоки и файлы. Однако, программы мульти- и гипермедиа обыч-
но имеют дело с файлами данных. Следовательно, в канале вещания
должна быть создана некоторая форма виртуальной файловой систе-
мы, чтобы обычный ПК мог использовать данные в требуемой форме.
Новая технология передачи данных в транспортных пакетах, их выде-
ления и использования в абонентских комплексах основывается на кон-
цепции домашней мультимедийной платформы и положениях
Стандарта ISO/IEC 13818-6 на систему команд и управления для
средств цифровой записи (Digital Storage Media — Command and
Control, DSM-CC) [5] (см. также гл. 11).
9.1.2. Виды доставки данных
В стандарте на вещание данных предусмотрены четыре вида достав-
ки данных [4]:
1. Конвейерная пересылка данных (Data Piping). Это простая
асинхронная доставка данных от провайдера до пользователя по
сети, совместимой со стандартами на цифровое ТВ вещание. Под-
лежащие вещанию асинхронные данные ограниченного объема
вводятся непосредственно в полезную нагрузку транспортных па-
кетов (как в контейнеры) службы вещания данных. В специфи-
кации на конвейерную пересылку не указывается, каков должен
быть формат данных в пределах транспортных пакетов, т.е. ка-
ков порядок следования байтов во времени — это входит в ком-
петенцию провайдера. Временные соотношения между данными
и PES-пакетами не устанавливаются. Механизм конвейерной пе-
ресылки предназначен для приложений, в которых данные, вво-
димые в транспортный пакет, являются не пакетированными,
или для приложений, в которых пакетирование данных не имеет
отношения к тракту передачи цифрового сигнала. Для организа-
ции конвейерной пересылки в заголовке транспортного пакета
должны использоваться поля индикации начала полезной нагруз-
ки payload_unit_start_indicator и приоритета транспортировки
transport_priority.
2. Поточная передача данных (Data Streaming). В этом режиме
данные больших объемов имеют вид непрерывного потока и вво-
дятся в PES-пакеты, которые затем стандартным образом преоб-
266
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
разуются в транспортные пакеты. Ключевое свойство PES-паке-
тов — способность нести вспомогательную информацию, необхо-
димую для синхронизации элементарных потоков. Поэтому при
поточной передаче поддерживаются службы вещания данных от
провайдера до пользователя в асинхронном, синхронном или син-
хронизированном режимах. Вид режима сигнализируется полем
идентификатора потока stream_id, которое при передаче синх-
ронных или синхронизированных данных помечается как
private_stream_l, а при асинхронной передаче — как
private_stream_2. Асинхронный режим (отсутствие какой-либо
синхронизации, например, пакеты данных Интернета) обычно
применяется для асинхронной передачи дейтаграмм. Синхрон-
ный режим (тактовая частота данных имеет постоянное значе-
ние, как в синхронных линиях связи) необходим для точного
восстановления потока данных на выходе приемника. Синхрони-
зированный режим (поддерживается с помощью вводимых эта-
лонных меток времени) применяют в тех случаях, когда воспро-
изведение вещаемых данных должно быть синхронно с другим
потоком PES-пакетов стандарта MPEG-2, главным образом этот
режим требуется при передаче субтитров.
3. Многопротокольная инкапсуляция (Multiprotocol
Encapsulation). Поддерживает службы вещания, которые требу-
ют транспортировки протоколов сетей передачи данных по сети,
совместимой со стандартами на цифровое ТВ вещание. В этом
режиме данные и заголовки различных протоколов (в том числе,
и в первую очередь TCP/IP) встраиваются внутрь транспортных
пакетов MPEG-2. Служба, использующая доставку типа много-
протокольной инкапсуляции, индицируется дескриптором тип
потока stream_type_descriptor в секции структуры програм-
мы РМТ. Дополнительная информация включена в дескриптор
вещания данных data broadcast descriptor, располагаемый
либо в таблице описания службы SDT, либо в таблице информа-
ции о событиях EIT. При транспортировке дейтаграмм в режиме
многопротокольной инкапсуляции используется формат секций
частных данных, соответствующий стандарту DSM-CC [5], в ко-
тором каждая секция может иметь длину до 4086 байтов, боль-
шие дейтаграммы могут быть фрагментированы на соответству-
ющее число секций. Если транспортировка осуществляется в
протоколе IP, то каждая дейтаграмма должна содержаться в пре-
делах одной секции.
4. Карусель данных (Data Carousels). Разделение каждого файла,
подлежащего вещанию, на сегменты равной длины с цикличес-
ким повторением сегментов всех файлов в передаваемом потоке.
Принимаемые сегменты ассемблируются в буфере абонентского
приемника и затем воспроизводятся. Вещаемые наборы данных
могут иметь любой формат или тип и передаются в секциях DSM-
CC фиксированной длины. Поддерживаются службы вещания дан-
9.1. Вещание данных
267
ных, которые предполагают циклическую передачу данных к
приемникам по сети, совместимой со стандартами на цифровое
ТВ вещание. Режим карусели данных индицируется дескрипто-
ром тип потока stream_type_descriptor в секции структуры
программы РМТ, дополнительная информация содержится в поле
структуры карусели data_carousel_info structure.
Типичным примером карусели является передача данных электрон-
ного путеводителя по программам EPG. В карусели каждый сегмент
помечается идентификатором для указания, к какому файлу он при-
надлежит. Сегментация файла позволяет системе работать в канале с
ошибками, потому что минимальное количество данных, которое мо-
жет быть потеряно, — только сегмент. В этом случае приемник просто
ждет следующего появления необходимого сегмента. Для нормальной
работы службы недостаточно просто получить большое число сегмен-
тов, необходима еще информация для получения доступа или управле-
ния файлом. Для этого передается специальное оглавление карусели,
которое содержит список всех файлов в пределах карусели. Благодаря
оглавлению в приемнике можно отслеживать любые изменения содер-
жания карусели и соответствующим образом реагировать на них [6].
Для того чтобы приемник мог локализовать информацию в карусели,
передаваемые данные и соответствующие им управляющие сообщения
организованы в иерархическую структуру. Блоки данных объединяют-
ся в сегменты, сегменты в группы, а группы могут образовывать супер-
группы.
Карусель данных имеет разновидность, которая называется объект-
ная карусель (Object carousel) и служит для доставки структурирован-
ных групп объектов, называемых доменами службы, что позволяет со-
здавать зеркало структуры каталогов и файлов пользователя. Объектная
карусель изначально предназначена для служб вещания данных, опре-
деляемых сетенезависимыми протоколами, Например, телезагрузка
данных в абонентский декодер.
Оба вида карусели используются для циклической передачи сегмен-
тов данных или объектов. Данные управления, передаваемые в составе
карусели, служат для автоматической настройки приемника на опоз-
навание и выделение из карусели требуемых полезных данных. Основ-
ное применение карусели данных и объектной карусели — это прило-
жения интерактивного телевидения, в которых допускается расширение
программного материала, например, получение большей информации
о продукте из его рекламы.
Для осуществления всех необходимых операций по идентификации
и выделению данных в приемнике в пакеты транспортного потока вво-
дятся соответствующие данные сервисной информации SI. Как отмеча-
лось, вид доставки данных идентифицируется дескриптором вещания
данных data_broadcast_descriptor, который размещается в таблице
описания службы SDT либо в таблице информации о событиях EIT.
Ниже приведены синтаксис (табл. 9.1) и семантика дескриптора веща-
ния данных [3, 4, 7].
268
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
Таблица 9.1. Синтаксис дескриптора вещания данных
Синтаксис Число бит Идентификатор
data_broadcast_descri ptor(){
descri ptor_tag 8 uimsbf
descri ptorjength 8 uimsbf
data_broadcast_id 16 uimsbf
component-tag 8 uimsbf
selectorjength 8 uimsbf
for (i=0; i<selector_length; i++){
selector_byte 8 uimsbf
}
ISO_639_language_code 24 bslbf
textjength 8 uimsbf
for (i=0; i<text_length; i++){
text_char } } 8 uimsbf
Семантика дескриптора вещания данных:
descriptor tag — идентифицирует дескриптор как дескриптор веща-
ния данных;;
descriptor length — длина дескриптора;
data broadcast id — идентифицирует вид доставки данных;
component_tag — имеет то же значение, что и одноименное поле в
дескрипторе идентификатора потока таблицы РМТ;
selector_length — определяет длину в байтах последующего поля се-
лектора;
selector_byte — описывает поле селектора, в котором может содер-
жаться специальная информация о службе SSI, необходимая для иден-
тификации точки ввода вещательных данных;
ISO_639_language_code — в этом поле содержится трехзнаковый
код языка по стандарту ISO 639;
text__length — определяет длину в байтах последующего текста, опи-
сывающего компонент данных;
text char — цепочка полей знаков с текстовым описанием компонен-
та данных.
9.2. Мультиплексирование потоков данных общего назначения
269
Рассмотренные здесь механизмы транспортировки и вещания дан-
ных, в частности, карусели данных, предоставляют новые мощные сред-
ства организации служб мультимедиа, использующие, в том числе, про-
токолы Интернета (IP). Часть этих вопросов уже регламентируется
стандартами на цифровое телевизионное вещание, другие пока еще на-
ходятся в стадии разработки. Необходимо, чтобы при появлении но-
вых технологий цифрового вещания и передачи данных осуществля-
лась их совместимость на транспортном уровне со стандартами MPEG-2,
что позволяет создавать универсальные декодеры для приема инфор-
мации различных систем.
9.2. Мультиплексирование потоков данных общего назначения
9.2.1. Мультиплексирование дополнительных и вспомогательных данных с
использованием структуры элементарных пакетов
Для ввода потоков битов дополнительной и вспомогательной инфор-
мации в общий цифровой поток ТВ программы существуют две схемы
мультиплексирования: с использованием независимых пакетированных
элементарных потоков (PES-пакетов) и частных секций, изначально
предназначенных для передачи сервисной информации PSI и SI [2].
Для целей мультимедийного вещания применяется стандартная схе-
ма мультиплексирования потоков дополнительных данных, основан-
ная на использовании транспортного потока с пакетами фиксированной
длины. Как отмечалось в гл. 8, подлежащие передаче дополнительные
данные вначале мультиплексируются в пакетированные элементарные
потоки (PES-пакеты). Старт каждой группы данных синхронизируется
со стартом полезной загрузки в пакете транспортного потока.
На уровне формирования транспортного потока отдельной програм-
мы на вход программного мультиплексора поступают PES-пакеты, не-
сущие информацию об основной программе видео и аудио, и в общем
случае произвольное число PES-пакетов дополнительной информации
(рис. 9.1). Для опознавания различных PES-пакетов в каждый из эле-
ментарных потоков вводится свой идентификатор пакета (PID).
На выходе мультиплексора образуется групповой поток транспорт-
ных пакетов отдельной программы, объединяющий цифровые потоки
различных служб. Каждый транспортный пакет имеет фиксированную
длину в 188 байтов и состоит из заголовка и блока данных полезной
загрузки, которая в рассматриваемом случае является дополнительной
информацией. Вещаемая программа может содержать информацию
нескольких служб данных в отдельности или в различных комбинаци-
ях. Соотношения между ними определяются записями в таблице струк-
туры программы РМТ. В этом случае для опознавания служб данных
предназначен идентификатор потока stream id, который должен иметь
единственное значение для одной программы.
Помимо информационных PES-пакетов в транспортный поток в муль-
типлексоре вводится также PES-пакет потока битов сервисной инфор-
мации, который содержит таблицу структуры программы РМТ, вклю-
270
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
PES
PES
PES
PES
PES
PES
PES
1
2
3
к
к+1
л-1
п
(видео)
(аудио 1)
(аудио 2)
(данные 1)
(данные 2)
(данные 3)
(управление)
Транспортный поток
отдельной программы
Рис.9.1. Мультиплексирование дополнительных данных в транспортный поток
чая информацию об идентификаторах пакетов PID всех PES-пакетов,
образующих программу. Это позволяет осуществить идентификацию
всех программных приложений, передаваемых в соответствующих PES-
пакетах, и иметь точные сведения об их соотношениях и применении.
Однако, число идентификаторов потоков данных stream id, которые
зарезервированы исключительно для целей передачи дополнительной
информации, равно только пяти. Поэтому при необходимости переда-
чи более 5 потоков (и соответственно их идентификаторов) предусмот-
рен вариант подразделения идентификатора потока путем задействова-
ния полей расширения в заголовке PES-пакетов.
9.2.2. Мультиплексирование дополнительных и вспомогательных данных с
использованием структуры частной секции
Структура частной секции показана на рис. 9.2. Идентификация
каждой группы данных в одной программе осуществляется с использо-
ванием расширения поля идентификатора таблицы tableidextension.
16
2 5
8 8
32
Рис.9.2. Структура частной секции
9.3. Мультиплексирование данных телетекста
271
В таблице структуры программы РМТ полю тип потока stremtype
присваивается значение от 0x80 до OxFF, что означает частные данные
пользователя. Приему подлежат секции, обозначенные соответствую-
щими идентификаторами элементарных пакетов elementary_PID. Из
числа принятых секций затем выделяются секции, имеющие требуе-
мый идентификатор table_id.
При использовании группы данных типа секции ее точка старта не
требует синхронизации со стартом полезной загрузки пакета транспорт-
ного потока TSP, кроме того, в транспортном пакете становится возмож-
ным передавать многочисленные секции. В этом случае стартовая точка
первой секции индицируется указателем, который помещается в начале
полезной нагрузки транспортного пакета, а следующая стартовая точка
указывается с использованием поля длины секции section length.
Рассмотренная схема мультиплексирования пригодна для передачи
сигналов, имеющих малый объем данных, поскольку при этом стано-
вится возможным передавать в потоке транспортных пакетов большее
число секций.
9.3. Мультиплексирование данных телетекста
9.3.1. Предварительные замечания
Телетекст является одной из служб данных, использующих техни-
ческие средства как аналогового, так и цифрового ТВ вещания. Пара-
метры службы телетекста определены Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.653-3
[8], т.е. применительно к аналоговому вещанию она может основы-
ваться на одной из Систем А, В, С или D. Практическая отработка
методов мультиплексирования цифровых данных для их пакетной пе-
редачи в аналоговых телевизионных системах началась с внедрения
систем телетекста, на основе которых получили свое развитие другие
службы с пакетной формой передачи и обработки данных: электрон-
ный путеводитель по программам, телераспределение программного
обеспечения и др.
В системах цифрового ТВ вещания предусматривается возможность
передачи различных видов цифровых служб, как связанных с ТВ про-
граммами, так и не связанных с ними. Телетекст является одной из
самостоятельных служб, и ввод данных телетекста в потоки системы
цифрового ТВ вещания регламентируется специфическими разделами
действующих стандартов и рекомендаций.
Поскольку информация телетекста является цифровой и структури-
рованной в пакеты по своей природе, то в процессе транспортного муль-
типлексирования она может быть легко введена в поток битов цифро-
вого телевидения [9]. При необходимости можно осуществлять обратное
конвертирование для выделения пакетов телетекста и вещания их в
составе аналогового ТВ сигнала. Как показано на рис. 9.3, пакетирова-
ние информации телетекста фактически требует только добавления за-
головка и служебных данных к каждому пакету данных, обычно вво-
димому в строки данных аналогового ТВ сигнала.
272
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
45 байтов
PSC
Stream
ID
Длина
PES-пакета
Необязательный
заголовок
PES-пакета
Полезная нагрузка
24
ОА8
Р с
PESS f R
16
оос
Флагов
221 1 8
1 1
PES
HEADER
DATA
LENGTH
8
36 байтов стаффинга
288
Идентификат
данных
FP
8
ПАКЕТ СИСТЕМЫ ТЕЛЕТЕКСТА МСЭ-Р , ।
Строка 1
DATA
UNIT
ID
DATA
UNIT
LENGTH
LINE
OFF-
SET
ВСТАВКА ДАННЫХ ТЕЛЕТЕКСТА
Байты
стаффинга
8 2 15
344
FP
46 байтов
ПАКЕТ СИСТЕМЫ ТЕЛЕТЕКСТА МСЭ-Р
Строка 2
DATA
UNIT
ID
DATA
UNIT
LENGTH
LINE
OFF-
SET
ВСТАВКА ДАННЫХ ТЕЛЕТЕКСТА
Байты
стаффинга
8 2 15
344
FP
46 байтов
ПАКЕТ СИСТЕМЫ ТЕЛЕТЕКСТА МСЭ-Р
Строка 16
DATA
UNIT
ID
DATA
UNIT
LENGTH
LINE
OFF-
SET
ВСТАВКА ДАННЫХ ТЕЛЕТЕКСТА
Байты
стаффинга
8 2 15
344
8
8
8
46 байтов
Байты стаффинга
Рис. 9.3. Поток битов телетекста, введенный в PES-пакет
Механизм транспортировки, пригодный для ввода и переноса ин-
формации телетекста в транспортных потоках битов системы цифро-
вого телевизионного вещания, должен отвечать следующим требовани-
ям [1, 10]:
9.3. Мультиплексирование данных телетекста
273
поддерживать, если потребуется, транскодирование данных те-
летекста из транспортного потока цифровой ТВ программы в
кадровый гасящий интервал аналогового ТВ сигнала;
транскодируемый сигнал должен быть совместим с существую-
щими телевизионными приемниками, оборудованными соответ-
ствующими декодерами телетекста;
метод транспортировки должен обеспечивать передачу субтит-
ров с точной синхронизацией по отношению к кадру изображе-
ния.
9.3.2. Ввод данных телетекста в пакетированные элементарные потоки
При вводе телетекста в потоки стандарта MPEG-2 данные телетекста
передаются в пакетированных элементарных PES-пакетах, которые
переносятся пакетами транспортного потока. В заголовке транспорт-
ного потока размещается идентификатор пакета PID потока телетек-
ста, ассоциированный с соответствующей службой телетекста и опре-
деленный в таблице структуры программы РМТ. Для идентификации
потоков, переносящих данные служб телетекста, в поле типа потока
stream type устанавливают идентификатор со значением 0x06, которое
указывает на PES-поток, переносящий частные данные. В секции табли-
цы структуры программы РМТ, следующей за полем информирования
об элементарном потоке ESlnfolength, должен содержаться дескрип-
тор телетекста. Служба может включать больше одного потока данных
телетекста при условии, что каждый поток имеет различные значения
идентификатора данных data identifier и что потоки являются различи-
мыми по их дескрипторам телетекста в полях таблицы РМТ [2].
В табл. 9.2 приведен синтаксис дескриптора телетекста и ниже дана
его семантика.
Таблица 9.2. Синтаксис дескриптора телетекста
Синтаксис дескриптора телетекста Число битов
descri ptor_tag 8
descri ptorjengh 8
ISO_639_language_code 24
teletext_type 5
teletext_magazie_n umber 3
te letext_page_n umber 8
Семантика полей дескриптора телетекста:
descriptor—tag: тег дескриптора — 8-и битовое поле, идентифицирую-
щее каждый дескриптор, или этикетка дескриптора, в которой указы-
вается к какой именно службе он относится;
descriptor—lengh: длина дескриптора — 8-и битовое поле, определяю-
274
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
щее длину дескриптора, т.е. полное число байтов данных дескриптора,
следующих за байтом, определяющим значение этого поля;
ISO_639_language—code: код языка — 24-х битовое поле, содержа-
щее 3-и буквенных знака, сигнализирующих о национальном языке
службы телетекста, каждый буквенный знак кодирован 8-ью битами;
teletext—type: тип телетекста — 5-и битовое поле указывает тип стра-
ницы телетекста (обычная страница, страница субтитров, резерв на
будущее, содержание и т.п.);
teletext—magazie_number: номер журнала телетекста — 3-х битовое
поле определяет номер транслируемого журнала телетекста;
teletext—page_number: номер страницы телетекста — 8-и битовое поле
содержит две 4-х битовые шестнадцатиричные цифры, определяющие
номер страницы журнала телетекста.
В России вещание телетекста в составе аналогового ТВ сигнала осу-
ществляется в стандарте Система В МСЭ-Р, в соответствии с которым
при вводе данных телетекста в цифровой поток ТВ программы уста-
навливается следующий синтаксис (табл. 9.3) и структура поля
data field [1].
Таблица 9.3. Синтаксис поля data_field
Синтаксис поля data_field Число битов Мнемоника
data_field(){
reserved_future_use 2 bslbf
field_parity 1 bslbf
line_offset 5 uimsbf
teletext_data_unit 344 bslbf
stuffing_bits — bslbf
}
Общая структура потока PES-пакетов с введенными в них данными
телетекста показана на рис. 9.3. Пакеты системы телетекста, передава-
емые в определенных строках аналогового ТВ сигнала, последователь-
но вводятся в PES-пакет как полезная нагрузка. При этом каждая встав-
ка данных телетекста дополняется необходимыми полями сервисной
информации и байтами цифрового выравнивания (стаффинга). Ниже
приводится семантика полей PES-пакета телетекста:
data_identifier: идентификатор данных — 8-и битовое поле иденти-
фицирует тип данных, переносимых в PES-пакете. Для телетекста Сис-
темы В с частотой кадров 50 Гц значение идентификатора должно быть
9.3. Мультиплексирование данных телетекста
275
установлено от 0x10 до OxlF. Значение идентификатора данных долж-
но быть установлено одинаковым для каждого PES-пакета, передающе-
го данные в одном и том же потоке данных телетекста;
data_unit_id: идентификатор вставки данных — 8-и битовое поле иден-
тифицирует тип вставки данных телетекста. Возможные значения поля
идентификатора data unit id приведены в табл. 9.4 [1].
Таблица 9.4. Значения идентификатора data_unit_id
Значение поля data_unit_id Смысловые содержания
от ОхООдо 0x01 Зарезервировано для использования в будущем
0x02 Данные телетекста без субтитров
0x03 Данные телетекста с субтитрами
от 0x04 до 0x7 F Зарезервировано для использования в будущем
от 0х80до OxFE Определяется пользователем
OxFF Вставка данных для цифрового выравнивания
data_unit_length: длина вставки данных — 8-и битовое поле указы-
вает число байтов во вставке данных, следующей после поля длины
вставки. Для вставок данных, переносящих данные телетекста МСЭ-Р,
это поле должно всегда быть установлено в значение 0х2С;
reserved_future_use: зарезервировано для использования в будущем
— поле может использоваться в будущем для определенных расшире-
ний службы. По умолчанию оба бита поля reserved future use уста-
новлены в 1;
field_parity: четность поля — однобитовый флаг определяет поле, для
которого предназначены данные; значение 1 указывает первое поле кад-
ра, значение 0 указывает второе поле;
line_offset: офсет строки — 5-и битовое поле определяет номер стро-
ки, для которой предназначен пакет данных телетекста в случае, если
он подлежит транскодированию в кадровый гасящий интервал. В пре-
делах поля нумерация line_offset должна следовать в прогрессивном
возрастающем порядке, за исключением неопределенного значения сдви-
га, равного 0. Номер поля ТВ сигнала задается флагом field parity
(1 — нечетное поле, 0 — четное поле). Возможные значения поля офсе-
та строки line offset для системы телетекста с частотой кадров 50Гц
приведены в табл. 9.5 [1].
teletext_data_unit: вставка данных телетекста — поля соответству-
ют байтам, следующим за последовательностью импульсов тактовой
синхронизации блока данных системы телетекста МСЭ-Р, определен-
ной в Рекомендации МСЭ-Р ВТ.653-3 [8]. Пакеты данных телетекста
вставлены в том же порядке, в каком они должны бы следовать в ана-
логовой системе и поступать на декодер телетекста или транскодиро-
ваться в кадровый гасящий интервал;
276
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
Таблица 9.5. Значения поля line_offset
Значение поля line_offset Смысловое содержание
первое поле ТВ кадра (f ield_parity = 1) второе поле ТВ кадра (field_parity = 0)
0x00 Номер ТВ строки не определен Номер ТВ строки не определен
от 0x01 до 0x05 Зарезервировано для использования в будущем Зарезервировано для использования в будущем
0x06 Номер ТВ строки = 6 Номер ТВ строки =319
0x07 Номер ТВ строки =7 Номер ТВ строки =320
0x08 Номер ТВ строки =8 Номер ТВ строки =321
0x09 Номер ТВ строки =9 Номер ТВ строки =322
ОхОА Номер ТВ строки =10 Номер ТВ строки =323
0x13 Номер-ТВ строки =19 Номер ТВ строки =332
0x14 Номер ТВ строки =20 Номер ТВ строки =333
0x15 Номер ТВ строки =21 Номер ТВ строки =334
0x16 Номер ТВ строки =22 Номер ТВ строки =335
от 0x17 до 0x1 F Зарезервировано для использования в будущем Зарезервировано для использования в будущем
stuffing—bits: биты стаффинга (цифрового выравнивания) — вставка
данных teletextdataunit сопровождается таким числом подстановоч-
ных битов цифрового выравнивания, какое требуется, чтобы сделать
длину поля data_field равной 352 битам (44 байтам).
9.4. Мультиплексирование субтитров
9.4.1. Особенности передачи информации о субтитрах
Служба субтитров обеспечивает передачу пользователю в составе
потока системы цифрового ТВ вещания субтитров, логограмм и других
графических элементов. Данные субтитров структурируются таким об-
разом, чтобы обеспечить наибольшую гибкость и эффективность. Гиб-
кость достигается определением индивидуальных графических объек-
тов, которые могут быть независимо помещены в различные зоны
экрана. Эффективность достигается возможностью совместного исполь-
зования графических объектов различными компоновками экрана. Для
достижения гибкости и эффективности алгоритмы передачи и воспро-
изведения субтитров основываются на следующих понятиях [11]:
данные элементов изображения (пикселов);
объекты;
9.4. Мультиплексирование субтитров
277
район отображения;
таблицы CLUT;
страницы.
Термином данные пикселов называются цепочки байтов данных, со-
держащих в кодированной форме представление графических объектов.
Объектом может быть любой графический элемент, представленный
на ТВ экране и имеющий свой уникальный идентификационный но-
мер, например, субтитр, логограмма, точечный фрагмент и т.д.
Район отображения — это прямоугольная область экрана, в которой
показывается объект. Если для отображения двух объектов использу-
ются частично или полностью совпадающие строки развертки, то оба
этих объекта должны быть включены в один район.
Для преобразования псевдоцветов объектов в истинные цвета экра-
на для каждого района отображения применяется кодовая поисковая
таблица цветов (Colour Look-up Table, CLUT).
На экране одновременно могут быть расположены несколько райо-
нов отображения, которые одновременно образуют структуру (компо-
зицию) страницы. Композиция страницы — это наивысший уровень
компоновки экрана. В каждый момент времени она активна и отобра-
жается только одну композицию, хотя передаваться в общем потоке
могут сразу несколько композиций.
Все данные, образующие поток субтитров, должны передаваться в
одном потоке транспортных пакетов (т.е. иметь единственный иденти-
фикатор пакета PID), который может переносить несколько различ-
ных потоков субтитров, относящихся либо к разным программам, либо
к одной программе, но на разных языках. Различные потоки субтит-
ров могут также адресоваться устройствам отображения с разными
характеристиками, например, с форматом растра 4:3 или 16:9, а так-
же включать графические элементы, изображающие звуки для лиц с
нарушениями слуха. Внутри потока транспортных пакетов сегменты
различных потоков субтитров различаются при декодировании по их
идентификаторам страницы (полного изображения композиции субтит-
ров на экране) и дескрипторам в таблице РМТ.
Поток субтитров может содержать данные о единственной странице
с композицией или о двух страницах (странице с композицией и допол-
нительной странице, которая может быть использована для переноса
графических объектов, являющихся общими для двух и более потоков
субтитров). Например, это может быть логограмма, используемая со-
вместно несколькими потоками на разных языках.
9.4.2. Модель декодера субтитров
Для правильной интерпретации процесса декодирования субтитров
и определения некоторых ограничений, используемых при верифика-
ции потоков с субтитрами, применяется модель декодера субтиров [11],
структурная схема которой показана на рис. 9.4.
278
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
192 кбит/с 512 кбит/с
Рис.9.4. Модель декодера субтитров
Поток транспортных пакетов MPEG-2, содержащий информацию
субтиров, вначале обрабатывается в логическом фильтре-селекторе, в
котором производится анализ значений идентификаторов пакета PID и
выделение требуемых пакетов. Отселектированные пакеты поступают
в транспортный буфер объемом 512 байтов. Если в транспортном буфе-
ре находятся данные субтитров, то они считываются на выход со ско-
ростью 192 кбит/с. Если данных в буфере нет, то скорость считывания
равна нулю.
Входным блоком собственно декодера субтиров является препроцес-
сор, в котором производится разборка заголовков транспортных и PES-
пакетов. Содержащиеся в них поля меток времени отображения PTS
должны быть переданы для обработки в следующие каскады декодера.
На выходе препроцессора образуется поток сегментов субтитров, кото-
рые фильтруются на основе анализа значений их идентификаторов стра-
ниц page id. Отселектированные сегменты поступают в буфер кодиро-
ванных данных, имеющий объем 24 Кбайта. Из этого буфера декодером
извлекаются только полные сегменты. Считывание и декодирование сег-
ментов осуществляется мгновенно. Если сегмент производит данные пик-
селов, то декодер субтитров останавливает считывание сегментов из бу-
фера кодированных данных, пока все пикселы не будут помещены в
буфер пикселов. Скорость переноса пикселов в буфер равна 512 Кбит/с.
Объем буфера пикселов равен 80 Кбайт, из которых только 60 Кбайт
предназначаются для мгновенного отображения пикселов. Оставшаяся
часть в 20 Кбайт может быть использована для накопления пикселов
для следующего отображения. Управление выделением буферов явля-
ется полностью функцией кодера потока субтитров.
9.4.3. Формат транспортного потока при передаче субтиров
При передаче субтитров полю тип потока strem type в таблице струк-
туры программы РМТ присваивается значение 0x06. Идентификатор
пакета PID при передаче субтитров должен быть ассоциирован по край-
ней мере с одним дескриптором субтитров, характерная структура ко-
торого приведена в табл. 9.6.
9.4. Мультиплексирование субтитров
279
Таблица 9.6. Синтаксис дескриптора субтитров
Синтаксис дескриптора субтитров Число битов Мнемоника
subtitling_descriptor() {
des cri ptor_tag 8 uimsbf
descri ptorjength 8 uimsbf
default_composition_page_id 16 bslbf
default_ancillary_page_id for (i=0;i<N;i++) { 16 bslbf
ISO_639_language_code 24 bslbf
subtitling_extension_flag 1 bslbf
subtitling_type if( subtitling_extension_flag == 'Г ) { 7 bslbf
reserved 8 bslbf
ISO_2375_code i 8 bslbf
/ composition_page_id 16 bslbf
ancillary_page_id } } 16 bslbf
Семантика дескриптора субтитров:
descriptor_tag — 8-и битовое поле, которое должно содержать значе-
ние 0x58;
default composition page id — идентифицирует композицию стра-
ницы по умолчанию. Эта страница должна обязательно декодировать-
ся и отображаться приемником-декодером IRD. Эта страница — необя-
зательная. Идентификатор default—composition—pageid, имеющий
значение OxFFFF, указывает на отсутствие default—composition_page;
default-ancillary_page_id — идентифицирует дополнительную
страницу по умолчанию. Будучи представлена, эта страница дол-
жна обязательно декодироваться и отображаться приемником-
декодером IRD. Эта страница — необязательная. Идентификатор
default—ancilliary_page_id, имеющий значение OxFFFF, указывает
на отсутствие default_ancilliary_page;
280
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
ISO_639_language—code — поле длиной 24 бита идентифицирует язык
субтитров. Оно содержит трехзначный код в соответствии с требовани-
ями Стандарта ISO 639, ч.2. Каждый знак кодирован восемью битами,
согласно Стандарту ISO 8859-1;
subtitling_extension—flag — однобитовый флаг. Значение 1 указывает
на присутствие поля расширения длиной 16 бит, содержащего восемь
резервных битов плюс код ISO-2375;
subtitling—type — поле несет информацию о содержании подзаголовка
и отображении;
ISO_2375_code — идентифицирует регистрационный номер набора зна-
ков, определенного Стандартом ISO 2375 "Международный регистр ко-
дированных наборов знаков, которые нужно использовать совместно с
управляющими ESC-последовательностями";
composition—page_id — идентификатор композиции страницы. Поля
DVB subtitling segments, сигнализируемые этим индикатором страни-
цы, должны декодироваться, если предыдущие данные в дескрипторе
субтитрирования соответствуют критерию выбора пользователя;
ancillary—page_id — идентифицирует дополнительную (необязатель-
ную) страницу.
При передаче потока субтитров в составе PES-пакета последний со-
держит следующие характерные поля [11]:
stream—id: идентификатор потока — устанавливается в состояние
10111101, что означает частный поток 1;
PES—packet—length: длина PES пакета — устанавливается в значе-
ние, обеспечивающее выравнивание PES-пакетов по отношению к транс-
портному пакету;
data—alignment—indicator: индикатор выравнивания данных — при
установке в 1 индицирует, что сегменты субтитров выровнены по отно-
шению к PES-пакетам;
Presentation—Time_Stamp of subtitle: метка времени представле-
ния субтитров — индикатор времени начала отображения на экране
страницы с композицией субтитров, создаваемой сегментами, перено-
симыми в PES-пакетах;
PES—packet—data_byte: байт данных PES-пакета — эти байты коди-
руются в соответствии с синтаксисом поля PES data_field.
Для поля данных PES-пакета PES data field устанавливается следу-
ющий синтаксис (табл. 9.7).
Семантика полей PES-пакета субтитров:
data_identifier: идентификатор данных — 8-и битовое поле при иден-
тифицировании субтитров должно иметь значение 0x00;
subtitle—stream_id: идентификатор потока субтитров — 8-и битовое
Список литературы
281
Таблица 9.7. Синтаксис поля данных PES_data_field
Синтаксис поля данных P ES_d at a_f i e 1 d Число битов Мнемоника
PES_data_field() {
datajdentifier 8 bslbf
su btitle_stream_id 8 bslbf
while nextbits() ==’0000111 Г { DV B_S u bti tl i n g_s e g m e n t() } end of PES data field marker 8 bslbf
}
поле идентифицирует поток субтитров, данные из которого введены в
этот PES-пакет;
end_of_PES_data_field_marker: маркер конца поля PES-данных —
8-и битовое поле с фиксированным содержанием 11111111.
Список литературы
1. ITU-R Recommendation ВТ. 1301. Data Services in Digital Terrestrial
Television Broadcasting. — ITU-R Recommendations — ВТ Series.
Broadcasting Service (Television).
2. ITU-R Recommendation ВТ.1209-1. Service Multiplex Methods for
Digital Terrestrial Television Broadcasting. — ITU-R Recommendations.
ВТ Series. Broadcasting Service (Television).
3. King M., Ohnemus P., Tvede L. Data Broadcasting the key to the
convergence of the Personal Computer and next generation Television.
— International Television Symposium. Montreux, 12 -17 June 1997.
Symposium Record.
4. European Standard (Telecommunications series) EN 301 192 VI. 1.1
(1997-12). — Digital Video Broadcasting (DVB); DVB Specification
For Data Broadcasting. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
5. International Standard ISO/IEC 13818-6. — Information Technology
— Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio: Digital
Storage Media-Command and Control. — ISO/IEC JTC1/SC29/WG11
MPEG96/N1300pl. July 1996.
6. Lievaart N. Internet Protocol (IP) Experiments in a Digital Terrestrial
Television (DTT) Channel. — Montreux Symposium’ 99. World Digital
282
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и вспомогательных служб...
Television Summit. Montreux, Switzerland. 10 — 16 June 1999.
Symposium Records.
7. Hall R.N. Testing Broadcast Services Other Than Conventional
Television Within The DVB Multiplex. — IBC’98. International
Broadcasting Convention, Amsterdam, the Netherlands. 11 — 15
September 1998. Conference Publication Papers.
8. ITU-R Recommendation ВТ.653-3. Teletext systems. — ITU-R
Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting Service (Television). —
Sup. 1.
9. ITU-R. Doc.ll/4-Е, Rev.l, 18.03.1999. (Task Group 11/3). — A Guide
to Digital Terrestrial Television Broadcasting in the VHV/UHV Bands.
10. ITU-R. Doc.llA/68-Е, 22.01.1997. (Asia Pacific Broadcasting Union).
— ABU Specification for Digital Television Broadcasting.
11. European Telecommunication Standard ETS 300 743 (September 1997).
— Digital Video Broadcasting (DVB); Subtitling System. — EBU/
CENELEC/ETSI JTC.
10. Ограничение доступа в системах цифрового
ТВ вещания
10.1. Модель системы с ограниченным доступом
10.1.1. Ограничение доступа к программам вещания
Цифровая технология позволила значительно расширить число и но-
менклатуру услуг, предоставляемых системами ТВ вещания. Часть но-
вых услуг являются платными, или предназначенными для небольших
специфических групп пользователей. Таким образом, возникает задача
ограничения доступа широкой аудитории пользователей к службам, про-
граммам вещания, дополнительной информации и другим данным, вхо-
дящим в состав мультиплекса, но распространяемым по подписке.
В системах цифрового ТВ вещания, в отличие от аналоговых сис-
тем, становится возможным применить эффективные, стойкие к взло-
му алгоритмы защиты информации. Системы с ограниченным досту-
пом (СОД) отличаются от обычных систем использованием операций
скремблирования и шифрования, предотвращающих несанкциониро-
ванный прием. Скремблирование — это процесс придания неразборчи-
вости цифровым потокам звука, изображения и данных. Шифрование
представляет собой процесс защиты секретных ключей, которые долж-
ны быть переданы вместе со скремблированным сигналом для работы
дешифратора скремблированных последовательностей (дескремблера).
После дескремблирования какие-либо дефекты звука и изображения,
вызванные работой СОД, должны отсутствовать, т.е. СОД должна быть
прозрачна.
* Потребность ограничения доступа может возникнуть, например, в
следующих типичных случаях [1]:
при необходимости взимать платежи с тех зрителей, которые хо-
тят иметь доступ к определенным программам или услугам;
по соображениям охраны авторских прав на программы при ве-
щании в специфических географических зонах, например, на тер-
ритории других стран (такой территориальный контроль может
быть предписан и обеспечен, если приемник имеет встроенную
глобальную систему определения местоположения GPS);
при желании облегчить родительский контроль (т.е. ограничить
доступ детей к некоторым категориям программ).
10.1.2. Модель системы с ограниченным доступом
Общие принципы организации системы цифрового ТВ вещания с
ограничением доступа показаны на рис. 10.1. При формировании транс-
портного потока данные подвергаются скремблированию, т.е. преобра-
зованию структуры по псевдослучайному закону. Это делает информа-
284
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
Рис. 10.1. Функциональная схема ограничения доступа в системе цифрового ТВ
вещания
цию "нечитаемой", т.е. недоступной для тех пользователей, которые не
имеют специального ключа доступа. Управление скремблером осуще-
ствляется с помощью специальных кодовых комбинаций, называемых
словами управления (Control Word, CW), вырабатываемых соответству-
ющим генератором. Кодовые слова участвуют также в формировании
сообщений, управляющих правом доступа (Entitlement Control Message,
ЕСМ). Сообщения ECM обеспечивают выделение в абонентском интег-
рированном приемнике-декодере IRD слов управления, синхронизиру-
ющих дескремблер и дающих ключ доступа к закрытой службе. Но
операция дескремблирования возможна только после приема сообще-
ний, предоставляющих право доступа (Entitlement Management Message,
EMM), которые формируются и передаются системой управления (ад-
министрирования) абонентами (Subscriber Management System, SMS) и
системой авторизации абонента (Subscriber Authorisation System, SAS).
Сообщения ЕСМ являются долговременным ключом, обеспечивающим
процесс пересылки в приемник кодированных слов управления. Они
изменяются достаточно редко — примерно раз в месяц. В отличие от
них слова управления CW меняются очень часто — несколько раз в
минуту [1].
При исследовании закрытия канала и предоставления доступа обыч-
но используется более полная функциональная модель системы с огра-
ниченным доступом, показанная на рис. 10.2 [2, 3]. В данной модели
на передающей стороне также располагаются система предоставления
полномочий абоненту SAS и система администрирования абонентами
SMS. Система SAS — это центр управления, ответственный за органи-
зацию, упорядочение и доставку потоков данных сообщений ЕММ и
ЕСМ согласно предписаниям, получаемым от системы SMS. Система
администрирования абонентами (SMS) ведает всеми данными об або-
10.1 Модель системы с ограниченным доступом
285
Рис. 10.2. Функциональная схема модели СОД со скремблированием и передачей
слов управления
нентах. Это деловой центр, который выпускает смарт-карты, выстав-
ляет счета на оплату и получает платежи от абонентов. Важный ресурс
системы администрирования абонентами — база данных об абонентах,
порядковых номерах их декодеров и информация о службах, на кото-
рые они подписались.
Сообщение ЕСМ — это криптограмма управляющего слова и усло-
вий доступа, т.е. специфическая комбинация сигналов электронного
ключа и передаваемой адресной информации. Сообщения ЕСМ исполь-
зуются для управления дескремблером приемника и передаются по ка-
налу в зашифрованной форме. Они объединены с ключом службы и
286
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
дешифрируются на приеме, чтобы сформировать слово управления
криптограммой (управляющее слово CW). Типичное слово управления
обычно имеет длину 60 бит и обновляется каждые 2-10 с [1].
Сообщение ЕММ дает зрителю полномочия дескремблировать служ-
бу, т.е. санкционирует получение информации. Сообщения ЕММ исхо-
дят от системы предоставления полномочий абоненту (SAS), которая
их шифрует и передает абоненту в процессе радиовещания или по аль-
тернативному каналу, например, по телефонной линии. Сообщения ЕММ
посылаются абоненту непосредственно после получения последним
смарт-карты от системы администрирования абонентами. Эти сообще-
ния являются специфическим компонентом сигнала электронного ключа
и адресной информации. Они используются для переключения индиви-
дуальных или группы декодеров в состояние "включено" или "выклю-
чено" и передаются по эфиру в зашифрованной форме. Сообщения
ЕММ — это конфиденциальная информация СОД, специфицирующая,
например, уровни полномочий подписчиков или групп подписчиков на
доступ к службам или событиям.
В приемной части СОД подсистемой ограничения доступа (Conditional
Access Sub-System, CASS) является съемный модуль защиты от несанк-
ционированного доступа (модуль ограничения доступа CASS). Модуль
защиты можно включить непосредственно в приемник-декодер с ис-
пользованием между модулем и собственно приемником (хост-устрой-
ством) стандартного компьютерного интерфейса PCMCIA [4]. В этом
случае каждый приемник-декодер будет иметь индивидуальный секрет-
ный адрес. Замена модуля CASS является одним из средств восстанов-
ления ограниченного доступа после пиратского проникновения в систе-
му. Кроме того, замена модуля CASS позволяет добавлять в систему
новые функциональные возможности по мере их разработки.
10.1.3. Варианты построения системы с ограниченным доступом
В системах цифрового ТВ вещания стандартизированы два основ-
ных подхода к способам ограничения доступа, называемые "SimulCrypt"
и "MultiCrypt" [5].
В варианте SimulCrypt множество приемников-декодеров используют
однотипную систему ограничения доступа, основанную на едином алго-
ритме скремблирования. Этот вариант позволяет обеспечить передачу
в одном транспортном потоке MPEG-2 вместе с программой несколь-
ких отдельных сообщений ЕСМ. Таким образом, несколько различных
СОД управляют доступом к одной скремблированной передаче. Приме-
нимость метода SimulCrypt основывается на коммерческом соглашении
между различными провайдерами программ об использовании одной
встроенной в приемники-декодеры СОД для просмотра всех программ,
независимо от того, были ли эти программы скремблированы одной
или несколькими СОД. Вариант SimulCrypt позволяет одной и той же
программе, в которую введены различные потоки битов, управляющие
ограничением доступа, быть воспроизведенной на нескольких прием-
никах с различным оборудованием для ограничения доступа.
10.1 Модель системы с ограниченным доступом
287
В варианте MultiCrypt многие приемники имеют единый интерфейс
шины персонального компьютера PCMCIA между стандартным моду-
лем СОД и приемником-декодером, что позволяет передавать парал-
лельно несколько программ, использующих различные СОД. В этом
случае вещатели могут использовать модули, изготовленные различ-
ными производителями, что дополнительно повышает устойчивость
системы от посягательств пиратов. Единый интерфейс работает на уровне
транспортного потока MPEG-2, и хотя он изначально предназначен для
ограничения доступа, он может также оказаться полезным для других
целей, например, для электронных путеводителей по программе. Пос-
ле установки в приемник модуля ограниченного доступа с единым ин-
терфейсом PCMCIA различные СОД могут адресоваться последователь-
но этим приемникам-декодерам.
Выбор того или иного варианта доступа остается за провайдером и
пользователем.
При всех вариантах построения СОД в приемнике-декодере могут
быть выделены две части системы ограничения доступа: 1) подсистема
дешифрирования и 2) подсистема дескремблирования. Первая перево-
дит в рабочее состояние кодированные ключи, полученные IRD, кото-
рые необходимы для работы дескремблера; вторая делает понятными
полученные данные изображения и звука.
В настоящее время в большинстве случаев роль ключа ограничения
доступа выполняют сменные смарт-карты, взаимозаменяемые считы-
вающие устройства, которые устанавливают в приемники-декодеры с
использованием единого интерфейса PCMCIA.
10.1.4. Алгоритм скремблирования для систем с ограниченным доступом
При разработке стандартов на системы цифрового телевидения было
решено не стандартизировать входящие в СОД системы администриро-
вания абонентами SMS и предоставления полномочий абоненту SAS.
Вместо этого были определены единый алгоритм скремблирования циф-
рового потока и единый интерфейс подключения модуля защиты [5].
Такой подход позволяет вещателям, заключившим коммерческое со-
глашение, использовать декодеры с различными алгоритмами ограни-
чения доступа и гарантировать возможность выбора СОД [6].
Алгоритм скремблирования для массового применения в системах
цифрового ТВ вещания должен быть максимально и надолго защищен
от пиратского нарушения авторских прав в течение длительного пери-
ода времени. Поскольку он содержит необходимую и достаточную ин-
формацию о безопасности службы, было установлено, что технические
подробности алгоритма скремблирования могут быть раскрыты толь-
ко добросовестным пользователям под их письменную гарантию нераз-
глашения. Хранителем единого алгоритма скремблирования является
институт ETSI [9].
В случае скремблирования на уровне транспортных пакетов (TS) дли-
ной 188 байт алгоритм скремблирования применяется в полезной на-
грузке транспортного пакета. Скремблирование с тем же самым алго-
288
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
ритмом на уровне элементарного пакетированного пакета (PES-пакета)
требует, чтобы заголовок PES-пакета не был скремблирован, а транс-
портные пакеты, содержащие части скремблированных PES-пакетов,
не содержали полей адаптации (за исключением транспортного пакета,
содержащего конец PES-пакета) [10]. Заголовок скремблированного PES-
пакета не должен охватывать несколько транспортных пакетов»
Транспортный пакет, содержащий начало скремблированного PES-
пакета, заполняется заголовком PES-пакета и первой частью его полез-
ной нагрузки. Таким образом, первая часть полезной нагрузки PES-
пакета скремблируется точно так же, как полезная нагрузка
аналогичного объема в транспортном пакете. Остальная часть полез-
ной нагрузки PES-пакета разделяется на суперблоки по 184 байта. Каж-
дый суперблок скремблируется точно так же, как полезная нагрузка
транспортного пакета длиной 184 байт.
Заключительный блок полезной нагрузки PES-пакета синхронизи-
рован с концом транспортного пакета путем вставки поля адаптации
соответствующего размера. Если длина PES-пакета не кратна 184 бай-
там, то последняя часть его полезной нагрузки (от 1 до 183 байт) скрем-
блируется точно так же, как полезная нагрузка того же объема в транс-
портном пакете. Диаграмма, иллюстрирующая преобразование
скремблированных PES-пакетов в транспортные TS-пакеты, приведена
на рис. 10.3.
Метод скремблирования на уровне PES-пакетов накладывает неко-
торые ограничения на процесс мультиплексирования, что облегчает
процесс дескремблирования. Для снижения сложности приемного обо-
рудования пользователя применяется только одна цепь дескремблирова-
PES-пакет
PES-заголовок
Полезная нагрузка PES-пакета (скремблирована)
PES-заголовок PES-данные
PES-данные
TS-пакеты
Поле адаптации PES-данные
Рис. 10.3. Диаграмма скремблирования на уровне PES-пакета
10.1 Модель системы с ограниченным доступом
289
ния. Кроме того, для упрощения процедур скремблирования при преоб-
разовании скремблированных PES-пакетов в TS-пакеты рекомендуется:
осуществлять скремблирование только на одном уровне (TS- или
PES-пакеты), а не на обоих одновременно;
длина заголовка скремблированного PES-пакета не должна пре-
вышать 184 байт;
транспортные пакеты, содержащие части скремблированных PES-
пакетов, не должны содержать поля адаптации. Исключение со-
ставляют пакеты TS, соответствующие окончанию PES-пакета.
Пакет TS с окончанием скремблированного PES-пакета может
содержать поле адаптации для синхронизации конца PES-пакета
по концу TS-пакета.
При таком методе, если возникает потребность ввода поля адапта-
ции в TS-пакеты, содержащие скремблированные PES-пакеты, может
произойти некоторое увеличение объема служебной информации паке-
та. В этом случае в поток должен быть вставлен TS-пакет, содержащий
только поле адаптации.
Для управления процессами дескремблирования используется соот-
ветствующее поле из двух битов, размещаемое в заголовках как PES-
пакета, так и TS-пакета. Первый бит поля управления индицирует,
скремблирована (1) или нет (0) полезная нагрузка пакета. Второй бит
поля управления индицирует использование скремблирования с чет-
ным (0) или нечетным (1) ключом. Значения битов управления скремб-
лированием приведены в таблице.
Таблица. Значения битов управления скремблированием
Значение бита Описание
00 Нет скремблирования полезной нагрузки TS-пакетов (соответствие MPEG-2)
01 Зарезервировано для использования в будущем
10 TS-пакет скремблирован с четным ключом
11 TS-пакет скремблирован с нечетным ключом
Если полезная нагрузка транспортного пакета не скремблируется на
уровне TS-пакета, то вид скремблирования должен быть определен на
уровне PES-пакета. Значения битов управления для этого случая точно
такие же, как и для уровня TS-пакета. Алгоритм разработан так, чтобы
минимизировать объем памяти в схеме дескремблера за счет усложне-
ния скремблера. Точные значения объема памяти и также времени за-
держки дескремблирования зависят от конкретной реализации устройств.
290
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
10.2. Эксплуатационные требования к системе с ограничением
доступа
10.2.1. Методы оплаты
В СОД предусматриваются следующие основные методы назначения
платежей и оплаты [3]:
подписка (предварительная оплата времени просмотра всех же-
лательных программ);
плата за просмотр (Pay-Per-View, PPV), т.е. предварительная оп-
лата просмотра отдельной программы или группы программ;
разовая плата за просмотр (Impulse Pay-Per-View, IPPV), т.е. оп-
лата программы или группы программ по факту просмотра без
авансового перечисления.
Методы оплаты PPV и IPPV обычно требуют наличия обратного ка-
нала от зрителя к оператору СОД, например, с использованием теле-
фонного соединения и модема, встроенного в интегрированный прием-
ник-декодер IRD. Обратный канал может служить для записи
хронологии просмотра программ, что важно с точки зрения учета прав
на доступ к ним.
10.2.2. Особенности эксплуатации систем с ограниченным доступом
Для организации перспективного и открытого рынка передач с огра-
ниченным доступом важно, чтобы элементы СОД могли быть разделе-
ны. Один универсальный приемник-декодер должен обеспечивать при-
ем и декодирование ТВ передач с ограниченным доступом от различных
вещателей, использующих, возможно, различные средства доставки
информации (например, кабельные, спутниковые или наземные систе-
мы). Это означает, что декодер может обеспечивать одновременную
работу многих устройств защиты или одного, используемого различ-
ными поставщиками услуг. В последнем случае устройство защиты дол-
жно быть разделено на независимые зоны так, чтобы операторы имели
доступ к записи и считыванию только из тех зон, которые содержат
информацию относительно прав просмотра их собственных служб. Там,
где операторы совместно используют устройство защиты, важно ре-
шить, кто вводит в действие и, главное, кто делает это повторно, осо-
бенно в случае, требующем замену устройства защиты.
В некоторых случаях (например, вещание сообщений) вещатель дол-
жен обращаться к большому числу декодеров в течение короткого пе-
риода времени. В этих ситуациях целесообразно использовать разде-
ленные ключи, чтобы уменьшить время доступа для больших
зрительских аудиторий. Аудитория делится на группы зрителей. Каж-
дый из них в пределах отдельной группы имеет один и тот же разделен-
ный ключ, с помощью которого можно сформировать часть полного
10.2 Эксплутационные требования к системе с ограничением доступа
291
управляющего слова. При этом различные сообщения, предназначен-
ные для данного конкретного зрителя, могут быть объединены.
Иногда бывает так, что сигнал вещания может последовательно транс-
лироваться двумя или более различными средствами доставки. Напри-
мер, программа может передаваться через спутник, а затем достав-
ляться в некоторые дома с помощью кабельных систем. В таких случаях
желательно изменить управление правами на доступ на стыке средств
распределения без полного дескремблирования и повторного скрембли-
рования данных. Однако здесь существует риск нарушения защиты,
потому что один оператор СОД должен был бы предоставлять управля-
ющее слово другому оператору для работы аппаратуры преобразова-
ния управления.
Практически может быть безопаснее (хотя дороже) дескремблиро-
вать и повторно скремблировать данные на стыке средств распределе-
ния. Дескремблеры и рескремблеры различных изготовителей СОД по-
тенциально могут быть встроены в соответствующие модули
производителей компьютерного интерфейсного оборудования [3].
Изменение управления правами на доступ на стыке средств распре-
деления дает возможность конечному оператору системы передачи обес-
печивать прямой контроль каждого потребителя над всеми предостав-
ляемыми услугами. Это означает, что зритель должен эксплуатировать
только СОД, используемую конечным оператором системы передачи.
Однако данный подход означает также, что поставщики информации и
операторы системы передачи, которые предоставляют услуги конеч-
ным операторам системы, не могут иметь прямое и исключительное
интерактивное взаимодействие с абонентами.
Другой подход исключает какое-либо преобразование управления на
стыке средств распределения. В этом случае зритель получает доступ
ко всем службам, использующим методы SimulCrypt или MultiCrypt.
Это создает неудобство для конечных операторов системы передачи,
так как все управление передано первоначальному оператору СОД и,
следовательно, требуются хорошие рабочие отношения между всеми
сторонами.
Для изменения условий доступа в пределах программы существуют
три подхода. Во-первых, можно модифицировать условия доступа в
каждом кадре, но это — намного чаще того, что требуется по сообра-
жениям безопасности. Во-вторых, можно изменить условия доступа,
связав их с кадром, заранее оповестив о предстоящих изменениях, и
инициировать затем их при помощи флага. И в третьих, можно заме-
нить управляющее слово непосредственно в пределах программы. Од-
нако второй и третий подходы не позволяют провайдеру программы
мгновенно изменять условия доступа.
10.2.3. Требования по обеспечению безопасности
Система с ограниченным доступом должна быть эффективна в пре-
дотвращении пиратства, т.е. несанкционированного просмотра программ
людьми, не имеющими права доступа к специфическим программам
292
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
или услугам. Хотя никакая технология СОД не может обеспечить со-
вершенную защиту, полная система (совместно с соответствующим за-
конодательством по антипиратству и принудительными мерами по пре-
дотвращению уклонения от ответственности) должна делать пиратство
достаточно трудным и неэкономичным. Полностью искоренить пират-
ство нельзя, но надо принимать меры, чтобы нарушений было, как
можно меньше. Расчетные или платежные карточки должны быть ус-
тойчивыми к постороннему вмешательству. В частности, для служб с
оплатой за каждый просмотр механизм подсчета, который указывает
остающийся кредит, должен быть защищен от несанкционированного
сброса.
Очень важно, чтобы была хорошо налажена связь между поставщи-
ком услуг и оператором СОД. Например, оператор СОД вынужден при-
нимать меры после того, как пиратство превышает допустимый уро-
вень. Имеется ряд способов восстановления информации после
пиратского проникновения. Возможно инициализировать электронный
счетчик посылкой радиосигнала, после чего пиратские карточки будут
заблокированы, или заменой модулей CASS на новые.
По соображениям безопасности в СОД должны быть включены при-
веденные ниже функции [3].
Блокирование-разблокирование декодеров — индивидуальные де-
кодеры или группы декодеров лишаются возможности дескремб-
лирования любой цифровой информации независимо от разре-
шений в платежной карточке или другом устройстве защиты.
Блокирование-разблокирование карточек. — индивидуальные
платежные карточки или группы карточек (либо другие устрой-
ства защиты) должны быть приспособлены к блокированию-раз-
блокированию через эфир.
Блокирование-разблокирование программной услуги — индиви-
дуальные платежные карточки или группы карточек, должны
быть приспособлены к блокированию-разблокированию декоди-
рования любой программной услуги с помощью соответствующе-
го радиосигнала.
Посылка сообщения декодеру — текстовое сообщение посылает-
ся индивидуальным декодерам или группам декодеров для ото-
бражения на экране. В качестве альтернативы эфирное сообще-
ние может включать команду на отображение и адрес сообщения,
который предварительно введен в декодер или в платежную кар-
точку, например, предупреждать о приближении конца оплачен-
ного периода просмотра или просить зрителя войти в контакт с
расчетным бизнес-центром СОД.
Посылка декодеру сообщения, относящегося к индивидуальной
программной услуге — текстовое сообщение посылается индиви-
дуальным декодерам или группам декодеров вышеуказанным об-
разом, но отображается только тогда, когда приемник/декодер
выбирает соответствующую программную услугу.
10.3 Обратный канал в системе с ограничением доступа
293
Отображение идентификатора карточки заказчика — серийный
номер платежной карточки или других средств идентификации
отображается на экране. Это не секретный идентификатор, со-
держащийся внутри карточки, а некий незащищенный иденти-
фикатор, который может быть напечатан на карточке. Данная
функция полезна для процедур техобслуживания.
Изменение подключения и "мертвые " даты — важной особеннос-
тью защиты является возможность изменения алгоритмов де-
шифрации правовых радиосообщений и получения управляющих
слов для дескремблирования. Для беспрепятственного перехода
от одного набора алгоритмов к следующему полезно, чтобы пла-
тежная карточка (или другое устройство защиты) сохраняла и
алгоритмы, и дату их изменения. Эта дата может быть установ-
лена радиосигналом. Должна также иметься "мертвая” дата, пос-
ле которой карточка становится недействительной.
10.3. Обратный канал в системе с ограничением доступа
В большинстве случаев обратный канал можно организовать между
приемником-декодером и системой администрирования абонентами SMS,
используя модем и телефонную сеть или обратный канал системы ка-
бельного телевидения. Имеется ряд причин для использования обрат-
ного канала [1].
Улучшенная защита информации — обратный канал образует
взаимно однозначную связь между вещателем и каждым декоде-
ром. Информация в обратном канале должна быть шифрован-
ной.
Оплата счетов — обратный канал можно использовать для ре-
гистрации внесенной абонентом платы за просмотр PPV и IPPV.
Услуги по оплате счетов могут также предоставляться зрителям
после их обращения к оператору SMS по телефону. Однако этот
способ приводит к большим затратам времени и средств как для
зрителя, так и для SMS.
Интерактивное телевидение — обратный канал можно исполь-
зовать для участия аудитории, например, в голосовании, телеиг-
рах, дистанционных покупках и банковских операциях. В ряде
случаев обратный канал может применяться для доставки сооб-
щения от SMS до декодера, а также для решения проблем, свя-
занных с цифровой передачей сигнала программы, например, для
доставки к SMS диагностической информации типа результатов
измерений напряженности поля у абонентского приемника, зна-
чений коэффициента цифровых ошибок по битам и другой ста-
тистической информации.
Передача сообщений о правах доступа — в случае даже больших
сетей вещания их пропускная способность может оказаться недо-
294
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
статочной для передачи сообщений о правах, и потребуется до-
полнительная пропускная способность, которая может быть обес-
печена с помощью телефонной сети. При предоставлении разре-
шения на доступ по радио обратный канал мог бы также
использоваться для проверки правильной настройки декодера.
Это позволило бы уменьшить число постоянно повторяемых слу-
жебных радиосигналов.
Имеется также ряд причин, препятствующих применению обратно-
го канала и прежде всего — повышение стоимости декодера соответ-
ственно его сложности:
трудности организации — заказчик может вообще не иметь те-
лефона или не иметь телефона в данной комнате (в этом случае
необходимо установить гнездо расширения или использовать "бес-
шнуровое" соединение, что увеличивает затраты);
надежность телефона — недостаточная надежность телефон-
ной службы может вызвать проблемы в некоторых зонах веща-
ния;
блокирование нормальных соединений — при работе декодера
по обратному каналу нельзя пользоваться обычной телефонной
связью, если в доме не более одной телефонной линии;
телефонное прослушивание — в зависимости от того, как рабо-
тает система связи, потенциально из-за прослушивания телефо-
на может возникнуть снижение защиты системы. Связь должна
быть шифрована, а система SMS должна идентифицировать ин-
дивидуальный декодер.
В целом выгоды от использования обратного канала намного превы-
шают затраты. В ситуациях, когда обратный канал не существует, но
имеются альтернативные средства для выполнения некоторых из его
функций, должны устанавливаться декодеры, обеспечивающие возмож-
ность работы по обратным каналам.
10.4. Интерфейс модуля, обеспечивающего ограниченный
доступ
10.4.1. Соединение модуля с главным устройством
На приемной стороне СОД для стыка модуля, реализующего алго-
ритм ограниченного доступа, и главного устройства используется стан-
дартный интерфейс PCMCIA [4]. Главным устройством (обычно называ-
емым хост-устройством) могут быть интегрированный декодер-приемник,
кассетный видеомагнитофон, персональный компьютер. При этом к од-
ной и той же системе вещания могут подключаться модули различных
изготовителей, что в итоге расширяет возможности выбора и повыша-
ет устойчивость к несанкционированному, пиратскому доступу. При-
10 4 Интерфейс модуля, обеспечивающего ограниченный доступ
295
мер подключения модуля для обеспечения доступа к хост-устройству
показан на рис. 10.4. Понятие единого интерфейса включает в себя как
определенную логическую структуру, так и физические характеристи-
ки стыка, совместимые со стандартом на платы расширения персо-
нального компьютера.
Рис. 10.4. Схема соединения модуля обеспечения доступа и хост-устройства
Единый интерфейс содержит два компонента: интерфейс транспорт
ного потока и интерфейс команд. Для упрощения их разработки и из-
готовления оба имеют несколько стандартных уровней обработки сиг-
налов, как это принято для взаимодействующих открытых систем.
Высшие уровни являются общими для всех реализаций (на низших
уровнях допускаются некоторые альтернативы [9]).
10.4.2. Архитектура модуля
Модуль СОД представляет собой микропроцессорное устройство с
типичными составляющими элементами и шинной организацией [4].
Структурная схема модуля показана на рис. 10.5.
Модуль имеет 8-разрядный параллельный вход и отдельный 8-раз-
рядный параллельный выход совместно с сигналами управления и бай-
товой синхронизации [10].
Интерфейс команд содержит двунаправленную 8-разрядную шину
данных совместно с шинами адресов и управления [6].
Дескремблер модуля принудительно конфигурируется для дескремб-
лирования транспортного и элементарного потоков. Для этого цент-
ральный процессор управления (ЦПУ) загружает в него соответствую-
щее слово управления. Поскольку дескремблер может одновременно
296
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
Интерфейс платы ПК
Рис. 10 5. Структурная схема модуля обеспечения ограниченного
дескремблировать несколько сигналов, он должен содержать список слов
управления, ассоциированных с идентификаторами дескремблируемых
сигналов программ. Дескремблер не должен дескремблировать пакет
TS, если его флаг управления transport scrambling control flag уста-
новлен в состояние 00. То же самое относится к PES-пакету, содержа-
щему флаг PES-пакета scrambling control flag в состоянии 00.
Для нормальной работы системы с ограниченным доступом требу-
ются некоторые данные, передаваемые в составе транспортного потока
в пределах таблиц РМТ, NIT, РАТ и CAT. Фильтр-выделитель конфи-
гурируется таким образом, чтобы выделять эти данные, необходимые
для дескремблирования заданных сигналов программ и услуг [11].
Центральный процессор осуществляет операции ограниченного дос-
тупа и структурирует данные в пределах модуля и на стыке между
модулем и хост-устройством для выполнения функций ограничения
доступа.
Постоянная память используется для хранения программ, реализу-
ющих ограниченный доступ, и атрибутивных данных, необходимых в
процессе инициализации модуля. В оперативной памяти хранятся те-
кущие данные обрабатываемого цифрового сигнала.
10.4 Интерфейс модуля, обеспечивающего ограниченный доступ
297
Процессор защиты позволяет выполнить более высокие требования
к защите от несанкционированного доступа, чем может обеспечить цен-
тральный процессор. Он реализует функции дешифрования и хране-
ния защищающей информации, такой как ключи и заголовки. Он мо-
жет быть либо введен непосредственно в состав модуля, либо
интегрирован в ассоциированный смежный модуль, в качестве которо-
го обычно используется карточка-ключ.
10.4.3. Интерфейс транспортного потока
Интерфейс транспортного потока передает транспортные пакеты стан-
дарта MPEG-2 в обоих направлениях. Если модуль предоставляет дос-
туп к любым услугам транспортного потока, а эти услуги были выбра-
ны с помощью хост-устройства, то пакеты, содержащие информацию
об этих услугах, будут возвращены дескремблированными, а осталь-
ные пакеты останутся неизменными. В большинстве случаев между
модулем и любыми логическими цепями соответствующего физическо-
го уровня имеется постоянная задержка прохождения сигнала. При
рассмотрении интерфейса транспортного потока обычно выделяют сле-
дующие интерфейсные уровни [9]:
высшие уровни;
транспортный уровень;
уровень звена платы персонального компьютера (ПК);
физический уровень платы ПК.
10.4.4. Интерфейс команд
Интерфейс команд осуществляет обмен служебными сообщениями
между модулем для обеспечения ограниченного доступа и хост-устрой-
ством. Протокол взаимодействия по интерфейсу команд разделен на
несколько уровней. Следует предусмотреть использование одним и тем
же хост-устройством нескольких модулей; поддержку сложных комби-
наций взаимодействия между модулем и хост-устройством; расширен-
ный набор функциональных возможностей (ресурсов), обеспечиваемых
модулю хост-устройством. К этим ресурсам относятся:
интерфейс пользователя;
низкоскоростная передача сообщений;
опции расширений.
Протокол интерфейса команд включает:
прикладной уровень;
сеансовый уровень;
транспортный подуровень;
298
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
транспортный подуровень платы ПК;
уровень звена платы ПК;
физический уровень платы ПК.
10.4.5. Физические требования к интерфейсу
Физические требования к интерфейсу определяют механические и
электрические соединения между модулем и хост-устройством, т.е. тип
и размер разъема, число контактов, уровни напряжения и мощности,
импедансы.
Требования к интерфейсу на физическом уровне определяются [6]:
логическими соединениями для транспортных потоков и команд;
скоростями передачи данных;
режимом соединения и разъединения цепей;
инициализацией низкого уровня сигнала;
использованием многих модулей.
Логические соединения должны обеспечивать независимую двухсто-
роннюю передачу транспортного потока и команд. При этом интерфейс
транспортного потока должен обрабатывать транспортный поток стан-
дарта MPEG-2 в виде последовательности транспортных пакетов либо
смежных, либо разделенных нулевыми байтами. Возвращаемый транс-
портный поток может содержать некоторые входящие транспортные
пакеты, возвращаемые в дескремблированной форме. Интерфейс ко-
манд должен обеспечивать передачу в обоих направлениях команд, оп-
ределенных спецификацией на транспортный уровень. Минимальная
скорость передачи данных в обоих направлениях должна быть не ме-
нее 3,5 Мбит/с.
Подсоединение и отключение модуля должно обеспечиваться в лю-
бое время независимо от того, включено хост-устройство или нет. При
этом не должны возникать никакие электрические повреждения ни в
модуле, ни в хост-устройстве, а хранимые в модуле данные не должны
быть подвержены никаким изменениям. Если модуль не подключен, то
должен осуществляться его обход по интерфейсу транспортного пото-
ка. При этом команды в направлении к этому модулю не передаются.
При подключении модуля хост-устройство должно выполнить его ини-
циализацию на низком уровне, т.е. проверить физические соединения
и соответствие стандарту DVB. После успешного завершения этих про-
цедур хост-устройство осуществляет включение модуля в тракт обра-
ботки транспортного потока. Допускается, что в течение описанного
процесса часть данных транспортного потока будет потеряна.
Если цепи физического уровня хост-устройства используются для
подключения и других устройств или если подключаемый модуль не
соответствует стандарту DVB, то не должно быть никаких поврежде-
ний ни модуля, ни хост-устройства. Полная инициализация модуля
10.4 Интерфейс модуля, обеспечивающего ограниченный доступ 299
при этом не проводится, а хост-устройство может сигнализировать
пользователю о подключении неопознанного модуля.
При отсоединении модуля от хост-устройства восстанавливается ис-
ходный режим обработки транспортного потока. При этом также до-
пускается частичная потеря транспортных данных.
Прикладной уровень интерфейса не накладывает ограничений на
число модулей, подключаемых в любое время к хост-устройству [9].
Однако такие ограничения могут появиться при некоторых реализаци-
ях цепей физического уровня или в связи с конструкцией хост-устрой-
ства. Считается, что число потенциально подключаемых модулей дол-
жно быть не менее 15. Принцип подключения нескольких модулей к
хост-устройству иллюстрируется рис. 10.6. Интерфейс транспортного
потока при этом организован по последовательно-шлейфовому типу.
Хост-устройство должно обеспечивать одновременно раздельные соеди-
нения интерфейса команд с каждым модулем, чтобы взаимодействия
между хост-устройством и каждым модулем осуществлялись независи-
мо друг от друга. При отсоединении конкретного модуля в интерфейсе
команд не должны возникать какие-либо нарушения относительно лю-
бого другого модуля. При совместной работе с несколькими модулями
хост-устройство должно отбирать модули для корректного дескрембли-
рования выбранных служб [6].
Рис. 10.6. Интерфейс транспортного потока для хост-устройства с несколькими
модулями
300
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
10.5. Маркирование цифровыми водяными знаками
С задачей ограничения доступа тесно связана задача установления и
охраны авторских прав. Для этой цели в системах цифрового ТВ и
звукового вещания применяют специальные метки (маркеры) авторс-
кого материала и скомпонованных программ, так называемые цифро-
вые водяные знаки (Digital Watermark, DW — ЦВЗ). Управление дос-
тупом и маркирование ЦВЗ являются двумя комплиментарными
методами защиты информации. Цифровые методы ограничения досту-
па, в частности, частая смена ключей, позволяют передать содержание
исключительно подписчикам службы. Но при этом все равно остается
задача удостовериться, что содержание не было нарушенным [12].
ЦВЗ — это нестираемый скрытый код или метка, который незамет-
ным образом вводится в аудио-визуальные сигналы программы и по-
зволяет проверить оригинальность материала или предоставляет сред-
ства для транспортировки скрытой информации. Право их выделения
ЦВЗ и отображения предоставляется только тем, у кого есть ключ для
их выделения, контроля и использования с целью идентификации со-
держания, установления аутентичности (подлинности), обнаружения
копий, контроля трафика и т.п.
Маркирование ЦВЗ напоминает процесс присвоения программе в ходе
ее производства некоторого ярлыка, который подтверждает права соб-
ственности на нее и т.п. Без специальных технических средств ЦВЗ
является невидимым, никоим образом не нарушающим программу (в
худшем случае он просто добавляет небольшой шум к видимому содер-
жанию программы) и не может быть подделан [13].
Для ввода ЦВЗ в сигнал и для обнаружения его в сигнале требуется
специальная кодовая комбинация, несущая информацию о парамет-
рах ввода, — ключ ЦВЗ. Непреднамеренные искажения сигнала вмес-
те с введенным ЦВЗ при обработке и при передаче по каналу или пред-
намеренные пиратские попытки взлома и подавления ЦВЗ ведут к
снижению надежности его обнаружения и выделения. Для осуществле-
ния процесса детектирования ЦВЗ ключ должен быть передан на де-
тектор защищенным образом. При детектировании выносится двоич-
ное решение — присутствует или нет ЦВЗ в сигнале. Для увеличения
объема информации, относящейся к ЦВЗ, в его составе могут переда-
ваться некоторые данные, называемые полезной нагрузкой. Тогда при
детектировании из ЦВЗ извлекается и полезная нагрузка. Естественно,
всегда есть компромисс между объемом (скоростью) передачи полезной
нагрузки и надежностью (скрытностью) ЦВЗ. Секретные ключи ЦВЗ
могут выполнять роль идентификационного номера владельца инфор-
мации или ее получателя. Ввиду ограниченной пропускной способнос-
ти канала полезной нагрузки она в большинстве случаев играет роль
указателя на запись в базе данных, содержащую подробные сведения
[14].
Таким образом, при вводе и передаче ЦВЗ следует учитывать три
главных параметра:
10.5 Маркирование цифровыми водяными знаками
301
уровень заметности (видимости или слышимости) ЦВЗ;
уровень надежности (устойчивости и ложной тревоги);
скорость передачи данных полезной нагрузки.
Необходимость введения ЦВЗ может возникнуть в различных точ-
ках тракта вещания. В настоящее время принято выделять три харак-
терные точки маркирования (W1-W2-W3), которые показаны на фун-
кциональной схеме сети вещания на рис. 10.7.
Рис. 10.7. Схема точек ввода цифровых водяных знаков
ЦВЗ W 1 (универсальный указатель базы данных прав собственнос-
ти) идентифицирует некоторую работу (услугу, программу) в момент ее
создания, например, используя маркирование непосредственно в видео-
камере. ЦВЗ W 1 указывает на запись в базе данных, которая хранит
описание этой работы. Для этих целей предлагается универсальная
структура 1У1 в виде комбинации длиной 64 бита, разделенных на три
поля.
Первое поле длиной 8 бит отводится для идентификации междуна-
родной организации, которая стандартизирует описание содержания
базы данных. Максимально может быть отмечено 255 организаций,
битовая последовательность из 8 единиц зарезервирована на будущее.
Второе поле длиной 15 бит предназначено для идентификации мест-
ного агентства, уполномоченного международной организацией распре-
делять указатели W1. Максимально может быть отмечено 32768 мест-
ных агентств.
Третье поле длиной 41 бит — это собственно идентификационный
номер. Таким образом, каждое местное агентство может идентифици-
ровать 2199 миллиардов выполненных работ.
ЦВЗ W 2 служит для защиты в тракте первичного распределения
302
10. Ограничение доступа в системах цифрового ТВ вещания
программ. Этот тракт представляет собой систему с одним входом (на
него поступает сигнал с введенным ЦВЗ W 1) и множеством выходов.
На каждом из выходов с целью его идентификации вводится ЦВЗ W 2
длиной 64 бита, содержащий идентификационные номера поставщика
и получателя программы, а также краткие сведения о вещателе, полу-
чающем программу для дальнейшего распределения.
ЦВЗ W 3 используется для контроля возможного пиратского копи-
рования программ, получаемых подписчиком, и вводится непосредствен-
но в приемнике-декодере конечного пользователя.
Совмещение управления доступом и маркирования ЦВЗ ведет к ком-
плексной схеме защиты, удовлетворяющей концепции открытых се-
тей, а именно к отсутствию доступа к незашифрованному или не поме-
ченному содержанию программы в любой точке тракта передачи [15].
Обязательное условие — процесс маркирования ЦВЗ должен быть тес-
но связан с системой дешифрирования, а обе операции объединены так,
чтобы избежать съема информации в точке, где содержание дешифру-
ется, но еще не маркируется.
Список литературы
1. Functional Model of a Conditional Access System. — EBU Technical
Review №.266 (Winter 1995).
2. ITU-R. Doc.llA/5-Е, 15.02.1996. (EBU). — EBU Conditional Access
Requirements Reference Model.
3. ITU-R. Doc.llA/40-Е, 28.10.1996. (EBU). — Functional Model of a
Conditional Access System.
4. PC Card Standard, Volume 2: Electrical Specification. — February
1995. — Personal Computer Memory Card International Association.
Sunnyvale, California.
5. ETSI Technical Report TR 101 200 VI.1.1 (1997-09). — Digital Video
Broadcasting (DVB); A guideline for the use of DVB specifications and
standards. — EBU/ETSI JTC.
6. ITU-R. Doc.llA/42-Е, 28.10.1996. (EBU). — Common Interface
Specification for Conditional Access and Other Digital Video
Broadcasting Decoder Applications.
7. ITU-R. Doc.llA/41-Е, 28.10.1996. (EBU). — Digital Video
Broadcasting (DVB); Support for use of Conditional Access within
Digital Broadcasting Systems.
8. ETSI Technical Report ETR 289 (October 1996). Digital Video
Broadcasting (DVB); Support for use of scrambling and Conditional
Access (CA) within digital broadcasting systems. — EBU/CENELEC/
ETSI JTC.
9. DVB Document A025. Guideline for Implementation and Use of the
Список литературы
303
Common Interface for DVB Decoder Applications. — DVB Project Office.
May 1997.
10. ETSI Technical Specification TS 101 197-1 VI.1.1 (1997-06). Digital
Video Broadcasting (DVB); DVB SimulCrypt; Part 1: Head-end
architecture and synchronization. — EBU/ETSI JTC.
11. ITU-R Recommendation ВТ. 1207-1. Data Access Methods for Digital
Television Broadcasting. ITU-R Recommendations. — ВТ Series.
Broadcasting Service (Television).
12. Barda J., Cheveau L. Eurovision — network security through access
control and Watermarking. Part 1. — EBU Technical Review. № 281
(Autumn 1999).
13. Wood D. The challenges of rights management. — EBU Technical
Review. №282 (March 2000).
14. ITU-T. SG 9. Delayed Contribution D.95, 13 — 17 September 1999.
(EBU). — Users Requirements for Watermarking.
15. Barda J., Cheveau L. Access control and Watermarking. Part 2. —
EBU Technical Review. № 282 (March 2000).
III. Принципы построения и
особенности внедрения систем
цифрового ТВ вещания
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
11.1. Глобальный подход к цифровому вещанию
11.1.1. Глобальная модель систем цифрового вещания
Международные исследования в области цифрового вещания осно-
вываются на глобальной модели системы цифрового вещания, отража-
ющей новые подходы к массовой многоцелевой интерактивности и пе-
редаче мультимедиа, а также принимающей во внимание возможные
среды передачи. Глобальный подход к цифровому ТВ вещанию опреде-
ляет его как систему массового многоцелевого информационного обслу-
живания, обеспечивающую комплексное решение проблем многопрог-
раммного ТВ вещания (МПТВ), передачи больших объемов цифровых
данных, массовой интерактивности, а также ряда задач мультимедиа и
других информационных служб [1] (см. рис.6.6).
Глобальная модель учитывает необходимость гармонизации и взаи-
моувязки комплексов производства и распределения программ, техно-
логические особенности основных участков ТВ тракта, методы плани-
рования зон покрытия наземных и спутниковых сетей, соблюдение
жестких международных норм электромагнитной совместимости, ме-
тодологию создания единых мировых ТВ стандартов. Такая модель
включает в себя разнообразные ТВ службы, представляющие суще-
ственный интерес для широких масс зрителей (макровещание) или для
небольших групп по их индивидуальным запросам (микровещание).
Ядром глобальной модели является мультиплекс, т.е. групповой циф-
ровой сигнал, передаваемый по ТВ каналу. Мультиплекс играет роль
многоцелевого контейнера, загружаемого цифровыми сигналами не-
скольких программ ТВ вещания и обеспечивающего множество пря-
мых цифровых каналов интерактивных и других служб.
Глобальная модель цифрового ТВ вещания позволяет выделить все
основные составляющие процесса производства и распределения циф-
ровых программ, включая роль провайдеров услуг и сетевых операто-
ров. В отличие от аналогового ТВ вещания, при котором каждый ве-
щатель имел свой частотный канал, при цифровом ТВ вещании
возникает новое действующее лицо — оператор мультиплекса. Не яв-
ляясь ни производителем программ, ни вещателем, ни сетевым опера-
11.1. Глобальный подход к цифровому вещанию
305
тором, оператор мультиплекса может предоставлять провайдерам служб
средства цифровой технологии для увеличения числа программ, кото-
рые можно передавать в каждом стандартном ТВ канале.
Слияние на базе цифрового вещания методов телекоммуникаций с
компьютерными технологиями и введение интерактивности качествен-
но изменяют традиционную роль ТВ вещания как поставщика одно-
направленных программ. Цифровой вещатель может предоставлять
целую гамму привлекательных интерактивных и мультимедийных ус-
луг вещательного и невещательного вида для макро- и микрогрупп
пользователей. Пользователь, в свою очередь, становится участником
процесса вещания и потребителем ряда новых услуг, получая, напри-
мер, возможность выбирать по своему вкусу продолжение просматри-
ваемой программы или даже формировать свою собственную програм-
му из фрагментов различных передаваемых программ. Такие программы
вещания становятся нелинейными в отличие от традиционной линей-
ной программы, где телезритель пассивен и может лишь просматри-
вать сменяющие друг друга сцены и сюжеты в последовательности,
жестко заданной поставщиком программы (модулем вещания).
Согласно глобальной модели передающая часть системы цифрового
ТВ вещания содержит модуль вещательных программ (ТВ программы,
звуковые программы, метаданные, совместимые информационные служ-
бы) и модуль мультимедийных служб (Интернет-совместимые службы,
телематические, образовательные, медиаметрические, телемедицинские
и др. службы). Информация этих двух модулей передается в составе
мультиплекса по каналу вещания на приемники пользователей.
Содержательная информация, выгружаемая из цифрового контей-
нера, предоставляется пользователям вещательных, интерактивных,
информационных и других служб. Каждый из них по каналам инте-
рактивной сети может осуществлять обмен сообщениями со своими
поставщиками программ и интерактивных услуг. Средством интерак-
тивного обмена является абонентская приставка к телевизору с клави-
атурой, памятью, декодерами систем ограничения доступа, устройства-
ми сопряжения с интерактивными каналами, модемами и другими
узлами.
Одним из новых направлений в технологии цифрового вещания яв-
ляется подход, получивший название TV Anytime (Телевидение в любое
время). По этой проблеме открыт вопрос изучения в МСЭ-Р и организо-
ван одноименный международный форум [2]. В основе подхода TV
Anytime лежит, так называемое, ’’хранение у клиента”, а именно: мас-
совый домашний абонентский приемник оборудуется накопителем на
жестком магнитном диске большого объема, служащем для записи и
воспроизведения в любое время желательных мультимедийных про-
грамм. В более современных вариантах систем TV Anytime предпола-
гается устанавливать устройства хранения с подключением их к до-
машним сетям пользователей и к сетям распределения программ [3].
Предполагается выработать ряд требований и протоколов, позволяю-
щих применять технологию TV Anytime для широкого ряда обычных
вещательных и интерактивных служб.
306
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Важными средствами построения унифицированной системы цифро-
вого вещания являются единый формат информационного содержания
и программный интерфейс приложений (прикладных программ) — API.
11.1.2. Цифровое ТВ вещание — основа вещания с интеграцией служб
Происходящий в настоящее время в мире переход на цифровое ТВ
вещание находится в своей активной фазе. Известные планы предус-
матривают переход развитых стран на полностью цифровое вещание в
течение 2006-2015 гг.
Обычной практикой при внедрении цифрового наземного ТВ веща-
ния является установление переходного периода на срок примерно 10-
15 лет, когда одновременно будет производиться и аналоговое, и циф-
ровое вещание. При этом должны сохраняться существующие частотные
планы, т.е. сетка наземных каналов со своими номинальными полоса-
ми частот в 6; 7; 8 МГц [4]. Переход от аналогового к цифровому
вещанию должен сопровождаться ростом эффективности использова-
ния радиоспектра (исключительно дефицитного ресурса), повышением
помехоустойчивости доставки информации, снижением помех другим
службам радиосвязи и вещания. Каждый канал ТВ вещания, переводи-
мый в режим цифрового вещания, должен кардинально увеличивать
число, качество и номенклатуру услуг, предоставляемых пользовате-
лю, т. е. канал должен обладать прозрачностью для всех видов данных в
составе потока транспортных пакетов. Эти свойства можно кратко опре-
делить как многопрограммность и многофункциональность системы циф-
рового ТВ вещания [5, 7]. Они позволяют рассматривать цифровое ТВ
вещание в качестве составной (и важнейшей) части цифрового вещания
с интеграцией служб (ЦВИС), которое является перспективным видом
доставки мультимедийной информации и основывается на эффектив-
ном использовании пропускной способности проводных и радиокана-
лов системами с множеством служб. Это позволяет объединять на сис-
темном уровне в одном стандартном канале ряд цифровых потоков,
каждый из которых может включать несколько сигналов изображения
различных классов качества, сигналы программ звукового вещания,
данные Интернета, другую графическую и текстовую информацию и
т.д.
Система цифрового ТВ вещания содержит не только различные служ-
бы, но и разнообразные системы доставки информации, поскольку, об-
ладая способностью сопряжения с различными видами цифровых се-
тей, полностью обеспечивает режим распределения и трансляции
вещательных программ и независимых данных, как с открытым, так и
с ограниченным доступом. В систему цифрового ТВ вещания легко вве-
сти функцию гибкой интерактивности, позволяя пользователю иметь
связь с провайдерами услуг по различным видам каналов, доступных в
конкретной ситуации. Практическая реализация систем цифрового ТВ
вещания невозможна без скоординированных усилий международных
организаций, в первую очередь, ИСО/МЭК и МСЭ.
Так в МСЭ-Р на основе Вклада Японии был разработан проект пер-
11.2. Архитектура систем доставки сигналов цифрового ТВ вещания
307
вой Рекомендации по системам спутникового цифрового вещания с ин-
теграцией служб [10]. Согласно проекту, интеграция служб осуществ-
ляется на основе алгоритмов формирования транспортного потока стан-
дарта MPEG-2, выполняющего функцию некоторого виртуального
контейнера переносимых данных. Предполагается, что новая система
должна обеспечивать требования пользователя, индивидуальные для
каждой из интегрируемых служб.
С целью дальнейшей гармонизации спутниковых систем МПТВ был
разработан предварительный проект новой Рекомендации [11], объеди-
няющей действующие Рекомендации МСЭ-Р ВО.1211 [12], ВО.1294 [13],
и проект Рекомендации по системе с интеграцией служб [9, 10].
Япония представила также проект новой Рекомендации со специфи-
кацией системы цифрового наземного вещания с интеграцией служб,
использующей схему модуляции BST-OFDM [14]. Параметры этой сис-
темы в части сегментирования спектра и соответствующего распреде-
ления несущих были доработаны по сравнению с предыдущим вариан-
том [15, 16, 17]. Система представлена в трех вариантах применительно
к существующим стандартным каналам наземного ТВ вещания с номи-
нальной полосой частот 6; 7 или 8 МГц. Информации об этой системе
была включена в существующую Рекомендацию МСЭ-Р ВТ. 1306 по
методам модуляции сигналов в цифровом наземном ТВ вещании под
условным названием Система С [18].
11.2. Архитектура систем доставки сигналов цифрового ТВ
вещания
11.2.1. Определение и классификация систем доставки
Для того, чтобы учесть все многообразие технических и эксплуата-
ционных проблем, обусловленных переходом на цифровое ТВ веща-
ние, и правильно спланировать практические шаги в этом направле-
нии, большое внимание уделяется разработке эталонных моделей
цифровых систем и служб, определению параметров стыковочных то-
чек между комплексами и подсистемами. Такие модели призваны выч-
ленить основные вопросы внедрения цифрового вещания и рассматри-
вать их в тесной увязке со специфическими для каждой страны нормами
и правилами вещания, а также с учетом взаимодействия и сопряжения
в международном аспекте.
При построении моделей большое внимание уделяется вопросам вза-
имодействия сетей, комплексов и устройств, образующих систему. При
анализе систем и методов цифрового ТВ вещания особое значение име-
ет модель системы доставки информации пользователям. Архитекту-
ра и интерфейсы системы доставки детально исследованы в Рекоменда-
циях Совета DAVIC [19].
Термин ’’система доставки" имеет в общем случае достаточно широ-
кое значение, и может характеризовать любые средства, служащие для
передачи информации от источника до получателя. В более узком смыс-
308
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
ле — это средство доставки информационного содержания услуги от
контент-провайдера до провайдера служб и от провайдера служб до
конечного пользователя (см. рис. 11.1, на котором: СКП — система
контент-провайдера, СПС — система провайдера служб, СПУ — систе-
ма получателя услуг, А1 — АН — эталонные стыки). Основная функ-
ция — перенос информации между пользователями системы доставки
по любым средам, от лент и дисков до спутниковых широкополосных
систем.
Рис. 11.1. Структура системы доставки
Классификация систем доставки показана на рис. 11.2, где все сис-
темы разделяются на две большие категории — сетевые и несетевые.
В системах вещания принципиальное значение имеют сетевые системы
доставки, которые делятся, в свою очередь, на радиосистемы и кабель-
ные системы, и могут быть одно- и двунаправленными (интерактивны-
ми).
Физические средства доставки и хранения характеризуются низкой
вероятностью ошибки и не требуют принятия специальных мер по за-
щите транспортных потоков. Напротив, сетевые системы доставки мо-
гут работать в условиях повышенных помех и требуют согласования с
каналом по нескольким параметрам. Такое согласование обеспечивают
подсистемы адаптации к каналу, которые вместе со средой передачи и
абонентскими приемниками образуют систему цифрового ТВ вещания.
11.2.2. Архитектура кабельной сети системы доставки
В архитектуре кабельной сети (рис. 11.3) выделяют транспортную
сеть, или сетевое ядро (core network), сеть доступа (access network),
внутридомовую сеть (in-home network), а также типичные линии разде-
ла между сетями и устройствами; им соответствуют эталонные точ-
ки стыка, обозначенные индексами АО—А4, А9.
11.2. Архитектура систем доставки сигналов цифрового ТВ вещания
309
Рис. 11.2. Классификация систем доставки
Провайдер
УСЛУГИ А9
Сетевое ядро
Рис. 11.3. Архитектура кабельной сети системы доставки
310
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Под сетевым ядром понимают сеть электросвязи, восходящую от
вторичных распределительных узлов, т.е. точек, в которых коммути-
руются или из которых распределяются сигналы. Она включает репор-
тажные и первичные распределительные сети [20—22].
Сетевое ядро обеспечивает коммутируемые соединения между про-
вайдерами услуг и их потребителями, подключенными с помощью сети
доступа. В функции сетевого ядра входят установление, поддержка и
завершение соединений и сеансов. Кроме того, оно выполняет функции
управления сетью. В минимальном случае сетевое ядро может пред-
ставлять собой один коммутатор, а в максимальном — глобальную
транспортную сеть. Для мультиплексирования, коммутации и переда-
чи информации по сетевому ядру используется технология ATM, кото-
рая позволяет устанавливать соединения при любой скорости битов, не
превосходящей максимально допустимых значений для используемых
каналов связи.
Подключение видеосервера провайдера услуг к сетевому ядру про-
изводится непосредственно, для чего предусмотрен единственный ин-
терфейс А9 стандарта ATM, подключение со стороны абонента осуще-
ствляется с помощью местного коммутатора (Local Exchange, LE). Это
первое коммутационное устройство, "видимое” со стороны абонента.
Сеть доступа должна обеспечивать следующие функции:
передача, мультиплексирование, концентрация и вещание услуг
и прикладных информационных потоков между конечными
пользователями и остальной частью системы доставки, включа-
ющей сетевое ядро и серверы;
контроль и управление сетью;
транспортировка сигналов других служб (телефония, аналоговое
ТВ, службы ЦСИС и пр.).
Функции коммутации для сети доступа не предусматриваются. Сеть
доступа состоит из узла доступа (Access Node, AN), распределительной
сети и блока сетевого окончания (Network Termination, NT). Узел дос-
тупа AN получает сигналы от коммутатора LE сетевого ядра по стыку
А4 и адаптирует их для передачи по распределительной сети конкрет-
ного типа. Распределительная сеть обеспечивает транспортировку сиг-
налов от сетевого ядра до сетевого окончания, выдающего сигналы на
абонентский интерфейс. Распределительная сеть может иметь самые
разные топологию, среду передачи и протоколы передачи, что будет
влиять на сигналы и интерфейсы в точках А2 и АЗ. Среди используе-
мых кабельных распределительных сетей следует отметить оптические
стекловолоконные, гибридные волоконно-коаксиальные, цифровые або-
нентские линии ADSL и VDSL.
Основной функцией блока сетевого окончания NT является узако-
ненное разделение сети доступа, находящейся в ведении сетевого опера-
тора и внутридомовой сети, которой владеет конечный пользователь.
Второй важной функцией блока NT может быть окончание среды пере-
11.2. Архитектура систем доставки сигналов цифрового ТВ вещания
311
дачи и топологии сети доступа или адаптация сигналов для другой сре-
ды передачи и топологии абонентской сети. В случае пассивного сетево-
го окончания NT стыки А1 и А2 являются идентичными. Поскольку
внутренние интерфейсные окончания сети доступа могут содержать в
общем случае различные активные компоненты, то на модели введены
раздельные точки стыка А2 для NT и АЗ для AN.
Получатель услуги (конечный пользователь) располагает цифровой
приставкой к телевизору или компьютеру (Set Top Box, STB), осуще-
ствляющей прием сигнала и декодирование информации. Под цифро-
вой приставкой STB обычно понимают многофункциональное устрой-
ство, объединяющее приемник-декодер для вещательного канала, модем
для отдельного интерактивного канала или иных цифровых каналов,
устройство управления самой приставкой и всем абонентским комп-
лексом. В составе приставки выделяют блок сетевых интерфейсов
(Network Interface Unit, NIU) и блок обработки данных (Set-Top Unit,
STU). Линия интерфейса АО в приставке разделяет связанный с сетью
блок NIU и не зависимый от сети блок STU. Между сетью доступа и
цифровой приставкой (точнее между блоками NT и NIU) в пределах
интерфейсных границ А1 и А1* находится внутридомовая цифровая
сеть (In-Home Digital Network, IHDN). Чтобы учесть все возможные
варианты домашних сетей на модели системы в пределах внутридомо-
вой цифровой сети введен дополнительный интерфейс помещения
пользователя (User Premises Interface, UPI).
11.2.3. Архитектура радиосети системы доставки
Радиосети системы доставки по своей структуре могут быть одно-
или двунаправленными. В нисходящем направлении (от провайдера к
пользователю) они являются распределительными сетями, доставляю-
щими содержательную информацию любым конечным пользователям,
имеющим соответствующий приемник. В восходящем направлении (от
пользователя к провайдеру) используется интерактивный режим при
организации обратного канала либо в основном тракте, либо по отдель-
ной сети.
Выбор типа распределительной радиосети диктуется требованиями
охвата определенной географической зоны вещания. Наибольший ох-
ват территорий в несколько сотен и тысяч километров обеспечивают
спутниковые системы вещания, для территорий среднего размера (при-
мерно сто километров) хорошо подходят системы наземного вещания,
для небольших зон с размерами в несколько десятков километров —
MMDS, а для очень маленьких зон в несколько километров — LMDS.
Архитектура радиосети системы доставки в самом общем виде при-
ведена на рис. 11.4, на котором показан вариант использования спут-
никовой системы распределения с организацией обратного интерактив-
ного канала по отдельной сети доступа. Подходы к структурированию
отдельных подсистем, сетей и интерфейсов в радиосети близки к тако-
вым для кабельной сети (см. рис. 11.3). В нисходящем направлении
сети от провайдера через сетевое ядро до земной спутниковой станции
312
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Рис. 11.4. Архитектура радиосети системы доставки
"вверх" и далее по спутниковому тракту передаются сигналы вещания,
принимаемые абонентом с помощью цифровой приставки к телевизору
или компьютеру. Абонентский прием в спутниковых системах может
иметь две альтернативы: непосредственное подключение цифровой при-
ставки к высокочастотному тюнеру с персональной антенной или при-
ем на коллективную земную станцию с последующим распределением
по кабельной сети.
Сетевое ядро может быть реализовано с помощью различных техни-
ческих средств — от одиночного кабеля до полнокоммутируемой сети
ATM (данный вариант рассматривается как наиболее перспективный,
поскольку совместим с сетевым ядром кабельной системы).
Отдельная сеть доступа служит для предоставления интерактивных
каналов. Виды потоков в интерактивных каналах и направления их
передачи зависят от конкретного вида обслуживания. На модели ра-
диосети отмечены некоторые типовые потоки (логические каналы):
S 1 — информационный поток сети вещания;
S 2 — поток управления вещательными приложениями;
S3 — поток управления сеансом связи;
S 4 — поток управления соединением;
S 5 — поток управления системой обслуживания.
Распределительные радиосети, рассчитанные на покрытие зон огра-
ниченных размеров, могут строиться с помощью многоканальных мно-
готочечных распределительных систем (Multichannel Multipoint
Distribution System, MMDS), локальных многоточечных распределитель
ных систем (Local Multipoint Distribution System, LMDS) и многоточеч-
ных распределительных ТВ систем (Multipoint Video Distribution System,
MVDS). Системы MMDS в большинстве случаев являются однонаправ-
ленными радиосистемами прямой видимости, и их архитектура прак-
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
313
Рис. 11.5. Архитектура однонаправленной радиосети MMDS
тически совпадает с архитектурой рассмотренных выше спутниковых
систем. Отличие состоит в замене спутникового тракта трактом наземно-
го вещания в микроволновом диапазоне до 10 ГГц (типичные системы
MMDS работают в диапазоне 2-3 ГГц, в России и США — 2,5 ГГц). Ради-
ус обслуживания систем MMDS составляет до 40-50 км. Структура одно-
направленной распределительной сети MMDS показана на рис. 11.5. Сиг-
налы, приходящие из сетевого ядра на узел доступа, подвергаются
необходимым преобразованиям для адаптации к микроволновому радио-
каналу и поступают в базовую станцию и передающую антенну. Антенна
системы MMDS может быть территориально совмещена с узлом доступа
или располагаться отдельно на возвышенности. Абонент должен иметь
приемную антенну, приемник радиосигнала MMDS (блок RF) и цифро-
вую приставку-декодер STB. В ряде случаев системы MMDS могут быть
Рис. 11.6. Архитектура двунаправленной радиосети LMDS
314
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
приспособлены для двустороннего обмена данными, видео- и аудиоин-
формацией.
Пример архитектуры двунаправленной распределительной радиосис-
темы LMDS приведен на рис. 11.6. В отличие от систем MMDS системы
LMDS работают на более высоких частотах (свыше 10 ГГц, обычно в
диапазоне 28 ГГц) и имеют более широкую полосу — 1-2 ГГц. Базовые
станции системы LMDS располагаются сравнительно близко к абонен-
там сети. Зона охвата одной базовой станции составляет от 1 до 10 км.
Абонентские комплексы имеют возможность взаимодействовать в ин-
терактивном режиме с провайдерами услуг по тому же самому радио-
частотному тракту.
Системы MVDS в Европе используют диапазон частот 40,5-42,5 ГГц.
В России технология MVDS для построения распределительных ТВ си-
стем представляется более перспективной по причине трудностей выде-
ления частот в диапазонах 2,5 и 28 ГГц, используемых системами MMDS
и LMDS соответственно.
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных
системах цифрового ТВ вещания
11.3.1. Назначение и применение интерактивных систем
Интерактивный режим в системах вещания рассматривается как
дополнительное средство, способствующее получению зрителями боль-
шего числа услуг и их вовлечению в число непосредственных участни-
ков передаваемой программы. Основные применения интерактивного
канала связаны с "заказом” тех или иных услуг или с "голосованием"
по поставленным вопросам [8].
Интерактивная система отличается от однонаправленной наличием
одного или нескольких каналов связи с провайдерами предоставляе-
мых служб. В простейшем случае в интерактивной системе имеется
только один обратный канал от абонента к провайдеру. В более распро-
страненном случае канал между абонентом и провайдером является
дуплексным. При наличии функции интерактивности система цифро-
вого ТВ вещания фактически превращается в систему многоцелевого
информационного обслуживания.
К числу потенциальных услуг, обеспечиваемых интерактивными
системами цифрового ТВ и звукового вещания, относятся:
подача ТВ программ по запросу абонентов;
выбор источника программы при многоканальной передаче, на-
пример, положений передающей ТВ камеры на спортивных со-
стязаниях;
передача по запросу расписаний программ вещания и сведений
об их содержании;
управление дополнительной информацией или данными, относя-
щимися к передаваемой программе, например, вывод субтитров;
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания 315
участие в видео- и аудиоконференциях;
участие в аукционах, опросах и голосовании;
учет аудитории вещательных программ и других массовых ме-
роприятий, определение их рейтинга и т.п.;
заказ билетов;
электронная коммерция;
банковские операции на дому;
дистанционное образование и профессиональная подготовка;
получение справочной информации из баз знаний;
сигнализация по обратным каналам о случившихся авариях, сра-
батывании охранных датчиков и т.п.;
телемедицина, мониторинг здоровья абонентов, вызов скорой по-
мощи;
телеигры;
реклама и маркетинг.
11.3.2. Архитектура интерактивных систем
Эталонная модель интерактивной системы наземного вещания пока-
зана на рис. 11.7 [23, 24]. Верхняя половина рис. 11.7 представляет
однонаправленный вещательный канал (здесь понятие канал трактует-
передающей
сети
Зависит от передающей сети
Не зависит от
передающей сети
Рис. 11.7. Структурная схема модели интерактивной системы
цифрового ТВ вещания
316
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
ся в очень широком смысле как совокупность всех средств обработки и
передачи информации от провайдера вещательных служб до потреби-
теля). Нижняя половина рис. 11.7 представляет двунаправленный ин-
терактивный канал, в составе которого выделяют обратный (от абонен-
та к провайдеру интерактивных служб) и прямой интерактивные каналы
(пути). По обратному интерактивному каналу передаются запросы ак-
тивных пользователей вещателю, а по прямому — некоторая дополни-
тельная информация, которую могут принимать все пользователи сети,
располагающие необходимыми приставками STB.
Физические каналы вещания и связи представлены на модели соот-
ветственно сетью доставки вещательных программ и сетью интерак-
тивного обмена. В качестве среды доставки вещательных программ
могут использоваться широкополосные цифровые сети с интеграцией
служб (ЦСИС-Ш), каналы наземного вещания и кабельного распреде-
ления, спутниковые системы непосредственного и коллективного при-
ема, распределительные системы MMDS, LMDS. В сети интерактивно-
го обмена могут использоваться коммутируемые каналы телефонной
сети общего пользования, асимметричные цифровые абонентские ли-
нии ADSL, гибридные волоконно-коаксиальные линии, спутниковые
микротерминалы VSAT, системы наземного вещания и распределения,
сотовая телефония, Интернет и пр. Представленная схема является
самой общей и существующими стандартами жестко не регламентиру-
ется. Например, система может не иметь прямого интерактивного ка-
нала или он может быть организован как часть прямого канала веща-
ния. Обратные каналы могут быть самой различной природы — от
телефонного до специального узкополосного спутникового. Такая орга-
низация интерактивной системы делает возможной передачу данных
Интернет с помощью систем вещания, а также подачу программ веща-
ния по сети Интернет. Это обеспечивается двунаправленной связью про-
вайдеров вещательного и интерактивного трактов системы.
В абонентской цифровой приставке STB для приема сигналов, пере-
даваемых по каналу вещания, используется модуль интерфейса веща-
тельной сети, входящий в состав блока сетевых интерфейсов NIU. Мо-
дуль интерфейса интерактивной сети служит для организации
двустороннего обмена данными с провайдером интерактивных служб
(например, запрос услуг, их оплата, получение сведений о своем счете
или служебной информации для системы ограничения доступа и пр.).
В свою очередь, провайдеры взаимодействуют с вещательной и инте-
рактивной сетями с помощью соответствующих сетевых адаптеров, ко-
торые осуществляют преобразование и передачу данных на транспорт-
ном и физическом уровнях. Блок обработки данных в приставке
осуществляет все операции по декодированию и выдаче информации
требуемых служб, а также по вводу запросов пользователя.
В пределах интерактивной системы выделяют ряд типовых интер-
фейсов, часть из которых была рассмотрена в п.п. 11.2.2 применитель-
но к модели системы доставки (см. рис. 11.1). На рис. 11.7 показаны
также следующие дополнительные стыковочные точки:
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
317
Аа — не зависимый от сети стык узла обработки данных с интерак-
тивным интерфейсным модулем;
АЬ — зависимый от сети стык интерактивного интерфейсного моду-
ля с сетью интерактивного обмена;
Ах — зависимый от сети стык сети интерактивного обмена с адапте-
ром интерактивной сети;
Ау — не зависимый от сети стык адаптера интерактивной сети с
оборудованием провайдера интерактивных служб.
Если вещательный и интерактивный каналы организованы в преде-
лах той же самой среды передачи, то стыки А 4 и Ах, а также А1 и АЬ
могут быть объединены в общие интерфейсы.
Для более точного описания механизмов передачи информации в
интерактивной системе используют, так называемую, логическую мо-
дель, т.е. структуру, в которой физические каналы замещены логичес-
кими потоками информации, или логическими каналами S 1 — 8 5 (см.
п.п. 11.2.3). В основу логической модели положены следующие прак-
тические ситуации [24]:
1. Вещательный канал используется для переноса информационно-
го содержания от провайдера вещательной службы и в ряде слу-
чаев от провайдера интерактивной службы до пользователя. Ве-
щательный канал может также переносить данные управления
приложениями и данные для передачи приложений (ACD/ACD)
и/или сигналы управления загрузкой данных (DDC) от провайде-
ра интерактивной службы до пользователя. Последнее необходи-
мо для управления приложениями, для которых провайдером
интерактивной службы были предоставлены данные, ассоцииро-
ванные с вещательной программой.
2. Интерактивный канал используется для переноса информацион-
ного содержания от провайдера интерактивной службы до пользо-
’ вателя и при необходимости для переноса первичной содержа-
тельной информации, используемой для производства программы,
от пользователя обратно провайдеру интерактивной службы.
Интерактивный канал также переносит данные ACD ACD пользо-
вателю и обратно, а также может применяться для передачи
пользователю данных DDC.
3. Может также возникнуть необходимость в передаче информаци-
онного содержания от провайдера интерактивной службы либо
провайдеру вещательной службы, либо адаптеру сети вещания. В
последнем случае для ввода информации в канал вещания требу-
ется передавать адаптеру сети вещания данные ACD/ACD и/или
данные DDC.
Для целей синхронизации может также потребоваться двусторонний
канал передачи данных управления приложениями и связи между про-
вайдером интерактивной службы и провайдером вещательной службы.
318
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
S2 (ACD/ACD., DDC)
Рис. 11.8. Схема логической модели интерактивной системы цифрового ТВ вещания
Базовая реализация логической модели показана на рис. 11.8.
Выделим следующие основные варианты передачи логических пото-
ков S 1 и S 2.
1. Канал вещания передает пользователю поток S 1 от провайдера
вещательной службы или провайдера интерактивной службы.
Канал вещания передает в прямом направлении (пользователю)
поток S 2 (ACD/ACD и/или DDC). Интерактивный канал переда-
ет в обратном направлении (провайдеру) поток S 2 (ACD/ACD).
2. Канал вещания передает пользователю поток S 1 от провайдера
вещательной службы или провайдера интерактивной службы.
Канал вещания передает в прямом направлении (пользователю)
поток S 2 (ACD/ACD и/или DDC). Интерактивный канал переда-
ет поток S 2 (ACD/ACD и/или DDC) в прямом направлении и
поток S 2 (ACD/ACD) в обратном направлении.
3. Интерактивный канал передает пользователю поток S 1 от по-
ставщика интерактивных услуг. Интерактивный канал передает
поток S 2 (ACD/ACD и/или DDC) в прямом направлении и поток
S 2 (ACD/ACD) в обратном направлении.
4. Интерактивный канал передает поток S 1 (информация пользо-
вателя для производства программы) от пользователя в обрат-
ном направлении к провайдеру интерактивной службы или про-
вайдеру вещательной службы. Интерактивный канал передает
поток S 2 (ACD/ACD и/или DDC) в прямом направлении и поток
S 2 (ACD/ACD) в обратном направлении.
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
319
11.3.3 . Эталонная модель открытой интерактивной системы ТВ вещания
В сентябре 1997 г. МСЭ-Р была предложена модифицированная эта-
лонная многоуровневая модель интерактивной цифровой системы ТВ
вещания [25], построенная на базе моделей IEEE 802 и ВОС. По прямо-
му интерактивному каналу вещания, организованному в составе транс-
портного потока стандарта MPEG-2, могут передаваться пакеты допол-
нительных данных, адресованные всем пользователям, небольшим
группам абонентов или отдельным подписчикам. Предусмотрены два
раздельных канала, один из которых используется для управления об-
ратным каналом, а другой — для передачи данных в абонентскую при-
ставку STB. Передаваемые пакеты данных адресуются отдельным при-
ставкам или их группам. Эталонная модель, рассмотренная в [25], была
предложена применительно к интерактивным системам наземного ТВ
вещания. Однако используемые в ней принципы являются достаточно
общими, и данная модель может быть отнесена к системам интерактив-
ного телевидения любого вида, в том числе и к спутниковым системам.
Управление обратным каналом необходимо для ввода данных пользо-
вателя в свободные слоты (сегменты сообщения). Пользователь посы-
лает запрос на передачу данных, пока не получит подтверждение (кви-
танцию) от вещателя. После квитирования затребованный канал создается
как комбинация временного и частотного слотов, в которые и вводятся
данные пользователя.
Поскольку число абонентов интерактивной ТВ системы, одновременно
адресующихся к провайдеру, может достигать нескольких миллионов
и значительно превышать число имеющихся в системе обратных кана-
лов, то для передачи запросов в качестве одного из вариантов предла-
гается схема модуляции, обеспечивающая множественный доступ с син-
хронным частотным разделением. При этом данные пользователей
размещаются в составе частотно-временных слотов, и основная задача
управления множественным доступом к обратному каналу сводится к
эффективному выделению доступной полосы и временных интервалов
состязающимся пользователям.
Для решения задачи множественного доступа используется так на-
зываемый протокол управления доступом к среде передачи (Medium
Access Control, МАС). Соответственно в эталонную модель интерактив-
ной системы ТВ вещания введен подуровень управления доступом к
среде передачи (МАС), являющийся более высоким уровнем относи-
тельно физического уровня, на котором он основывается. Уровень МАС
комбинируется с подуровнем логической передачи данных (Logical Link
Control, LLC) и достраивает транспортный уровень, обеспечивая с по-
мощью обратных каналов надежные соединения между абонентскими
приставками или терминалами и интерфейсными сетевыми адаптера-
ми (Interface Network Adaptor, INA) или центральной станцией.
В состав двунаправленного интерактивного канала входят узкопо-
лосный обратный канал и прямой канал, встроенный в канал ТВ веща-
ния. Абонентская приставка STB и интерфейсный сетевой адаптер INA
отличаются друг от друга стеками протоколов и функциями, посколь-
ку управление радиоресурсами системы и их распределение осуществ-
320
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
ляются на основе централизованного решения, реализуемого в узле
управления адаптера INA.
Эталонная модель открытой интерактивной системы ТВ вещания
показана на рис. 11.9 во взаимосвязи с многоуровневыми моделями
IEEE 802 и ВОС (OSI) [24]. В пределах более высоких уровней среды
(Higher Medium Layers, HML) модели используются не зависимые от
сети протоколы. Протоколы более низких транспортного (LLC, МАС) и
физического уровней являются зависимыми от сети. В пределах транс-
портного уровня определяются механизмы доступа и структурирова-
ния пакетов. На физическом уровне определяются требования к таким
характеристикам, как модуляция, канальное кодирование, диапазон
частот, фильтрация, выравнивание, энергетика.
Подуровень МАС является частью уровня среды передачи и предла-
гает свои услуги высшим уровням среды. Для обеспечения этих услуг
подуровень МАС основывает свои функции на услугах, предоставляе-
мых физическим уровнем. Спецификации услуг представляются в виде
Уровни
интерактивной модели
(доступ к сети)
PES — пакетированный элементарный поток
PID — идентификатор пакета
( F, Т) — частота, время
Рис. 11.9. Схема эталонной модели открытой интерактивной ТВ системы
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
321
примитивов и абстрактно отражают логический обмен информацией и
управлением между уровнями. Выше уровня МАС расположены поду-
ровень логической передачи данных LLC и более высокие уровни среды
HML, обеспечивающие функции логического звена или протоколы уп-
равления звеном передачи данных. Следует отметить, что уровень зве-
на передачи данных модели IEEE 802 включает два подуровня: подуро-
вень логической передачи данных LLC и подуровень управления
доступом к среде передачи МАС. Последний стыкуется с подуровнем
LLC и физическим уровнем (см. рис. 11.9). То же самое относится и к
модели интерактивной ТВ системы, на физическом уровне которой бо-
лее четко представлены различные каналы связи и способы их органи-
зации, что, в первую очередь, относится к УВЧ радиоканалам [25].
Распределение ресурсов интерактивной системы ТВ вещания в усло-
виях запросов абонентов на обратные каналы может осуществляться
случайным образом или с применением централизованного управле-
ния [26]. Подуровень МАС может также предоставлять услугу в виде
предварительного тематического объединения обратных сообщений або-
нентов и последующей передачи групп сообщений, например, в поряд-
ке убывания числа сообщений в отдельных группах.
Абонентский терминал имеет индивидуальный физический адрес,
зарегистрированный в центре службы. Кроме того, каждому термина-
лу в пределах зоны обслуживания системы присвоен логический адрес,
необходимый для эффективной реализации процедуры адресации, в том
числе доставки прямой интерактивной информации, предназначенной
отдельным абонентам или группам пользователей. Технология группи-
рования адресов позволяет существенно увеличить пропускную способ-
ность прямого интерактивного канала системы ТВ вещания более эф-
фективным использованием выделенного спектра частот.
Логические адреса групп прямых интерактивных сообщений, отно-
сящихся к применениям, объединены с информацией, которой обмени-
ваются между собой низшие уровни эталонной модели и уровень МАС.
При этом присвоение логических адресов управляется уровнем МАС,
который управляет также взаимосвязью физических и логических ад-
ресов терминалов с помощью таблицы адресов или базы данных.
Абонентский терминал может иметь несколько адресов, объединен-
ных списком, и относиться одновременно к целому ряду групп терми-
налов. Для оценки соответствия адреса данного терминала адресной
информации, передаваемой станцией IN А, предусматривается проце-
дура сравнения этой информации со всеми адресами списка.
11.3.4 . Структура и характеристики интерактивных каналов
Интерактивный канал является неотъемлемой частью интерактив-
ной системы цифрового ТВ вещания. Для организации интерактивных
каналов существует ряд возможностей [23, 25].
В системах наземного вещания для интерактивного взаимодей-
ствия могут использоваться существующие приемные антенны и
322
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
кабели, а специальный приемопередатчик интерактивного кана-
ла может быть встроенным в ТВ приемник и подключаться к ан-
тенне через диплексер. При этом мощность передатчика может
составлять около 1 Вт. Возможен также вариант применения про-
стого передатчика и антенны, близких к тем, что используются в
мобильной сотовой связи, но при большом числе пользователей
могут потребоваться дополнительные соты и узлы концентрации
запросов от групп пользователей.
В существующих кабельных распределительных системах, в том
числе в системах SMATV, могут использоваться заложенные в
них обратные каналы.
Использование спутниковых микротерминалов VSAT, соединяю-
щих узлы концентрации данных от пользователей с провайде-
ром.
Применение упрощенного варианта оборудования мобильной те-
лефонии, использующего те же самые сотовые станции, что и
мобильная служба, или отдельные приемные станции, располо-
женные на ТВ передатчиках.
Использование существующих коммутируемых телефонных се-
тей общего пользования, включая сети ЦСИС, ЦСИС-Ш, ADSL.
Использование спутниковых низкоорбитальных систем мобиль-
ной связи.
Использование сети Интернет.
С точки зрения возможных скоростей передачи по обратным инте-
рактивным каналам последние могут быть поделены на три категории:
1) низкоскоростные каналы со скоростями передачи битов около
150 бит/с и менее, рассчитанные на передачу простых команд с
возможностью применения простых алгоритмов коррекции оши-
бок;
2) среднескоростные каналы со скоростями передачи битов от 6 до
7 кбит/с для более сложных применений и передачи расширен-
ных инструкций, включая усложненные методы кодовой защи-
ты и ограничения доступа;
3) высокоскоростные каналы с типичной скоростью передачи битов
от 64 кбит/с до нескольких мегабит в секунду, удовлетворяющие
любым системным требованиям.
Передача по прямому интерактивному каналу может производиться
на скорости 64 кбит/с и выше. Общий поток может разделяться на
составляющую для множества пользователей (аналогично телетексту)
и на составляющую с прямой адресацией приставки STB конкретного
пользователя, что необходимо, например, для авторизации кредитных
карточек. Сложность процедур авторизации и управления в этом слу-
чае может потребовать скорости битов 200-400 кбит/с. При использо-
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
323
вании транспортных пакетов MPEG-2 канал 64 кбит/с может быть вы-
делен для данных, а канал 200-400 кбит/с — для управления.
Полоса частот обратных каналов зависит не только от используемой
скорости передачи битов, но также от выбора специфических транс-
портных механизмов и частотного диапазона. Во многих вещательных
вариантах организации интерактивных каналов будут использоваться
параметры уже действующих систем, например, параметры канала си-
стемы сотовой связи. Виды модуляции и канального кодирования так-
же должны быть в наибольшей степени согласованы с аналогичными
методами, принятыми для массовых систем.
Поскольку в типичных случаях объемы данных пользователя очень
маленькие (10 байтов данных + протокол), и обратный канал может
быть узкополосным, то существуют предложения выделить в интерак-
тивных системах цифрового наземного вещания в УВЧ диапазоне в
пределах стандартной полосы канала 8 МГц полосу 1 МГц для обрат-
ных каналов [25]. Техника множественного доступа с частотным разде-
лением предполагает использование в полосе 1 МГц большого числа
несущих — 1000 в режиме 1 и 250 в режиме 2. Эти несущие должны
быть сгруппированы в пять подгрупп, согласно особенностям их при-
менения, связанным с различными режимами доступа и природой со-
общений. Передаваемые данные различных терминалов разделяются
во времени и модулируют разные несущие, тем самым обеспечивается
их размещение по частотно-временным слотам.
11.3.5 . Протоколы обмена информацией в интерактивных системах
Протоколы интерактивной ТВ системы обеспечивают решение зада-
чи связи между абонентским оборудованием STB и провайдерами ве-
щательных и интерактивных услуг по сети обратных каналов. Совер-
шенно необходимо, чтобы процессы обмена информацией между
конечным пользователем и провайдером интерактивных услуг были
строго стандартизированы. Для низших уровней открытой эталонной
модели интерактивной системы действуют стандарты на характеристи-
ки обратных каналов и зависящие от сети протоколы на транспорти-
ровку информации по этим каналам. Как уже отмечалось вп.п. 11.3.3,
для высших уровней эталонной модели используется стек сетенезави-
симых протоколов, применяемых для передачи данных:
от провайдеров конечным пользователям (в цифровую пристав-
ку STB) в составе вещательного потока данных MPEG-2;
от провайдера интерактивных услуг конечным пользователям по
интерактивному каналу;
от провайдера интерактивных услуг конечным пользователям и в
обратном напрвлении по двустороннему интерактивному каналу.
В отсутствие прямой связи с поставщиком интерактивных услуг, в
частности, при использовании нескольких различных сетей обратных
324
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
каналов, протокол на стороне сервера может отличаться от протокола
STB в целях обеспечения соответствующего взаимодействия между уров-
нем протокола Интернет (Internet Protocol, IP) и физическим уровнем.
Одним из примеров такой ситуации является множество соединений
типа "точка-точка" приставок STB с первой доступной точкой сети об-
ратных каналов с применением протокола Х.25 для связи с поставщи-
ком интерактивных услуг.
Следует отметить, что иногда протокол соединения "точка-точка"
можно не применять, например, в случае кабельного обратного кана-
ла, если IP-протокол реализуется с помощью асинхронного способа пе-
редачи ATM. При этом для реализации IP-протокола на уровне адапта-
ции ATM AAL5 следует применять управление на уровне звена данных
и подключение к кабельной подсети.
Логический поток S 1 (см. рис. 11.8) соответствует сигналам программ
с протоколом дейтаграммы пользователя UDP (User Datagram Protocol)
или с протоколом управления передачей TCP (Transmission Control
Protocol) введенных в цифровой поток данных стандарта MPEG-2 с по-
мощью протокола межсетевого взаимодействия, или IP-протокола.
При передаче данных по каналу вещания в соответствии с протоко-
лом TCP/IP должен быть организован также интерактивный канал,
предназначенный для подачи обратных квитирующих сообщений от
пользователей.
Интерактивный канал обеспечивает обмен как информацией, для
которой важно время доставки (синхронная информация), так и ин-
формацией с пониженными требованиями ко времени доставки (асинх-
ронная информация). Синхронная информация содержит потоки дан-
ных, требующие доставки в реальном масштабе времени. Данные,
доставка которых возможна не в реальном времени, передаются в со-
ставе асинхронной информации.
К синхронной информации, передаваемой по интерактивному кана-
лу, относятся данные протоколов UDP, IP и протокола соединения "точ-
ка-точка" PPP (Point-to-Point Protocol) или протокола многозвенного
соединения "точка-точка" MP (Multilink Point-to-Point Protocol). Асин-
хронным способом могут передаваться данные протоколов TCP, IP и
PPP (MP).
Для сообщений, требующих передачи в реальном масштабе време-
ни, кроме протокола UDP можно использовать также протокол переда-
чи в реальном времени RTP (Real Time Protocol), который обеспечива-
ет передачу данных о способе кодирования информации и временных
метках, позволяющих регенерировать тактовый сигнал передатчика
на приемной стороне. Управляющие сообщения используются также
для контроля качества соединения и идентификации участников инте-
рактивного сеанса связи. Для реализации протокола RTP необходимо
программное управление обработкой информации, требующее исполь-
зования значительных ресурсов центрального процессора.
Стандартный протокол TCP обеспечивает доставку информации по
обратным каналам со скоростью до 150 кбит/с. При необходимости
доставки данных с более высокой скоростью, например, по сети с боль-
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
325
шим временем задержки можно использовать расширения протокола
TCP, рассмотренные в [27].
Логический поток S 2 включает данные ACD ACD и DDC, которыми
обмениваются между собой сервер и абонентское оборудование STB.
Для передачи этого потока используются как канал вещания, так и
интерактивный канал. Возможны два варианта использования канала
вещания, один из которых предусматривает передачу данных в пря-
мом направлении в виде дополнительной информации в составе сигна-
ла программы. Варианты передачи дополнительных данных в составе
пакетов MPEG-2 были рассмотрены в гл. 9. Особенности применения
стека сетенезависимых протоколов DSM-CC будут рассмотрены дальше.
11.3.6 . Протокол логического сеансового уровня
Использование логической модели позволило предложить различ-
ные протоколы взаимодействия в интерактивной системе. В качестве
примера можно отметить протокол, в котором предусматривается ло-
гический сеансовый уровень [28]. В этом протоколе под интерактивно-
стью понимается воздействие одного из участников на другого с целью
стимуляции определенных действий со стороны партнера. Протокол не
включает возможность принятия какого-либо решения обоими участ-
никами и не зависит от физического местоположения партнеров. Пре-
дусматривается режим запоминания информации интерактивных се-
ансов и обращения к ней участников сеанса в произвольное, удобное
для них время.
Интерактивный протокол описывает правила, с помощью которых
поставщик услуг может обмениваться информацией почти одновременно
со множеством физически удаленных и рассосредоточенных абонентов.
Протокол обеспечивает услуги сеансового уровня, позволяющие уп-
равлять диалогом (организованным обменом информацией с различ-
ным содержанием и формой представления), защищать от ошибок на
транспортном уровне и обеспечивать определенную последовательность
независимых действий участников сеанса.
Сеанс представляет собой последовательность обмена сообщениями
между двумя участниками, зависящую от семантической интерпрета-
ции взаимного развития диалога партнеров. Он включает отдельные
сообщения или пары сообщений типа "вопрос — ответ" и может быть
распространен на тысячи сообщений, накопленных в течение длитель-
ного времени. Управление сеансом должно обеспечивать определенную
последовательность обмена сообщениями и определять, кто из участ-
ников принимает на себя ответственность за услуги высших уровней
протокола системы.
Протокол, предложенный в [28], можно применять в системах, где
для управления потоками информации, поступающей потребителю от
поставщика услуг, используются команды и сигналы управления сред-
ствами цифровой записи DSM-CC. В этом случае протоколы DSM-CC
могут управлять одним или несколькими диалогами и ресурсами сети
обратных каналов интерактивной системы, необходимыми для транс-
326
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
портировки информации. Таким образом, протоколы DSM-CC опреде-
ляют сеанс, логически включающий сеансовый протокол интерактив-
ной системы или подчиняющийся данному протоколу. В процессе сеан-
са образуется ассоциация двух пользователей, обеспечивающая
возможность объединения ресурсов системы, необходимых для предос-
тавления конкретных интерактивных услуг.
Такая концепция логического интерактивного сеанса определяет пос-
ледовательность обмена сообщениями между объектами, для которых
важное значение имеют очередность передачи, синхронизация и/или
контекст. При этом длительность отдельного сеанса, переход к следую-
щему сеансу и другие сеансовые критерии определяются прикладным
уровнем системы.
Предложенный протокол базируется на логической модели интерак-
тивной системы со следующими основными признаками:
наличие симплексного канала вещания или электронного транс-
портного канала типа «точка — множество точек»;
наличие симплексного или дуплексного канала типа «точка
точка», логически автономного относительно канала вещания.
В каждом канале можно использовать различные механизмы дос-
тавки информации как отдельным абонентам, так и большим группам
пользователей.
Поставщик интерактивных услуг является организацией, логически
связанной одновременно со множеством объектов. Он может включать
одиночный объект или комплекс объектов. Во всех случаях параметры
каждого интерактивного сеанса определяются и назначаются только
поставщиком логических услуг, так как он представляет собой не ка-
кую-либо службу или оборудование, а комплекс ресурсов, необходи-
мых и достаточных для обеспечения интерактивного диалога во время
отдельного сеанса.
Предполагается, что поставщик интерактивных услуг работает в
режиме, обеспечивающем возможность организации сеанса эффектив-
ной доставки информации, т.е. диалога. Начало сеанса определяется
логическим (а не физическим) временем поступления приглашения к
его проведению. После получения ответного отклика абонентского при-
емного оборудования может быть организован интерактивный сеанс,
логическое время начала которого совпадает с логическим временем
приглашения. Следует отметить, что во время вещания может быть
организовано множество сеансов, но лишь немногие из них можно со-
здать, используя ответ абонентского оборудования на приглашение ве-
щателя начать интерактивный сеанс. Может оказаться, что лишь один
приемлемый терминал ответит несколько раз на приглашение, в связи
с чем по одному и тому же приглашению будет организовано большое
количество сеансов между одними и теми же объектами.
Симплексный канал вещания или канал «точка — множество то-
чек» доступен всем абонентским терминалам. Интерактивность пред-
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах цифрового ТВ вещания
327
полагает логическую индивидуальную связь отдельного терминала с
поставщиком услуг и требует организации соответствующего интерак-
тивного симплексного или дуплексного канала. Предполагается, что
канал вещания и интерактивный канал физически разделены даже при
общем физическом уровне. В связи с этим в интерактивном протоколе
не предусматривается гарантия соответствия транспортных уровней ука-
занных каналов системы.
Интерактивный протокол обеспечивает эффективную защиту кана-
ла от перегрузки с учетом возможности соединения поставщиков услуг
одновременно с большим числом абонентских терминалов. Одной из
реализаций такой защиты является растяжение диалога во времени,
разрешающее объединение соединений в условиях перегрузки интерак-
тивного канала.
Интерактивный протокол предоставляет услуги, соответствующие
сеансовому уровню эталонной модели системы. Они включают управ-
ление диалогом и последовательностью операций, а также синхрониза-
цию диалога.
Протокол не предусматривает каких-либо ограничений транспорт-
ного, сетевого, канального и физического уровней. Он позволяет эф-
фективно использовать протоколы низших уровней, в частности, про-
токолы IP, T3/S13 и DSM-CC.
Предполагается, что каждый участник диалога в течение отдельного
интерактивного сеанса посылает последовательность сообщений, которые
должны быть однозначно восстановлены в терминале партнера. При этом
не предъявляется требование, чтобы каждое сообщение, поступающее от
абонента, передавалось по одному и тому же логическому или физичес-
кому каналу. Обычно поставщик услуг может посылать часть сообще-
ний по прямому каналу и некоторые из них по обратному каналу (если
он дуплексный), сохраняя требуемую последовательность передачи.
Протокол должен обеспечивать средства для определения начала,
длительности и окончания логического сеанса между поставщиком ус-
луг и приемным оборудованием. Это означает, что протокол должен
обеспечивать один или несколько механизмов однозначной идентифи-
кации участников сеанса (так как каждый партнер может участвовать
одновременно в нескольких сеансах) и поддержки требуемой последо-
вательности соединений в процессе сеанса.
Во время сеанса осуществляется поочередный обмен сообщениями
между двумя участниками диалога. Сеанс организуется после того, как
приемное оборудование передаст свой ответ на приглашение к установ-
лению соединения со стороны поставщика услуг. В течение сеанса сооб-
щения должны быть однозначно связаны с последовательностью сиг-
налов, посылаемых каждым партнером.
Сеансы должны однозначно отличаться один от другого в пределах
определенного интервала времени. Каждый сеанс начинается в логи-
ческое время получения приглашения к установлению соединения от
поставщика услуг и завершается после того как один или оба партнера
передадут в явном или неявном виде сведения о требуемой продолжи-
тельности связи.
328
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Должна гарантироваться определенная последовательность сеансов
и обмена сообщениями между двумя участниками диалога в пределах
заданного временного интервала. При одновременном проведении не-
скольких сеансов между одними и теми же партнерами, протокол дол-
жен обеспечивать возможность опознавания сообщений, передаваемых
в течение разных сеансов.
Протокол должен обеспечивать один или несколько алгоритмов об-
работки определенной временной последовательности операций постав-
щика услуг и приемной аппаратуры. Под операцией понимается не
собственно сведения, а последовательность сообщений, уже принятых.
При этом требуется абсолютное разделение во времени всех мероприя-
тий, необходимых для успешного проведения сеанса связи.
Для отдельного сеанса следует использовать лишь по одной абстрак-
ции транспортного уровня прямого и интерактивного каналов. Данные
условия не накладывают каких-либо ограничений на применение транс-
портного и более низких уровней. При этом требуется лишь отсутствие
изменений услуг сеансового уровня, запрашиваемых транспортным
уровнем, например, адреса транспортных и других атрибутов в тече-
ние всего сеанса.
Протокол должен обеспечивать один или несколько алгоритмов, по-
зволяющих приемному оборудованию однозначно реагировать на спе-
цифические в контексте сеанса сообщения поставщика услуг. Это осо-
бенно важно в случаях, когда поставщик услуг участвует одновременно
в нескольких сеансах, используя идентичные сервисные сообщения.
Интерактивный протокол может предоставлять возможность логи-
ческой организации всех сеансов связи поставщикам услуг. Это позво-
лит им управлять идентификацией сеансов и алгоритмами передачи
последовательности сообщений.
Протокол должен обеспечивать один или несколько методов опреде-
ления длительности сеансов поставщиков услуг в одностороннем по-
рядке, а также приемным оборудованием, и один или несколько мето-
дов учета выключения отдельных участков каналов при оценке
длительности сеанса. При этом не ставится задача однозначной оценки
длительности, например, в условиях прерываний и восстановления те-
лефонной связи. Однако длительность сеанса должна быть полностью
определена прежде, чем могут измениться транспортные механизмы в
прямом или интерактивном канале, с тем, чтобы эти изменения были
отмечены на сеансовом уровне системы.
Протокол должен также обеспечивать средства, позволяющие по-
ставщику услуг извещать приемное оборудование о протоколах связи и
доступе к свободным интерактивным каналам.
К представительному интерфейсу предъявляется требование опреде-
ления всех нарушений семантики в вызываемом программном или ап-
паратном обеспечении, а также отсутствия этих нарушений. Отмечен-
ные нарушения должны устраняться на уровне протокола системы.
11.4. Стек протоколов DSM-CC
329
11.4. Стек протоколов DSM-CC
11.4.1. Определение стека протоколов DSM-CC
Стек протоколов DSM-CC (Digital Storage Media Command and
Control — система команд и управления для средств цифровой запи-
си) — это инструментальный набор для разработки каналов управле-
ния, связанных с потоками MPEG-1 и MPEG-2. Протоколы DSM-CC
определены в части 6 стандарта MPEG-2 (ISO/IEC 13818-6). Для их
описания используется модель взаимодействия вида Клиент/Сервер с
межсоединением через базисную сеть, транслирующую мультиплекси-
рованные потоки MPEG-2 [29].
Протоколы DSM-CC были разработаны для целей доставки по раз-
личным сетям в ходе интерактивных сеансов пользователям на дом
широкополосных мультимедийных служб. Они могут использоваться
для конфигурирования Клиента, управления приемом и загрузкой по-
токов видеоинформации, обеспечивая функции, характерные для кас-
сетных видеомагнитофонов (перемотка вперед и назад, пауза и пр.).
Они предоставляют широкие возможности для транспортировки паке-
тов данных по интерсетям с поддержкой протоколов RSVP, RTSP, RTP
и SCP, обеспечивая такие услуги, как видео по запросу и телепокупки.
В частности, стек протоколов DSM-CC стандартизован для вещания
данных в режиме многопротокольной инкапсуляции [30]. В приложе-
ниях, связанных с телезагрузкой данных, они хорошо применимы для
сетей, описываемых моделями однонаправленного вещания.
На транспортном уровне протоколы DSM-CC являются сетенезависи-
мыми, т.е. любое приложение, написанное с использованием DSM-CC, не
имеет касательства к основному транспортному уровню, используемому
для передачи приложений между Сервером и Клиентом. То же самое при-
ложение может быть доставлено множеством широкополосных сетей,
включая сети с собственно транспортными потоками MPEG-2, магист-
ральные сети ATM, разнообразные сети доступа, высокоскоростные ло-
кальные сети и пр.
Важное свойство стека протоколов DSM-CC — это их гибкость, по-
зволяющая использовать каждый протокол автономно или в сочета-
нии с другими протоколами в зависимости от тех требований, которые
предъявляет передаваемое приложение.
11.4.2. Эталонная модель стека протоколов DSM-CC
Эталонная модель стека протоколов DSM-CC показана на рис. 11.10
[29]. Субъектами модели являются Клиент (потребитель услуг) и Сер-
вер (поставщик услуг), которые называются пользователями, посколь-
ку оба используют сеть для связи друг с другом.
В общем случае под Клиентами понимается оборудование цифровых
абонентских приставок STB, получающих мультимедийные услуги. Роль
Сервера может выполнять система распределения информации, содер-
жащая несколько вычислительных платформ и имеющая множество
точек транспортного сопряжения с сетью.
330
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Рис. 11.10. Модель применимости стека протоколов DSM-CC
В модели используется широкое определение сети как набора комму-
никационных элементов, обеспечивающих соединения для пользовате-
лей. Это подчеркивает основное назначение стека протоколов DSM-CC —
быть применимыми для широкого круга физических сетей с различны-
ми вариантами связей, включая вариант вещания, т.е. соединение типа
«точка — множество точек». Модель, показанная на рис. 11.10, обес-
печивает передачу сообщений от пользователя к пользователю (User-
to-User, U-U) и от пользователя к сети (User-to-Network, U-N). Инфор-
мационный поток U-U передается непосредственно между Клиентом и
Сервером. Информационный поток U-N передается на участке между
сетью и Клиентом или Сервером. При этом требуется установление
соединений типа пользователь-сеть и обеспечивается управление сеан-
сами и ресурсами сети. Функцию управления осуществляет третий ло-
гический субъект модели — Администратор сеансов и ресурсов (Session
and Resource Manager, SRM). Типичным примером ресурса является
полоса сети. Администратор SRM может быть структурно распределен
в пределах географической зоны покрытия сети, обеспечивая сетевые
окончания U-N соединений от пользователей и являясь остовом для
многих провайдеров сети.
В части U-N соединений стек протоколов DSM-CC определяет интер-
фейс типа U-N и стандартный заголовок для всех U-N сообщений в
предположении, что эти сообщения будут передаваться с помощью од-
ного и того же протокола транспортного уровня. К такому протоколу
предъявляется набор минимальных требований. Требование надежной
доставки сообщений отсутствует, но искаженные сообщения должны
11.5. Домашняя мультимедийная платформа
331
обнаруживаться и браковаться. Транспортная служба должна быть
способна доставлять U-N сообщения целиком (при условии, что более
низкие уровни выполняют любую сегментацию и повторную сборку
сообщений). Эти требования соответствуют требованиям обычных про-
токолов, например протоколу дейтаграмм пользователя (User Datagram
Protocol, UDP) поверх протокола межсетевого взаимодействия (Internet
Protocol, IP).
Модель DSM-CC предполагает установление многочисленных U-U
соединений между Клиентом и Сервером. В общем случае протокол
передачи при таких соединениях не определен DSM-CC, поскольку это
вопрос соглашения между Клиентом и Сервером. Однако стек протоко-
лов DSM-CC определяет набор основных служб, которые Сервер может
предоставлять Клиентам в режиме взаимодействия.
11.4.3. Режимы использования стека протоколов DSM-CC
В типичной системе цифрового ТВ вещания с узкополосным инте-
рактивным каналом отсутствует потребность в управлении ресурсами,
так как распределение полосы частот вещательного канала односто-
ронне определено вещателем, а интерактивные каналы выделяются под
конкретного пользователя. Следовательно, в контексте цифрового ТВ
вещания стек протоколов DSM-CC используется только в специальных
случаях для обеспечения управления сеансами [24].
Части стандарта DSM-CC, специально относящиеся к узкополосным
интерактивным службам, охватывают соединения пользователь-пользо-
ватель (U-U), объектные карусели типа пользователь-пользователь (U-
U), процессы загрузки и вопросы совместимости пользователя.
Протоколы DSM-CC категории U-U делают возможной передачу мно-
гих мультимедийных приложений по системам доставки MPEG-2, пре-
доставляя доступ к таким мультимедийным объектам, как потоки и
файлы. В системах с локальной интерактивностью, т.е. без обратного
канала, эти протоколы обеспечивают получение данных из объектных
U-U каруселей. В системах с односторонней или двусторонней интерак-
тивностью они позволяют организовать режим передачи по запросу.
Периодическая передача прикладных данных методом карусели стан-
дартизирована в части "загрузка" протоколов DSM-CC. В ней определе-
но, каким образом для вещания прикладных данных могут использо-
ваться модули, как эти модули фрагментированы в более мелкие блоки
и как могут быть обнаружены проблемы неоднородности при обновле-
нии модулей. Однако чтобы гарантировать взаимодействие между Кли-
ентами и вещательными Серверами, стандартизированы также пере-
нос U-U объектов в модулях и транспортировка модулей по сети
вещания.
Загрузочные протоколы DSM-CC являются механизмом для быстрой
и облегченной загрузки Клиентом данных или программного обеспече-
ния от Сервера. Полная операция загрузки переносит Клиенту загружа-
емое изображение, которое разделено на один или большее число моду-
лей. Полное изображение и каждый модуль разделены на блоки [31].
332
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Загрузочными протоколами DSM-CC поддерживаются различные се-
тевые модели, включая как традиционную загрузку с управлением по-
током данных, так и вещательный вариант загрузки, причем оба эти
типа основываются на одинаковом наборе сообщений.
Протокол загрузки может использоваться для реализации режима
карусели данных, функциональные возможности которой проявляют-
ся в периодической передаче Сервером информации Клиентам. По оп-
ределению карусели данных передают информацию в составе модулей.
В общем случае механизм карусели данных образует стек из трех уров-
ней: прикладного (самый высокий), уровня карусели данных и транспор-
тного. Прикладной уровень определяет содержание, которое передается в
модулях, например, изображения для начальной загрузки или приклад-
ные объекты. Транспортный уровень определяет порядок транспортиров-
ки модулей, например, секции DSMCC sections в транспортных потоках.
В зависимости от типа содержания карусели данных делятся на:
карусели с одиночным изображением;
карусели с многими изображениями;
объектные карусели.
11.5. Домашняя мультимедийная платформа
11.5.1. Концепция домашней мультимедийной платформы
Главным элементом системы цифрового ТВ вещания любого стан-
дарта является абонентский терминал — то оконечное звено, которое
непосредственно взаимодействует с абонентом, предоставляя ему всю
нужную информацию. Необходимым условием правильной и эффек-
тивной работы абонентского терминала является четкое нормирование
параметров программно-аппаратного интерфейса между интерактив-
ными цифровыми приложениями (службами) и абонентскими устрой-
ствами, получающими и воспроизводящими эти приложения. В евро-
пейских разработках систем цифрового ТВ вещания такой комплексный
интерфейс получил название домашней мультимедийной платформы
(Multimedia Home Platform, МНР) и является своеобразной моделью
сопряжения оконечных устройств системы DVB. Интерфейс МНР по-
зволяет отделить приложения, созданные и поставляемые различными
провайдерами, от конкретных аспектов технической реализации тер-
миналов МНР. Применительно к модели МНР разрабатывается набор
стандартов, протоколов и рекомендаций, которые должны обеспечить
базисные условия для сопряжения и гармонизации компонентов МНР,
выпускаемых различными производителями оборудования. Тем самым
становится возможным получать предоставляемые службы с помощью
терминалов различных групп сложности, интегрированных цифровых
ТВ приемников и мультимедийных персональных компьютеров [32].
Домашняя мультимедийная платформа МНР объединяет собственно
11.5. Домашняя мультимедийная платформа
333
абонентский терминал (цифровые приставки, телевизоры, персональ-
ный и сетевой компьютеры), периферийные устройства и внутридомо-
вую цифровую сеть IHDN. Набор типичных устройств, которые могут
находиться у абонента, включает приемники цифровых сигналов для
различных сетей вещания (наземной, спутниковой, кабельной и микро-
волновой), отдельный или интегрированный MPEG декодер, телеком-
муникационные устройства для сетей ТФОП, ЦСИС-Ш, ADSL, персо-
нальный компьютер, телевизор, проигрыватели DVD и DVC, кассетный
видеомагнитофон. Аппаратно-программный комплекс МНР рассчитан
на предоставление в интерактивном режиме вещательных и мультиме-
дийных служб и доступ к Интернету. Типичными приложениями, ко-
торые поддерживаются МНР являются электронные путеводители по
программам, информационная служба "супер телетекст", биржевые свод-
ки, электронная коммерция и т.п.
Архитектура МНР представлена тремя уровнями: ресурсы, системное
программное обеспечение, приложения. К ресурсам относят блоки обра-
ботки данных по алгоритмам MPEG, устройства ввода-вывода, централь-
ный процессор, память и графическую подсистему. В системном про-
граммном обеспечении центральное место занимает платформа DVB-J,
включающая виртуальную машину Java. Определенная часть пакетов
программного обеспечения платформы МНР обеспечивает программ-
ный интерфейс приложений (Application Programming Interface, API)
для широкого круга получаемых служб.
11.5.2. Программный интерфейс приложений
При построении модели МНР наиболее важна стандартизация про-
граммного интерфейса приложений API. В случае несоответствия еди-
ному стандарту на интерфейс API становится неизбежной взаимная
несовместимость различных информационных приложений и цифро-
вых приставок или декодеров-приемников. Практически это означает,
что любой пользователь, желающий иметь доступ ко всем предостав-
ляемым в мультиплексе службам, был бы вынужден приобрести не-
сколько приставок. Напротив, приемник-декодер или любой другой до-
машний терминал со стандартным интерфейсом API обеспечивает
пользователя услугами в полном объеме [33, 34].
При определении необходимых условий, которым должна отвечать
модель домашней мультимедийной платформы, обычно выделяют две
группы требований: основные и прикладные.
К основным требованиям обычно относят следующие [34].
Возможность взаимодействия. Технические условия на платфор-
му МНР, включая нормы интерфейса API, должны обеспечивать в пол-
ном объеме поддержку служб и функциональных возможностей, а так-
же должны быть независимыми от сети и аппаратной платформы.
Эволюция, масштабируемость, расширяемость и обратная со-
вместимость. Модель МНР должна быть разработана с учетом рас-
ширения применительно к будущим функциональным возможностям.
334
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
Она должна поддерживать свойства масштабируемости и обратной со-
вместимости, что позволит удовлетворять потребности пользователей,
обладающих как простыми приставками или компьютерами, так и вы-
сококачественными терминалами (домашними театрами). Уровень зап-
росов пользователя должен соответствовать рабочим характеристикам
используемого оборудования, которые, в свою очередь, реализуются
посредством интерфейса API.
Модульность. Технические решения МНР должны основываться
на модульном принципе, допуская компромиссный выбор между чис-
лом и качеством предоставляемых служб, с одной стороны, и сложнос-
тью терминала и его ценой — с другой.
Стабильность. Основные технические решения МНР должны быть
устойчивыми на протяжении существенного интервала времени, и об-
ладать четко определенными процедурами расширения функциональ-
ных возможностей. Потребители должны быть уверенными в идеоло-
гической долговечности своего оборудования и возможности его
усовершенствования посредством рыночных механизмов.
Миграция. Должно быть определено возможное направление дви-
жения от текущей ситуации, основанной на отдельных частных терми-
налах МНР, к будущей всеобщей среде, всецело отвечающей модели
МНР, включая нормы на интерфейс API.
Открытость стандартов. Система МНР должна быть, по возмож-
ности, основана на существующих стандартах, которые должны быть
утверждены, изданы и доступны.
Возможность обновления путем телезагрузки. Модель системы
МНР должна предусматривать возможность обновления встроенных
программ, быть способной к модернизации путем телезагрузки по сети
необходимых программ. При этом должна обеспечиваться возможность
сосуществования терминалов различных поколений.
Контролируемый ход развития. Эволюция системы МНР долж-
на осуществляться в соответствии с согласованным планом действия
поставщиков услуг и изготовителей оборудования.
Упрощенная и зависящая от стоимости эксплуатация. Про-
граммы и данные должны передаваться в частотно-эффективном фор-
мате, позволяющем приложениям быть переданными только однаж-
ды, избегая ненужного повторного вещания. Для этого данные должны
быть отделены от конкретных приложений, что позволит различным
приложениям использовать одни и те же данные.
Основной интерфейс API. Параллельно с существующими част-
ными интерфейсами API должен действовать некоторый основной об-
щий интерфейс API, включающий интерфейсные компоненты стандар-
тов DVB-SI, DSM-CC, MHEG-5, а также поднабор инструкций на языке
Java и фильтр секции частных данных MPEG-2. Задачами основного
интерфейса API являются:
поддержка поточной передачи приложений в реальном времени,
их загрузки и накопления в локальном устройстве;
предоставление возможности любому вещателю или провайдеру
создавать, поставлять и контролировать приложения;
11.5. Домашняя мультимедийная платформа
335
предоставление доступа к данным сервисной информации;
предоставление возможности любому производителю оборудова-
ния воплощать интерфейс API любым оригинальным способом.
К числу главных прикладных требований относятся*.
усовершенствованное вещание со свойством локальной интерак-
тивности (включает встроенный навигатор и электронный путе-
водитель по программам);
интерактивное вещание с использованием обратного канала;
доступ к Интернету.
11.5.3. Домашняя цифровая сеть
Работы по созданию модели домашней мультимедийной платформы
МНР позволили уточнить и расширить модель интерактивной системы
цифрового ТВ вещания, включив в нее специфические сети доступа
[35]. В случае, если абонент имеет возможность приема программ и
услуг из сети наземного вещания, кабельной распределительной сети и
широкополосной цифровой сети, то соответствующая модель интерак-
тивной системы несколько усложняется и приобретает структуру, по-
казанную на рис. 11.11. В представленной модели осуществляется вза-
сеть
вещания
Прямой
каналы
HAN
Цифровая
приставка
Камкордер
Блок
сетевых
интер-
фейсов
Блок II
обра-
ботки I
2анных|
Принтер
HLN
Персональ-
ный
компьютер
Шлюз
__.____I
IEEE
1394
DVC
DVD
Домашняя локальная сеть (HLN)
Интерфейсы сети IHDN
Домашняя сеть доступа (HAN)
Рис. 11.11. Эталонная модель интерактивной системы с домашней сетью доступа HAN
336
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
имодействие домашней мультимедийной платформы МНР с тремя чет-
ко выраженными сетями: вещательной, интерактивной и сетью досту-
па. Вещательная сеть (сеть доставки, сеть распределения) основывает-
ся на наземной, спутниковой, кабельной сетях, а также на технологии
MMDS. Интерактивная сеть использует возможности телефонной ком-
мутируемой сети общего пользования (ТФОП), цифровой сети с интег-
рацией служб (ЦСИС), сети кабельного телевидения, спутниковой сети
и MMDS. Сеть доступа использует цифровые абонентские линии xDSL,
сети кабельного телевидения и гибридные оптико-коаксиальные линии
HFC. При физической реализации конкретной системы вещания сети
могут перекрываться или использоваться не всё одновременно, а в раз-
личных сочетаниях.
Широкополосная сеть доступа является сравнительно новой сетью,
она предназначена для организации широкополосных служб мульти-
медиа, таких как видео по запросу и коммутируемой цифровой передачи
по витым парам с использованием модемов xDSL. Синхронные и асинх-
ронные модемы xDSL работают по 2-х и 4-х проводным выделенным
"медным" и волоконно-оптическим линиям для организации доступа на
«последней миле» и для взаимодействия с цифровыми сетями передачи
данных. Сеть доступа может также применяться для целей интерак-
тивного обмена в сочетании с вещательной сетью подачи программ.
Важным элементом абонентской инфраструктуры становится внут-
ридомовая цифровая сеть (In-Home Digital Network, IHDN), которая, в
свою очередь, подразделяется на домашнюю сеть доступа (Home Access
Network, HAN), обеспечивающую соединения с внешними сетями, и
домашнюю локальную сеть (Home Local Network, HLN), служащую
для объединения оборудования пользователя в локальные комплексы
(например, в пределах одной комнаты) и для межсоединения этих ком-
плексов в пределах квартиры или дома. Внутридомовая цифровая сеть
IHDN может включать в себя также такие специфические компонен-
ты, как домашняя шина (Home Bus) и коммутируемая внутридомо-
вая сеть (Switched In-House Network, SIHN). Во внутридомовой циф-
ровой сети IHDN определены структура и параметры интерфейсов и
сетевых окончаний NT, которые рассчитаны на предоставление досту-
па не только к традиционным вещательным сетям (наземная, спутни-
ковая, кабельная, MMDS), но и к широкополосным сетям передачи
данных с помощью модемов для цифровых абонентских линий xDSL и
кабельных модемов. Рассмотренные выше модели систем цифрового
вещания входят составной частью в развернутую модель, основанную
на платформе МНР с архитектурой сети HAN, при этом без какого-
либо влияния со стороны других фрагментов сети HAN.
Примерная конфигурация внутридомовой цифровой сети IHDN по-
казана на рис. 11.12. Вертикальная пунктирная линия разграничивает
сеть доступа HAN и локальную сеть HLN. В концепции домашней муль-
тимедийной платформы допускаются различные варианты сети HAN.
На рис. 11.12 показан вариант использования сети HAN с активным
сетевым окончанием, основанном на интерфейсе сети ATM и работаю-
щем на скоростях 25,6 или 51,2 Мбит/с. Задачей сети ATM HAN явля-
11.6. Модели систем цифрового ТВ вещания
337
Другие вещательные
Камкордер
или интерактивные
системы (DVB-C, -S, -Т)
Внутридомовый коаксиальный кабель
DVD
Сеть ATM
I ATM
Сетевой |
терминатор А™
«МфЖН I
Абонентская
линия ТФОП
Т елевизор
IEEE 1394
Длинная
линия
IEEE 1394
IEEE 1394
Кассетный
видеомагнитофон
Принтер
Локальная домашняя сеть доступа HLN
Рис. 11.12. Конфигурация внутридомовой цифровой сети IHDN
Домашняя сеть доступа HAN
ется доведение служб из сети доступа с технологией ATM до различных
локальных комплексов оборудования, расположенных внутри дома. При
этом обеспечивается дальность передачи до 50 м по кабелю с симметрич-
ными витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом.
В сети HLN применяется интерфейс типа IEEE 1394 с расширением
для протяженной линии [35].
11.6. Модели систем цифрового ТВ вещания
11.6.1. Структура системы цифрового наземного ТВ вещания
Структурная схема системы производства и трансляции ТВ программ
в цифровой форме показана на рис. 11.13. На схеме представлены ос-
новные подсистемы, отражающие процессы сбора, обработки и распре-
деления информации. Контент-провайдеры поставляют содержатель-
ную информацию провайдерам услуг, которые компонуют вещательные
программы. Для передачи по каналу программы подвергаются сжатию
и мультиплексированию в общий поток. Туда же добавляются управ-
ляющие сообщения системы ограничения доступа, которая совместно с
системой управления (администрирования) абонентами обеспечивает ве-
щание для отдельных пользователей или для микрогрупп пользовате-
лей, знающих пароль или ключ для доступа к данным.
На выходе подсистемы транспортного мультиплексирования формиру-
ется поток транспортных пакетов, содержащий все компоненты предос-
338
11 Модели систем цифрового ТВ вещания
Рис. 11.13. Структурная схема модельной системы производства и трансляции ТВ
программ
тавляемых служб. Это своеобразная точка стыка между формирующим и
распределяющим комплексами системы. Транспортный поток является
тем самым контейнером, который служит для переноса информации
пользователям. При этом система доставки в общем случае может иметь
различные варианты, рассмотренные выше (см. § 11.2, рис. 11.2).
В системе цифрового наземного ТВ вещания специфика системы до-
ставки определяется построением радиопередающего комплекса, в ко-
тором решающее значение имеет система адаптации к радиоканалу,
работающая на сеть приемников-декодеров цифрового сигнала. В тече-
ние переходного периода от аналогового к цифровому ТВ вещанию воз-
можно одновременное вещание программ в аналоговом и цифровом
форматах. При этом возможен вариант, когда для подачи программ на
радиопередающую ТВ станцию будет использоваться цифровая транс-
портная сеть. Тогда комплекс оборудования станции должен включать
адаптер транспортной сети, выдающий транспортные потоки непосред-
ственно на модулятор цифрового тракта и на декодер MPEG-2. На вы-
ходе декодера MPEG-2 формируется стандартный аналоговый ТВ сиг-
нал, поступающий на модулятор аналогового тракта. Соответствующая
структурная схема приведена на рис. 11.14.
При переходе на полностью цифровое наземное ТВ вещание обору-
дование радиопередающей станции может иметь структуру, показан-
ную на рис. 11.15. В данном случае для подачи цифровых программ на
станцию наземного вещания используется спутниковая или радиоре-
лейная линия связи. Для получения транспортного потока служат при-
емное устройство микроволнового диапазона и демодулятор соответ-
ствующего вида модуляции. Для наземного вещания используются
адаптер канала (кодеры, модулятор одного из стандартных цифровых
форматов и т.п.) и мощный передатчик с конвертером сигнала в рабо-
11.6. Модели систем цифрового ТВ вещания
339
Рис. 11.14. Структурная схема ТВ вещания в аналоговом и цифровом форматах
Антенна спутниковой
или наземной линии
ПЧ
70 МГц
Конвертер
сигнала микро-
волнового
диапазона
Цифровой
демодулятор
(QPSK, 8PSK,
M-QAM)
Поток транспортных пакетов
Передающая
антенна
Рис. 11.15. Структурная схема радиопередающей станции цифрового наземного
ТВ вещания
чий частотный канал. Стыковка оборудования осуществляется по про-
межуточной частоте.
11.6.2. Функциональная модель системы цифрового наземного ТВ вещания
В моделях систем цифрового наземного ТВ вещания принято выде-
лять четыре зоны интереса, охватывающие те или иные уровни эта-
лонной модели ВОС и подчеркивающие технологию и специфику циф-
рового вещания [36]:
кодирование источника и сжатие;
мультиплексирование служб и транспортировка;
340
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
физическая передача (кодирование для защиты от ошибок и мо-
дуляция);
факторы планирования сети вещания и стратегия внедрения ве-
щательной службы.
Пример функциональной модели системы ЦНТВ с разбивкой на
шесть уровней, более подробно раскрывающих процессы в системе,
показан на рис. 11.16 [37]. На уровне студии представлены три глав-
ные источника информации: сигналы изображения, звука и данные,
там же показан компьютер управления системой, хотя реально он мо-
жет быть расположен и на других уровнях. На следующем уровне про-
изводится (если необходимо) преобразование информации из аналого-
вой в цифровую форму и сокращение избыточности цифровых потоков
(сжатие данных). На транспортном уровне осуществляется мультиплек-
сирование потоков различных источников одной программы или не-
скольких программ в единый поток транспортных пакетов, пригодных
для передачи по цифровым сетям, в данном случае по сети вещания
данных. Подсистема адаптации к сети объединяет устройства коррек-
тирующего кодирования, преобразования структуры потока данных,
модуляции, переноса по спектру и усиления по мощности. Цифровой
радиосигнал во время передачи по каналу подвергается воздействию
внешних помех, эхо-сигналов, затуханию и искажениям. На уровне
приема необходимо выполнить ряд операций, направленных на макси-
мальное устранение всех искажений, демодулировать, декодировать и
выдать пользователю информацию требуемой службы.
Наиболее специфическим элементом системы цифрового телевиде-
ния является подсистема адаптации к сети вещания или передачи дан-
Уровень студии
(источников
информации)
Уровень
кодирования
и сжатия
источников
Уровень
мультиплексирования
и транспортировки
Уровень
адаптации
к сети
Физический
уровень
передачи
радиосигнала
Уровень приема
и отображения
Рис.11.16. Функциональная модель однонаправленной системы
цифрового наземного ТВ вещания
11.6. Модели систем цифрового ТВ вещания
341
ных. Главные различия систем вещания DVB, ATSC и ISDB в вариан-
тах для наземных, спутниковых и кабельных трактов проявляются
именно в подсистеме адаптации. Но, несмотря на различие частных
параметров, структура подсистемы адаптации в этих системах имеет
много общего, что показано на рис. 11.17 применительно к тракту
наземного вещания [17]. На вход подсистемы адаптации с выхода сис-
темного мультиплексора поступает групповой цифровой поток транс-
портных пакетов различных служб. На приеме после декодирования
мультиплекса из него выделяются и выдаются потребителю транспорт-
ные пакеты конкретной службы, состоящие, например, из таких ком-
понентов: видео, звук 1, звук 2, данные.
Для защиты от ошибок в системе наземного вещания используется
каскадное двуступенчатое кодирование со сверточным перемежением и
рандомизацией данных: внешний код — код Рида-Соломона (RS), внут-
ренний код — сверточный с мягким декодированием по алгоритму Ви-
терби.
Рандомизация и перемежение данных изменяют их статистические
свойства, приближая структуру передаваемой последовательности к чи-
сто случайной, что повышает эффективность подсистемы синхрониза-
ции модема и кодека, обеспечивает дисперсию энергии радиосигнала.
После корректирующего кодирования и преобразования структуры по-
тока передаваемые данные поступают на преобразователь символ/сигнал,
в котором доминирующую роль играет модулятор. Вид используемой мо-
дуляции зависит от назначения системы. При совместной оптимизации
модема и кодека с использованием решетчатых сигнально-кодовых конст-
рукции (см. гл. 3 и 4) они оба интегрируются в одно устройство, что
отражено на структурной схеме рис. 11.17.
Подсистема кодирования канала
Подсистема декодирования канала
Внешние
ВБкодер
и переме-
житель
Внутрен-
ние
сверточ-
ный кодер
и переме-
житель
лятор
Уровень модуляции
Моду-
лятор
декодер
Витерби
и депере-
межитель
Внутрен-
ние
Уровень внутреннего сверточного кодирования
Уровень внешнего RS - кодирования
Внешние
RS-
► декодер
и депере-
межитель
Дескре-
мблер
Уровень рандомизации
Рис. 11.17. Уровни кодирования канала и модуляции в системе
цифрового ТВ вещания
342
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
11.6.3. Модель интерактивной системы цифрового спутникового ТВ вещания
Создание интерактивных систем цифрового спутникового ТВ веща-
ния предусматривает введение в них спутникового узкополосного об-
ратного канала. Такой канал может быть организован в двух типах
систем: непосредственного спутникового ТВ вещания с приемом про-
грамм на индивидуальную антенну пользователя и коллективного спут-
никового приема с распределением сигнала от одной общей антенны на
группу абонентов, например, проживающих в одном здании.
Концепция спутниковых интерактивных терминалов (СИТ, SIT) от-
личается от концепции микротерминалов VSAT, применяемых в на-
стоящее время большей частью в профессиональной среде, нежели для
индивидуальных потребителей. Разница в концепциях обусловлена,
главным образом, требованием использовать большое число очень де-
шевых интерактивных терминалов и базируется на том факте, что для
СИТ требуется довольно низкая мощность.
В показанной на рис. 11.18 структурной схеме модели интерактив-
ной спутниковой системы цифрового ТВ вещания присутствуют пере-
дающие вещательные земные станции, земные станции межсетевого
сопряжения (шлюзы), центр управления сетями и абонентские СИТ [38].
Центр системы осуществляет контроль и управление сетью абонент-
ских терминалов СИТ. Он генерирует сигналы управления и синхрони-
зации для целей эксплуатации интерактивной спутниковой сети, переда-
вая их с помощью одной или нескольких вещательных земных станций.
Вещательные земные станции являются обычными станциями сис-
темы цифрового спутникового вещания, передающие "вверх" много-
программный мультиплекс, в который введены данные для пользова-
теля и/или сигналы управления и синхронизации абонентских
терминалов интерактивной сети. В общем случае информационный
трафик и сигнализация по прямому интерактивному пути могут пере-
даваться с помощью различных сигналов. Параметры вещательных
станций и передаваемых сигналов должны соответствовать требовани-
ям Рекомендации МСЭ-Р ВО. 1211 [12]. Широкополосный вещатель-
ный канал системы является однонаправленным от провайдера к пользо-
вателю и служит для передачи видео- и аудиоинформации, а также
данных. Он может включать прямой интерактивный путь.
Двунаправленный интерактивный канал связывает провайдера и
пользователя с целью их взаимодействия. Обратный интерактивный
путь является узкополосным и служит для передачи от пользователя
провайдеру запросов или ответов на вопросы. Прямой интерактивный
путь от провайдера к пользователю служит для передачи вопросов и
целей управления. Он может отсутствовать или быть организованным
в составе вещательного канала.
Земные шлюзовые станции получают сигналы обратных каналов
терминалов СИТ, обеспечивая функции учета абонентов, интерактив-
ные услуги и соединения со сторонними пользователями, провайдера-
ми частных услуг (базы данных, ТВ программы с платой за просмотр,
загрузка программного обеспечения, телепокупки, телебанковские опе-
рации и т.п.) и сетями (WWW, ЦСИС, ТФОП).
11.6. Модели систем цифрового ТВ вещания
343
Прямой вещательный
канал 1
RCST RCST Шлюз 2
RCST RCST
Шлюз 1
Сеть 2
Сеть 1
Адаптер
вещательной
сети
Адаптер
интерактивной
сети
Прямой вещательный
канал 2
/Обратные каналы
/ I терминалов RCST
Передающая
станция 1
Передающая
станция 2
~Центр~
управления
сетью
Провайдер
интерактивных
служб
Провайдер
вещательных
служб
Рис. 11.18. Структурная схема интерактивной системы цифрового спутникового ТВ
вещания
Интерактивные терминалы, принимающие вещательный сигнал и
передающие информацию от пользователя, имеют следующие характе-
ристики:
прием на частотах фиксированной спутниковой службы в диапа-
зонах:
10,70 — 11,70 ГГц;
12,50 — 12,75 ГГц;
29,50 — 30,00 ГГц;
прием на частотах вещательной спутниковой службы в диапазо-
не 11,70 — 12,50 ГГц;
передача через геостационарные спутники, имеющие орбиталь-
ные позиции с интервалом до 2° от любого другого геостационар-
ного спутника, работающего в той же самой полосе частот и по-
крывающего ту же самую зону;
для передачи или приема используется линейная или круговая
поляризация радиосигнала;
344
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
принимаемые сигналы могут быть аналоговыми и/или цифровы-
ми;
передаваемые сигналы — всегда цифровые;
диаметр антенны не должен превышать 1,8 м;
предусмотрена работа терминала в автоматическом режиме.
Структура интерактивного терминала пользователя соответствует
общей структуре, показанной на рис. 11.7 и 11.8. В состав терминала
входят блок сетевых интерфейсов NIU, объединяющий модуль интер-
фейса сети вещания BIM, модуль интерфейса интерактивной сети ИМ и
узел обработки данных STU. Конструктивно оборудование терминала
состоит из внешнего и внутреннего устройств, связанных между собой
кабелями. Внешнее устройство включает антенну, преобразователь ча-
стот "вверх", усилитель мощности, малошумящий усилитель и преоб-
разователь частот "вниз". Внутреннее устройство содержит приемо-пе-
редающие логические узлы и модулятор.
11.6.4. Модель комплексной системы цифрового ТВ вещания
Рассмотренные выше модели систем цифрового ТВ вещания харак-
теризуют элементы архитектуры и основные процессы обработки и пе-
редачи сигналов, которые имеют место в реальных системах. Вводи-
мые в эксплуатацию системы цифрового ТВ вещания обычно
представлены сочетанием нескольких систем распределения и трансля-
ции сигналов по сетям различного типа, устройствами сопряжения этих
сетей, центрами управления техническими средствами и предоставле-
нием доступа, сетями интерактивного обмена, многочисленными або-
нентскими и корпоративными приемными комплексами. Конфигура-
ция реальных сетей может иметь самый произвольный характер,
зависящий от потребностей общества, уровня капитальных вложений
и уже сложившейся инфраструктуры телекоммуникаций. В качестве при-
мера одной из множества возможных реализаций может служить мо-
дель комплексной системы цифрового вещания, показанная на рис. 11.19.
Модель комплексной системы цифрового вещания дает представле-
ние о принципах организации таких систем. В качестве органов регу-
лирования процесса вещания выступают провайдеры вещательного
канала, интерактивного канала и мультиплекса. Провайдер мульти-
плекса предоставляет пропускную способность мультиплексов, переда-
ваемых по различным сетям вещания, для ввода в них всевозможных
программ и услуг. Абоненты сети вещания могут получать эти про-
граммы путем подключения к спутниковым, кабельным, наземным и
цифровым каналам с помощью соответствующих тюнеров и адапте-
ров. В качестве одного из возможных средств передачи интерактивных
запросов показана (см. рис. 11.19) телефонная коммутируемая сеть об-
щего пользования.
346
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
дачи (модуляции). В поиске скоординированного подхода к разработке
таких систем доставки МСЭ рекомендовано [39]:
механизмы кодирования источника и транспортировки должны
быть основаны на общих моделях и алгоритмах обработки и иметь
максимум совместно используемых параметров;
заложенные методы обработки допускают использование прием-
ников с различным уровнем сложности;
заголовки и дескрипторы, введенные в поток данных, позволяют
приемнику идентифицировать и обрабатывать ряд служб, имею-
щих различные характеристики.
На рис. 11.20 представлена модель службы доставки программ, со-
ответствующая концепции МСЭ по конвергенции и гармонизации раз-
личных систем. Она обеспечивает пользователю доступ к услугам с по-
мощью различных видов среды передачи. Модель обслуживания
разделяет цифровую систему связи на ряд взаимосвязанных модулей.
В этой модели службы (источники программ) с различными уровнями
параметров подвергаются цифровому кодированию, мультиплексиру-
ются в цифровой поток данных (Мультиплексирование служб и транс-
портировка) и распределяются между потребителями с помощью раз-
личных средств передачи информации (Распределительный интерфейс).
Рис. 11.20. Модель службы доставки программ
11.7. Модель и платформа обслуживания
347
11.7.2. Платформа обслуживания
При построении моделей цифровых ТВ систем вводится понятие плат-
формы обслуживания. Первичная предпосылка для любой платформы
состоит в том, что услуги, предоставляемые в каждом отдельном слу-
чае, должны соответствовать потребностям индивидуальных потреби-
телей и учитывать реальное состояние рынка [39].
Чтобы удовлетворять эти потребности, новые платформы обслужи-
вания должны:
иметь базовый набор четко определенных стандартных свойств и
возможностей;
создавать новшества, которые делают услуги удобными для ис-
пользования;
обеспечивать транспортировку изображения, звука и данных че-
рез границы сред передачи;
быть гибкими (чтобы учесть местные варианты) и расширяемы-
ми (чтобы предусмотреть будущие усовершенствования);
быть вездесущими (представлены всюду в одно и то же время);
быть доступными (по средствам).
11.7.3. Минимальный набор стандартов
Модели систем и служб цифрового вещания позволяют четко обо-
значить и разграничить процессы обработки и передачи потоков дан-
ных. На этой основе легче реализуются методы сопряжения и унифи-
кации подсистем, особенно в международном плане. Для обеспечения
международного обмена программами и услугами между регионами и
странами с различными системами цифрового вещания необходим со-
гласованный набор основных стандартов, включающих следующие по-
ложения [39]:
общий, многоуровневый синтаксис сжатия сигналов изображе-
ния и звука;
общий стандарт мультиплексирования программ, объединяющий:
общий стандарт идентификации (Заголовки Дескрипторы); общий
стандарт записи для обмена программами, кодированными с раз-
личной глубиной сжатия; общий стандарт для электрического и
механического интерфейсов на уровне потока данных.
В 1994 г. была разработана Рекомендация [40], которая обеспечила
основу соглашения по минимальному набору стандартов для системы
цифрового наземного телевизионного вещания:
Базовая система должна быть способна предоставить одиночную
услугу ТВЧ или ряд услуг стандартного ТВ качества [6, 18].
Кодирование источников изображения должно осуществляться в
348
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
соответствии с основными (MP@ML) или более высокими уров-
нями и профилями стандарта MPEG-2.
Кодирование звуковых источников должно осуществляться в со-
ответствии с уровнем II стандарта MPEG-2 или стандарта АС-3.
То есть должны быть разработаны универсальные интегральные
схемы, которые могут декодировать сигналы, кодированные в
соответствии с обоими стандартами, и на основе этих микросхем
должен быть сделан единый декодер.
Мультиплексирование служб и их транспортировка должны со-
ответствовать стандарту MPEG-2 и основываться на общей сер-
висной информации и системе заголовков-дескрипторов.
В качестве схемы модуляции следует использовать или 8-VSB,
приемлемую для систем с одиночной несущей, или многочастот-
ную модуляцию COFDM.
Список литературы
1. Кривошеев М.И. Новый подход к ТВ вещанию на базе многоцелево-
го цифрового интерактивного контейнера//Электросвязь. 1997. № 12.
2. ITU-R. Doc.llA/112-Е, 27.01.2000. (Working Party НА. Special
Rapporteur for Client Storage). — "TV Anytime".
3. ITU-R. Doc.lO-ll/39-Е, Doc.ll-5/94-Е, 9.02.2000. (Working Party
HA). — Special Rapporteur for Client Storage). — "TV Anytime".
4. ITU-R Recommendation ВТ.798-1. Digital Television Terrestrial
Broadcasting in the VHF/UHF Bands. — ITU-R Recommendations.
— ВТ Series. Broadcasting Service (Television).
5. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Быховский M.A. и др. Кон-
цепция внедрения наземного цифрового телевизионного и звуково-
го вещания в России. — Connect: Мир связи. 1999. № 6.
6. ITU-R. Doc.ll/134, 31.05.1999. (Working Party НА). — Revision
to Recommendation ITU-R ВТ. 709-3. Parameter values for the HDTV
standards for production and international programme exchange.
7. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Основ-
ные положения базового стандарта цифрового ТВ-вещания в Рос-
сии//Материалы Международного конгресса HAT (TRIBE4 2000).
Москва. 17-20 октября 2000.
8. Кривошеев М.И., Федунин В.Г., Интерактивное телевидение.
М.:Радио и связь. 2000.
9. Кривошеев М.И. Сигнал "стоп" многостандартности в спутнико-
вом телевидении // Журнал "625". 1998. № 1.
10. ITU-R Recommendation ВО. 1408. Transmission System for Advanced
Multimedia Services Provided by Integrated Services Digital Broadcasting
in a Broadcasting-Satellite Channel. — Doc. 11/BL/19-E. 17 June 1999.
11. ITU-R. Doc. 10-11S/INFO/4, 20.05.1999. — Address to ITU-R Joint
Список литературы
349
Working Party 10-1 IS by prof. Mark Krivocheev, Chairman of Study
Group 11. Geneva. 19 May 1999.
12. ITU-R Recommendation BO. 1211. Digital Multi-Programme Emission
Systems for Television, Sound and Data Services Operating in the 11/
12 GHz Frequency Range. — ITU-R Recommendations. — BO Series.
Broadcasting Satellite Service (Sound and Television).
13. ITU-R Recommendation BO. 1294. Common Functional Requirements
for the Reception of Digital Multiprogramme Television Emissions by
Satellites Operating in the 11/12 GHz Frequency Range. — ITU-R
Recommendations. — BO Series. Broadcasting Satellite Service (Sound
and Television).
14. ITU-R. Doc.llA/59-Е, 17.05.1999. Delayed contribution. (Japan). —
Proposed Draft new Recommendation. Channel Coding, Frame Structure
and Modulation Scheme for Terrestrial Integrated Services Digital
Broadcasting (ISDB-T).
15. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Современное состояние
и тенденции развития цифровых систем наземного телевизионного
и звукового вещания (часть I) // ТелеВестник. 1993. Т. 2. № 4.
16. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Современное состояние
и тенденции развития цифровых систем наземного телевизионного
и звукового вещания (часть II) // ТелеВестник. 1994. Т. 3. № 1.
17. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Тракт передачи радио-
сигналов в системах цифрового наземного ТВ вещания // Электро-
связь. 1998. № 6.
18. ITU-R Recommendation ВТ. 1306-1. Error-Correction, Data Framing,
Modulation and Emission Methods for Digital Terrestrial Television
Broadcasting. — ITU-R Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting
Service (Television).
19. DAVIC 1.4.1 Specification, Part 4. Delivery System Architecture and
Interface. (Technical Report). — 1999.
20. ITU-R. Doc.6D/4-E, Doc.6P/3-E, 3.07.2000. (ITU-T Study Group 9).
— Liaison Statement. Definition of "Core Network".
21. ITU-T. Doc.COM 9-64-E, February 2000. (Rapporteur on Terminology).
— Definition of the Term "Core Network".
22. ITU-R. Doc.ll-5/2-Е, 17.06.1997. (ITU-T Working Party 1/9). —
New Terminology Approved by Working Party 1/9.
23. ITU-T Recommendation J.110 (04/97). Basic Principles for a Worldwide
Common Family of Systems for the Provision of Interactive Television
Services. — ITU-T Recommendations on CD-ROM, September 1997.
— Series J: Transmission of Television, Sound Programme and Other
Multimedia Signals. Interactive Services.
24. European Telecommunication Standard ETS 300 802 (November 1997).
Digital Video Broadcasting (DVB); Network-independent protocols for
DVB interactive services. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
25. ITU-R. Doc.ll-5/4-Е, 19.09.1997. (Task Group 11/5). — Chairman’s
Report of the First Meeting (Geneva. 8-9 September 1997).
26. ITU-T Recommendation J. 113 (03/98). — Digital video broadcasting
interaction channel through the PSTN/lSDN. — ITU-T Recommendations
350
11. Модели систем цифрового ТВ вещания
on CD-ROM. Geneva. September 1998. — Television and Sound
Transmission.
27. REC 1332 (IPCP). The PPP Internet Protocol Control Protocol. — G.
McGregor. 26.05.1992.
28. ITU-R. Doc.ll-5/11-Е, 9.12.1997. (Task Group 11/5). — ATSC
interactive services protocol definition system design guidelines.
29. International Standard ISO/IEC 13818-6. — Information Technology
— Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio: Digital
Storage Media Command and Control. — ISO/IEC JTC1/SC29/WG11
MPEG96/N1300pl. July 1996.
30. European Standard (Telecommunications series) EN 301 192 VI.1.1
(1997-12). — Digital Video Broadcasting (DVB); DVB Specification
For Data Broadcasting. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
31. Technical Report TR 101 194 VI.1.1 (1997-06). Digital Video
Broadcasting (DVB); Guidelines for implementation and usage of the
specification of network independent protocols for DVB interactive
services. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
32. ITU-T. Doc.COM 9-79-E, May 2000. (ITU-T Study Group 9). — The
DVB-Multimedia Home Platform, API for Interactive Digital TV
Applications.
33. Evain J.-P. The Multimedia Home Platform — An Overview. — EBU
Technical Review — Spring 1998.
34. Luetteke G. The DVB Multimedia Home Platform. — DVB, November
1998. (Available on the DVB Web Site http://www.dvb.org).
35. Technical Specification TS 101 224 VI.1.1 (1998-07). Digital Video
Broadcasting (DVB); Home Access Network (HAN) with an Active
Network Termination (NT). — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
36. ITU-R. Doc.ll-3/3-E, 14.02.1996 (Task Group 11/3). — A Guide to
Digital Terrestrial Television Broadcasting in the VHV/UHV Bands.
37. Digital Terrestrial Television. Requirements for Interoperability. —
DTG 1996 — 1998. —
http://labl .commslab.gov.au/lab/info/digTV/files/DTGv300.zip.
38. ITU-R. Doc. 11-11S/249-E, 15.10.1999. (Special Rapporteur SRG10-
11S/5). — Report on Interactive Broadcasting Systems for Satellite
Broadcasting Services.
39. Baron S.N., Krivocheev M.I. Digital image and audio communications.
Toward a global information infrastructure. — Van Nostrand Reinhold,
New York NY. 1996.
40. ITU-R Recommendation ВТ. 1299. The Basic Elements of a Worldwide
Family of Systems for Digital Terrestrial Television Broadcasting. —
ITU-R Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting Service
(Television).
12. Принципы построения и структура цифровых
систем наземного ТВ вещания
12.1. Общая характеристика систем цифрового наземного
ТВ вещания
В настоящее время разработаны, исследованы и предложены для
международной стандартизации и внедрения три системы цифрового
наземного ТВ вещания (ЦНТВ): DVB-Т (Европа) с многочастотной схе-
мой модуляции OFDM (частотное распределение ортогональных несу-
щих), ISDB-T (Япония) с многочастотной схемой модуляции BST-OFDM
(частотное распределение ортогональных несущих в сегментах спект-
ра), ATSC (США) с одночастотной схемой модуляции 8-VSB (однопо-
лосная АИМ) [1].
Система DVB-Т была разработана с заложенным свойством суще-
ственной гибкости, обеспечиваемым за счет опций выбора широкого
набора параметров, с целью адаптации ко всем каналам и режимам
работы, включая фиксированный, мобильный и переносной приемы, а
также построение одночастотных сетей.
Среди всех систем цифрового наземного ТВ вещания система DVB-T
развивается наиболее динамично (см. п. 6.3). Система DVB-Т завоевы-
вает все больше сторонников, поскольку обеспечивает наиболее высо-
кое качество среди всех возможных применений. Успехам семейства
систем DVB-T, -S, -С способствует широкая стандартизация всех субси-
стем и технологий, которые могут найти применение не только сегод-
ня, но и в отдаленной перспективе с учетом прогресса других телеком-
муникационных систем и изменения структуры и конъюнктуры рынка.
Систему DVB-Т из-за ее универсальности и многофункциональности при-
няли в качестве национального стандарта многие страны мира: Авст-
ралия, Бельгия, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания,
Индия, Ирландия, Испания, Италия, Литва, Нидерланды, Новая Зе-
ландия, Норвегия, Польша, Португалия, Сингапур, Словакия, Слове-
ния, Турция, Украина, Финляндия, Франция, Хорватия, Чехия, Швей-
цария, Швеция [11].
Система DVB-Т проходит испытания и является объектом рассмот-
рения для последующего решения о принятии в качестве стандарта в
странах: Россия, Бразилия, Гонконг, Израиль, КНР, Куба, Тайвань,
Чили.
Система 8-VSB ATSC была разработана специально таким образом,
чтобы к каждому существующему в США передатчику аналоговой сис-
темы NTSC можно было подключить дополнительный цифровой пере-
датчик с обеспечением сопоставимых зон охвата вещанием при фикси-
рованном или, возможно, переносном приеме.
Система ATSC принята в США, Канаде, Корее, Тайване. Аргентина
ранее приняла систему ATSC в качестве национального стандарта, но в
352
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
начале 2000 г. заявила о пересмотре данного решения и о выборе в
перспективе либо DVB-Т, либо ISDB-T.
Система ISDB-T принята в Японии и предлагается для испытаний и
стандартизации в других странах. Система ISDB-T близка к системе
DVB-Т, но обладает расширенными возможностями передачи служб
мультимедиа и по использованию радиоспектра в виде нескольких сег-
ментированных полос частот, для каждой из которых могут быть уста-
новлены свои типы модуляции и корректирующего кодирования.
Системы ATSC, DVB-Т и ISDB-T в основном различаются уровнем
подсистемы адаптации к каналу вещания, в частности, применяемыми
в них методами и параметрами цикловой синхронизации, корректиру-
ющего кодирования и модуляции, а также алгоритмами кодирования
звукового сигнала. Полосы и диапазоны частот радиоканала в базовых
вариантах систем совпадают с принятыми для аналогового вещания в
странах-разработчиках.
Все системы — ATSC, DVB-Т и ISDB-T используют методы мульти-
плексирования и формирования транспортных пакетов, соответствую-
щих требованиям стандарта MPEG-2. Небольшие отличия связаны с
выбором набора системных команд и обеспечиваемых функций, кото-
рые определяются передачей конкретных данных сервисной информа-
ции. Однако эти различия не носят принципиального характера, так
как не препятствуют возможности создания единого декодера для всех
видов систем. Поток транспортных пакетов перед передачей по каналу
подвергается различным преобразованиям и аранжируется в кадры
данных, специфические для каждой из систем.
Во всех системах цифрового наземного ТВ вещания используются
такие виды борьбы с ошибками, как скремблирование, перемежение,
внешнее кодирование Рида-Соломона, внутреннее кодирование сверточ-
ным кодом. Различия связаны с выбором параметров указанных пре-
образований потоков данных.
Еще одно отличие систем ЦНТВ связано с выбранными методами
кодирования звука. Система ATSC использует систему звукового коди-
рования Dolby АС-3. Системы DVB-Т и ISDB-T используют алгоритм
кодирования звука MPEG-2 уровня II, являющийся составной частью
полного набора одноименных международных стандартов [2]. Исполь-
зование обеих систем звукового кодирования допускается Рекоменда-
цией ВТ. 1299 МСЭ-Р [3].
Управление доступом очень важно для надлежащей эксплуатации
систем цифрового наземного ТВ вещания, но оно вообще не входит в
базовые спецификации систем. Любая система с ограниченным досту-
пом, совместимая с транспортным потоком MPEG-2, может использо-
ваться во всех трех системах. В системе DVB-Т предлагается единый
интерфейс для систем с ограниченным доступом (см. гл. 10).
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T
353
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T
12.2.1. Общая характеристика и структура системы DVB-T
Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-Т (Система В в МСЭ-
Р) определяется как функциональный блок оборудования, обеспечиваю-
щий адаптацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной по-
лосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2, с
характеристиками стандартного наземного радиоканала вещания, име-
ющего ширину полосы частот 8 МГц [4—6].
Поскольку система DVB-Т, как и любая другая система ЦНТВ, дол-
жна использовать существующие частотные планы и в течение доста-
точно длительного переходного периода обеспечивать вещание наряду
с действующими аналоговыми ТВ системами (в России стандарта
D.K/SECAM), она должна обладать требуемой помехозащищенностью
со стороны аналоговых систем и не должна создавать недопустимых
помех для них.
Для обеспечения всех необходимых требований по адаптации потока
данных к радиоканалу вещания в составе передающего комплекта сис-
темы DVB-Т имеются устройства кодирования для канала, мультиплек-
сирования и модуляции. Структурная схема подсистемы адаптации к
каналу наземного вещания показана на рис. 12.1. На том же рисунке
упрощенно показана также подсистема кодирования источников ин-
формации и их мультиплексирования в транспортный поток.
Выход транспортного мультиплексора является точкой стыка под-
систем формирования и передачи транспортных пакетов. Таким обра-
зом, входным сигналом тракта адаптации является поток транспорт-
ных пакетов фиксированной длины 188 байт, из которых один (первый)
байт служит для цикловой синхронизации. Для более равномерного рас-
пределения (дисперсии) энергии радиосигнала в полосе канала входной
поток подвергается рандомизации (скремблированию). Система DVB-T
имеет два идентичных по структуре тракта рандомизации и помехоус-
тойчивого кодирования. Такое построение позволяет использовать иерар-
хические методы независимого кодирования двух потоков данных для
организации их приоритетного приема в зонах вещания с различной
площадью покрытия. Общая часть тракта подсистемы адаптации слу-
жит для преобразования потоков данных в комбинации битов, соответ-
ствующих модулированным посылкам, ввода сигналов цикловой синх-
ронизации и управления, формирования защитных временных
интервалов, преобразования цифровых сигналов в модулированный
групповой спектр COFDM, переноса его в полосу канала вещания, уси-
ления и излучения в эфир.
Построение подсистемы кодовой защиты в системе DVB-Т выполне-
но по традиционному для систем ЦНТВ каскадному принципу. Для
защиты от ошибок в демодулируемом сигнале COFDM служит внутрен-
ний сверточный кодек с набором различных кодовых скоростей и отно-
сящийся к нему блок внутреннего перемежения-деперемежения битов.
Для исправления пакетов ошибок и дополнительного снижения веро-
ятности ошибки в декодированном сигнале служит внешний кодек Рида-
Рис. 12.1. Структурная схема передающей части системы DVB-T
354 12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T 355
Соломона и внешний перемежитель-деперемежитель байтов транспор-
тного потока.
При разработке подсистемы кодирования для канала в системе DVB-T
были максимально учтены требования близости структуры и параметров
к спутниковой (DVB-S) и кабельной (DVB-С) системам [4]. Так, схемы
внешнего кодирования и внешнего перемежения являются одинаковы-
ми во всех трех системах DVB. Схемы внутреннего кодирования и ран-
домизации (скремблирования) соответствуют таковым в спутниковой
системе DVB-S.
12.2.2. Рандомизация данных
Чтобы обеспечить рассеивание энергии и близкую к случайной ста-
тистику переходов между битами потока, входной системный поток
MPEG-2 должен быть рандомизирован. Входящий поток битов органи-
зован в виде транспортных пакетов фиксированной длины 188 байт,
которые со входа системы поступают в блок цикловой синхронизации
и рандомизации. Каждый транспортный поток содержит 1 байт слова
синхронизации и 187 байтов мультиплексированных данных. Байты дан-
ных следуют старшим разрядом вперед. Байт синхронизации не скремб-
лируется, его значение (01000111) инвертируется в каждом восьмом
транспортном пакете и служит отметкой цикла из восьми пакетов.
Для рандомизации используется аддитивный 15-разрядный скремб-
лер (аналогичное устройство выполняет также функции дескремблера
в приемнике), структурная схема которого показана на рис. 12.2.
Последовательность инициализации скремблера
100101010000000
Разрешение Вход исходных/
скремблирования рандомизирванных
данных
Вход данных (сначала MSB): lOlllOOOxxxxxxxx
Двоичная ПСП: 00000011
Рис. 12.2. Структурная схема скремблера-дескремблера в системе DVB-T
356
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
В генераторе псевдослучайной двоичной последовательности скремб-
лера используется генераторный полином вида
G(X) = 1 + X14 + X15. (12.1)
После загрузки в скремблер инициализирующей последовательнос-
ти генерируется ПСП, которая воздействует на группу из восьми транс-
портных пакетов. Байты синхронизации последних не скремблируют-
ся — в эти моменты выход генератора ПСП блокируется. Для правильной
синхронизации дескремблера в приемнике необходима групповая синх-
ронизация: инвертируется первый синхробайт в группе из восьми транс-
портных пакетов.
12.2.3. Внешнее кодирование и перемежение
Внешнее кодирование поступающих транспортных пакетов в систе-
ме DVB-Т осуществляется укороченным кодом Рида-Соломона
RS (204,188,t =8), производимым из оригинального систематического
кода RS(255,239,£ =8). Практически укорачивание кода обеспечивает-
ся добавлением на входе кодера RS(255,239,f =8) группы из 51 нулево-
го байта перед информационными байтами транспортного пакета. После
кодирования эти нулевые байты отбрасываются, оставляя кодовое сло-
во длиной 204 байта. Кодированию подлежит целиком транспортный
пакет длиной 188 байт, включая его синхробайт (как неинвертирован-
ный, так и инвертированный). Генераторный полином укороченного
кода Рида-Соломона имеет вид
g(x) = (х+Х°)(х+Х1)(х+Х2)...(х+Х15), где Х=02нех; (12.2)
Рис. 12.3. Структурная схема устройства для внешнего сверточного перемежения-
деперемежения в системе DVB
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T
357
генераторный полином поля —
р(х) = х8 + х4 + х3 + х2 + 1. (12.3)
После внешнего кодирования производится операция внешнего пе-
ремежения в сверточном побайтовом перемежителе структуры Форни
с глубиной перемежения 1=12, структурная схема которого показана
на рис. 12.3. Для деперемежения данных в приемнике используется
аналогичная схема. Байты синхронизации пакетов не перемежаются,
они все время проходят через перемежитель по ветви с нулевой задер-
жкой, как показано на структурной схеме рис. 12.3. Задержки в ветвях
деперемежителя выбраны таким образом, чтобы во всех положениях
12-позиционного коммутатора суммарная задержка перемежите ля-де-
перемежителя была равна 17x11 байтов.
12.2.4. Внутреннее кодирование
Для внутреннего кодирования в системе DVB-Т используются выко-
лотые сверточные коды с рядом скоростей от 1/2 до 7/8. Все они полу-
чаются из исходного кода, имеющего скорость 1/2 с длиной кодового
ограничения К = 7, что соответствует 64 состояниям решетчатой диаг-
раммы. Структурная схема сверточного кодера показана на рис. 12.4.
Генераторные полиномы двух его ветвей определяются выражениями
(в восьмиричном коде) G1=1710ct и G2=133Oct.
Как было отмечено, в системе DVB-Т имеются два идентичных трак-
та с внутренними кодерами. При использовании иерархической переда-
чи с двумя уровнями приоритетов в каждом из этих двух каналов коди-
рования может быть установлена своя собственная кодовая скорость.
Фактически следом за базовым сверточным кодером со скоростью 1/2,
схема которого показана на рис. 12.4, установлен перфоратор, кото-
рый производит выкалывание кодированной последовательности, уда-
Рис. 12.4. Структурная схема внутреннего сверточного кодера в системе DVB
358
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Рис. 12.5. Структурная схема внутреннего перемежителя в системе DVB-T
ляя из нее часть проверочных битов. При этом кодовая скорость возра-
стает до более высоких значений — 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8.
12.2.5. Внутреннее перемежение
Внутренний перемежитель расположен на входе единого тракта об-
работки данных, следующего за двумя параллельными подсистемами
кодирования. Внутренний перемежитель состоит из перемежителя би-
тов и следующего за ним перемежителя символов. Структура внутрен-
него перемежителя зависит от выбранных иерархического режима и
схемы модуляции. Поэтому приведем для сведения самую сложную
структурную схему, которая соответствует передаче двух иерархичес-
ких потоков и схеме первичной модуляции 64-QAM (для каждой из
несущих в группе COFDM).
Схема внутреннего перемежителя показана на рис. 12.5. На вход
схемы поступают два кодированных потока данных [х00, х10, х 0...] и
[х01, хн, х2Р..]. Входные потоки данных демультиплексируются на v
подпотоков, где v = 2 для модуляции QPSK, v = 4 для 16-QAM и v = 6
для 64-QAM. Поток с высоким приоритетом демультиплексируется на
два подпотока, а поток с низким приоритетом — на (v — 2) подпотока.
Если используется неиерархический режим передачи, то работает только
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T
359
один канал кодирования и на вход перемежителя с выхода внутреннего
кодера поступает один поток данных [х0, хр х2...], который демультип-
лексируется на v подпотоков.
После демультиплексирования каждый из подпотоков обрабатывает-
ся отдельным перемежителем битов. При перемежении в зависимости от
числа v используется до 6 таких перемежителей, обозначаемых индекса-
ми 10-15. Перемежители с индексами 10 и II применяются при QPSK, с
индексами 10-13 — при 16-QAM, с индексами 10-15 — при 64-QAM.
Перемежению подвергаются только полезные данные. Длина блока
каждого из перемежителей постоянна и равна 126 битам, но последова-
тельности перемежения у всех разные. Процесс перемежения блоков
повторяется ровно 12 раз за время одного символа OFDM в режиме 2/г
или 48 раз в режиме 8&.
Выходы v перемежителей в каждом такте группируются в один циф-
ровой символ данных (кодовую комбинацию), так что в символе при-
сутствует по одному биту от каждого из v перемежителей. При этом
бит с выхода перемежителя с индексом 10 является самым старшим
битом комбинации. Сформированные символы далее подвергаются сле-
дующему этапу перемежения (по символам). Это означает, что каждый
из символов модулирует по случайной выборке одну из несущих всей
группы OFDM (1512 несущих в режиме 2k или 6048 несущих в режиме
8/?). Перемежение по битам эквивалентно перемежению во времени, тог-
да как премежение по символам эквивалентно перемежению по частоте.
12.2.6. Методы модуляции
В системе ЦНТВ DVB-Т используется передача сигналов по многоча-
стотной схеме модуляции с частотным распределением ортогональных
несущих (OFDM). Возможен выбор одного из двух режимов вещания:
режима 2k с общим числом 1705 ортогональных несущих или режима
8/? с общим числом 6817 ортогональных несущих в одном символе
OFDM. Каждая из несущих модулируется низкоскоростным цифровым
потоком, являющимся частью общего транспортного потока системы,
причем в качестве первичных видов модуляции для различных усло-
вий регламентируются QPSK, 16-QAM и 64-QAM [5].
В зависимости от выбранной схемы передачи в системе DVB-Т могут
формироваться три группы сигнальных созвездий: равномерные для
неиерархической передачи (используется QPSK, 16-QAM, 64-QAM) и
неравномерные с двумя возможными коэффициентами неравномернос-
ти а=2иос=4 (используется 16-QAM и 64-QAM). Форма сигнальных
созвездий модулированных сигналов соответствует тем рисункам, ко-
торые были приведены в гл. 3 применительно к описанию схем моду-
ляции QPSK и M-QAM.
Модулированные узкополосные ортогональные несущие объединя-
ются в пределах полосы канала в группу COFDM. При модуляции несу-
щих (при отображении битовых комбинаций в точки сигнального со-
звездия) для двух старших разрядов используется преобразование
натурального кода в код Грея.
360
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Частота относительно центра канала, МГц
Рис. 12.6. Маска спектра системы DVB-T
В ТВ радиоканале спектр системы DVB-Т за счет использования схе-
мы модуляции OFDM имеет очень хорошую прямоугольность. Полная
спектральная плотность мощности модулируемых несущих OFDM яв-
ляется суммой спектральных плотностей мощности множества несу-
щих. Теоретический спектр сигнала OFDM для канала с полосой 8 МГц
показан на рис. 12.6 [4]. Уровень спектра на частотах вне номинальной
полосы радиосигнала 7,61 МГц может быть снижен с помощью приме-
нения дополнительной полосовой фильтрации.
12.2.7. Формирование кадра данных
В системе DVB-Т на выходе тракта внешнего кодирования и переме-
жения образуется поток кодированных пакетов длиной по 204 байта:
1 байт синхронизации, 187 байтов перемеженных данных транспорт-
ных пакетов и 16 байтов внешней кодозащиты. После внутреннего коди-
рования длина пакета возрастает пропорционально выбранной кодовой
скорости сверточного кода. Полученный результирующий поток битов в
процессе модуляции преобразуется в символы сигнала OFDM, которые
организуются в кадры. Четыре кадра образуют один суперкадр.
Каждый кадр системы DVB-Т имеет длительность TF и состоит из 68
символов с номерами от 0 до 67, которые содержат полезные данные и
служебную информацию, требующуюся для обеспечения правильного
декодирования в приемнике. Каждый символ OFDM содержит 6817
несущих в режиме 8k и 1705 несущих в режиме 2k. Число несущих
полезных данных является неизменным от символа к символу и за
вычетом служебных несущих составляет 6048 несущих в режиме 8k и
1512 несущих в режиме 2k.
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T
361
Разнос несущих в режиме 2к - 4464 Гц, в режиме 8к - II 16 Гц
Г, + 7,61 МГц
Частота
к = О
МИИ
Позиции несущей: к = к ... к
J мин ма.
к = 1704 (Режим 2А)
макс ' z
к = 68 16 (Режим 8А)
макс v 7
Символ 67
Символ О
С и м вол I
Символ 2
Символ 3
Непрерывный пилот
TPS-Пилот Непрерывный пилот
О Данные
ф Непрерывный пилот
ф TPS-Пилот
О Рассеянный пилот
Рис. 12.7. Структура кадра данных системы DVB-T
Структура кадра данных системы DVB-Т показана на рис. 12.7. По-
скольку сигнал OFDM содержит много раздельно модулированных не-
сущих, то каждый символ может быть поделен на ячейки, соответству-
ющие отдельно взятой модулированной несущей в пределах одного
символа. Передаваемая в пределах кадра служебная информация со-
держит:
• ячейки рассредоточенных пилот-сигналов;
• несущие с непрерывно повторяющимися пилот-сигналами;
• несущие сигнализации о параметрах передачи (TPS).
Перечисленные пилот-сигналы используются для кадровой синхро-
низации, частотной синхронизации, временной синхронизации, оцени-
вания канала, идентификации режима передачи, компенсации фазового
шума и пр. С помощью рассредоточенных и непрерывно повторяющих-
ся пилот-сигналов в некоторых служебных ячейках кадра передается
опорная информация, параметры которой априорно известны в прием-
нике. Несущие пилот-сигналов передаются с добавочной мощностью в
соотношении 16/9 относительно мощности несущих полезных данных.
Каждый непрерывно повторяющийся пилот-сигнал совпадает с рассос-
редоточенными пилот-сигналами в каждом четвертом символе.
Численные значения основных параметров кадра OFDM в системе
DVB-Т приведены в табл. 12.1 [5].
362
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Таблица 12.1. Параметры кадра DVB-T
Параметр Значение для режима
8k 2к
Число несущих в символе OFDM 6817 1705
Число несущих полезных данных в символе OFDM 6048 1512
Число рассосредоточенных пилот-сигналов в кадре OFDM 524 131
Число непрерывно повторяющихся пилот-сигналов в кадре OFDM 177 45
Число несущих сигнализации о параметрах передачи в кадре OFDM 68 17
Длительность полезной части символа OFDM, мкс 896 224
Разнос соседних несущих, Гц 1116 4464
Разнос между крайними несущими в символе OFDM, МГц 7,608258 7,611607
12.2.8. Сигнализация о параметрах передачи
Несущие сигнализации о параметрах передачи (TPS) переносят ин-
формацию о параметрах, связанных со схемой передачи:
вид первичной модуляции включая значение коэффициента не-
равномерности созвездия QAM;
информацию об уровнях иерархии и приоритетах передаваемых
программ;
значение защитного интервала (требуется при реконфигурирова-
нии приемника);
значения скоростей внутреннего кодирования;
режим передачи {2k или 8А);
номер кадра в суперкадре.
Сигнализация о параметрах передачи передается параллельно на
17-TPS несущих в режиме 2k и на 68-TPS несущих в режиме 8й. В
каждом символе OFDM передается одна несущая TPS и один бит TPS;
в каждом кадре OFDM передаются 68 бит TPS, распределенных следу-
ющим образом:
1 бит инициализации;
• 16 бит синхронизации;
• 87 бит информации;
• 14 бит кодовой защиты.
12.3. Система цифрового наземного ТВ вещания ISDB-T
363
При неполном использовании всех 87 бит информации оставшаяся
часть должна быть установлена в значение 0.
12.2.9. Защитные интервалы
Символ OFDM состоит из двух частей: полезной части и защитного
интервала. Защитный интервал предшествует полезной части и явля-
ется циклическим префиксом адекватной по длительности последней
части символа.
Согласно Стандарту EN 800 744 в каждом из двух режимов системы
DVB-Т могут быть использованы четыре значения относительных за-
щитных интервалов, приведенные в табл. 12.2.
Таблица 12.2. Значения защитных интервалов в системе DVB-T
Параметр Значение интервалов длительности фрагментов символа OFDM в режимах
Qk 2к
Относительный защитный интервал TG/TU 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32
Длительность полезной части символа Ти, мкс 896 224
Длительность защитного интервала TG, мкс 224 112 56 28 56 28 14 7
Длительность символа TQ = Тг + Г.., мкс о О и* 1120 1008 952 924 280 252 238 231
12.3. Система цифрового наземного ТВ вещания ISDB-T
12.3.1. Общая характеристика системы ISDB-T
Система цифрового наземного ТВ вещания ISDB-T разработана в
трех вариантах применительно к существующим стандартным кана-
лам наземного ТВ вещания с номинальной полосой частот 6, 7 или 8
МГц. Она включена под условным обозначением Система С в существу-
ющую Рекомендацию МСЭ-Р ВТ. 1806 по методам модуляции сигналов
в цифровом наземном ТВ вещании [6].
В системе ISDB-T применяется модифицированная схема многочас-
тотной модуляции с ортогональным частотным распределением муль-
типлекса (OFDM), допускающая передачу цифрового потока в несколь-
ких полосах частот (OFDM сегментах) и называемая BST-OFDM
(частотно-сегментированная передача по схеме OFDM). В качестве ме-
тодов первичной модуляции несущих возможны DQPSK, QPSK, 16-QAM
и 64-QAM. В системе заложены два режима приема: полномерный ши-
рокополосный (несколько базовых сегментов используются преимуще-
ственно для вещания ТВ программ и/или большого объема данных) и
364
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
частичный узкополосный (один базовый сегмент для вещания звуко-
вых программ и адекватных потоков данных) [7].
Частичный прием в системе ISDB-T является ее оригинальным свой-
ством, отличающим от других систем ЦНТВ. Он предполагает использо-
вание упрощенного узкополосного приемника, рассчитанного на прием в
полосе только одного сегмента OFDM. Такой приемник может использо-
ваться в носимом варианте для приема звуковых программ и/или теле-
матической информации. Стоит заметить, что при частичном приеме
абонент получает часть общего транспортного потока, рассосредото-
ченного по полному числу сегментов. Таким образом, узкополосный
приемник может принимать ряд служб из отдельно передаваемого сег-
мента или из центрального сегмента группы, а широкополосный при-
емник может принимать все службы из сегментов, входящих в допус-
тимую полосу системы.
В зависимости от требуемых условий приема система может рабо-
тать в следующих трех режимах:
режим 1 — для приема сигналов подвижными приемниками;
режим 2 — для приема сигналов как подвижными, так и стацио-
нарными приемниками;
режим 8 — для фиксированных служб, использующих одночас-
тотные сети.
Некоторые устройства в системе ISDB-T аналогичны по структуре и
параметрам соответствующим устройствам в системе DVB-Т, что спо-
собствует определенной гармонизации обеих систем, особенно прием-
ников-декодеров. К числу таких устройств относятся внешний кодер
Рида-Соломона, скремблеры, перемежители и внутренние сверточные
кодеры. Поэтому ниже будут описаны устройства, присущие только
системе ISDB-T.
12.3.2. Методы мультиплексирования и формирования кадра данных
В системе ISDB-T подлежащие передаче транспортные потоки, сфор-
мированные в соответствии с требованиями стандарта MPEG-2, снача-
ла подвергаются ремультиплексированию, т.е преобразуются в группы
данных, называемые сегментами данных. Каждый из них кодируется
корректирующим кодом, после чего преобразуется в модулированный
OFDM-сегмент, к которому добавляются пилот-несущие ТМСС (служеб-
ные сигналы о схеме мультиплексирования и модуляции и служащие
для правильной демодуляции и управления конфигурацией декодиро-
вания). Параметры корректирующего кода, глубина временного пере-
межения, тип первичной модуляции несущих и длина защитного ин-
тервала выбираются для каждого сегмента. Для передачи какой-либо
службы с большим объемом данных отводится необходимое число сег-
ментов. Такая компоновка спектра и параметров передачи позволяет
легко адаптировать систему к различным каналам и видам обслужива-
12.3. Система цифрового наземного ТВ вещания ISDB-T
365
ния. В системе предусматривается три уровня иерархического приема.
Все это вместе взятое допускает отвести часть полосы, например, для
приема ТВ программ на стационарные приемники, а оставшуюся часть
полосы — для приема звуковых сигналов и данных на мобильные и
носимые приемники.
Для получения режима передачи по схеме BST-OFDM с различными
иерархическими уровнями определяется кадр мультиплекса. В нем
транспортный поток — это непрерывный поток транспортных паке-
тов, имеющих общую длину 204 байта, из которых 16 байтов являют-
ся проверочными байтами кода Рида-Соломона, или нулевыми байта-
ми. Длительность кадра мультиплекса подстраивается под длительность
кадра OFDM путем подсчета числа пакетов с использованием тактовой
частоты в 4 раза более высокой, чем частота отсчетов БПФ. Конкрет-
ное число транспортных пакетов в одном кадре OFDM зависит от вида
модуляции и скорости сверточного кода, т.е. числа значащих позиций
в пространстве сигнала, что и приведено в табл. 12.8.
Таблица 12.3. Число транспортных пакетов в кадре BST-OFDM
Вид модуляции несущей Скорость сверточного кода Число транспортных пакетов, передаваемых в одном кадре (режимы 1 /2/3)
DQPSK, QPSK 1/2 12/24/48
2/3 16/32/64
3/4 18/36/72
5/6 20/ 40/ 80
7/8 21 /42/84
16-QAM 1/2 24 / 48 / 96
2/3 32/64/ 128
3/4 36/72/ 144
5/6 40/ 80/ 160
7/8 42/84/ 168
64-QAM 1/2 36/72/ 144
2/3 48/96/ 192
3/4 54/ 108/216
5/6 60/ 120/ 240
7/8 63 / 126/252
12.3.3. Методы кодирования для канала
Структурная схема подсистемы кодирования для канала в системе
ISDB-T показана на рис. 12.8 [7]. Особенность этой подсистемы — три
отдельных тракта рандомизации и внутреннего кодирования, обеспе-
чивающие необходимую обработку данных для каждого из трех иерар-
366
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Рис. 12.8. Структурная схема подсистемы кодирования для канала
в системе ISDB-T
хических режимов передачи. Транспортные пакеты с выхода внешнего
кодера коммутируются на вход того, либо иного тракта в зависисмости
от установленного приоритета. Блоки коррекции задержки необходи-
мы для выравнивания различных времен задержки, обусловленных
процессами перемежения в трактах с разными приоритетами (видами
модуляции и кодовыми скоростями).
12.3.4. Методы модуляции
Сигнал системы ISDB-T состоит из 13 базовых сегментов OFDM, каж-
дый из которых занимает полосу частот В/14 МГц, где В — номиналь-
ная полоса частот канала. Таким образом, полная рабочая полоса час-
тот системы ISDB-T равна 13хД/14 МГц, т.е. примерно равна указанной
в [6]:
• 428,57x13-5,57 МГц для канала вещания 6 МГц;
• 500,0x13-6,5 МГц для канала вещания 7 МГц;
• 571,428x13^7,43 МГц для канала вещания 8 МГц.
Базовые сегменты спектра для основного канала с полосой 6 МГц
могут занимать полосу 5,6 МГц (ТВ программы) и 429 кГц (звуковые
программы). Поскольку для широкого и узкого сегментов спектра ис-
пользуются одни и те же параметры передачи, то сегмент 5,6 МГц
может напрямую включать в себя узкополосные сегменты 429 кГц.
Это гарантирует, прием узкополосным приемником (429 кГц) ряда служб
с полосой 5,6 МГц, а широкополосным приемником (5,6 МГц) — всех
служб с полосой 429 кГц.
Структурная схема модулятора системы ISDB-T показана на рис. 12.9.
В ней, как и в подсистеме кодирования для канала, имеется три тракта
перемежения и отображения битов в модулированные символы.
В каждом из модуляторов Мд1-МдЗ, соответствущих режимам ра-
боты с разными приоритетами, имеется по четыре перемежителя и
маппера для четырех возможных видов модуляции: DQPSK, QPSK,
16-QAM, 64-QAM. Нужный режим работы обеспечивается коммутаци-
ей входных данных и выходных символов (рис. 12.10).
12.3. Система цифрового наземного ТВ вещания ISDB-T *
367
Рис. 12.9. Структурная схема модулятора системы ISDB-T
Рис. 12.10. Структурная схема модулятора отдельного уровня
Основные параметры передачи модулированных сигналов в системе
ISDB-T для всех трех режимов вещания в канале с полосой 8 МГц
приведены в табл. 12.4 [7, 8].
Возможные скорости передачи информации в системе ISDB-T в ка-
нале с полосой 8 МГц при использовании всех 18 сегментов приведены
в табл. 12.5 [8].
368
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Таблица 12.4. Параметры передачи в системе ISDB-T
Параметры Режимы
1 2 3
Число сегментов (Ns) 13
Полоса сегмента 8000/14 = 571,428... кГц
Полоса системы 8000/14 (кГц) Ns + 8000/(14x108)(кГц) = 7,433... МГц 8000/14 (кГц) Ns + 8000/(14x216) (кГц) = 7,431... МГц 8000/14 (кГц) A/s + 8000/(14x432) (кГц) = 7,429... МГц
Число сегментов при дифференциаль- ной модуляции nd
Число сегментов при когерентной модуляции п (п + п = N) s ' s d s'
Число несущих в сегменте 108 216 432
Разнос несущих 8000/(14x108) = 5,291... кГц 8000/(14x216) = 2,645... кГц 8000/(14x432)= 1,322... кГц
Число несущих в системе Всего 108Л/ + 1 = 1405 S 21 GN + 1 = 2809 s 432Л/ + 1 = 5617 s
Данные 96Л/ = 1248 S 192A/s = 2496 384A/s =4992
SP *1> 9ns 18ns 36n s
СР *2> nd + 1 nd+ 1 n . + 1 d
ТМСС ns+ 5ПС 2ns+ 10nd An + 20n. s d
АС1 *4> 2N = 26 s 4Л/ = 52 s 8N =104 s
АС2 *4> 19nd
Модуляция несущих QPSK, 16-QAM, 64-QAM, DQPSK
Число символов в кадре 204
Эффективная длительность символа 189 мкс 378 мкс 756 мкс
Защитный интервал 47,25 мкс (1/4), 23,625 мкс (1/8), 11,8125 мкс (1/16), 5,90625 мкс (1/32) 94,5 мкс (1/4), 47,25 мкс (1/8), 23,625 мкс (1/16), 11,8125 мкс (1/32) 189 мкс (1/4), 94,5 мкс (1/8), 47,25 мкс (1/16), 23,625 мкс (1/32)
Длительность кадра 48,195 mc (1/4), 43,3755 mc (1/8), 40,96575 mc (1/16), 39,760875 mc(1/32) 96,39mc(1/4), 86,751 mc(1/8), 81,931 5mc(1/1 6), 79,52175 mc (1/32) 192,78mc(1/4), 173,502 mc (1/8), 163,863 mc (1/16), 159,0435 mc (1/32)
Внутренний код Сверточный код (1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8)
Внешний код RS (204,188)
Примечания:
SP — рассеянный пилот-сигнал;
СР — регулярный пилот-сигнал;
ТМСС — несущие сигналов управления конфигурацией передачи и мульти-
плексированием;
‘4): АС — вспомогательный канал передачи информации для сетевых операций.
12.4. Система цифрового наземного ТВ вещания 8-VSB ATSC
369
Таблица 12.5. Скорости передачи информации в системе ISDB-T
Модуляция несущих Скорость сверточ- ного кода Число передаваемых транспортных пакетов*2* (режимы 1/2/3) Скорость передачи информации при 13 сегментах (Мбит/с) *1) при относительном защитном материале
1/4 1/8 1/16 1/32
DQPSK, QPSK 1/2 156/312/624 4,868 5,409 5,727 5,900
2/3 208/216/832 6,490 7,212 7,636 7,867
3/4 234 / 468 / 936 7,302 8,113 8,590 8,851
5/6 260/520/ 1040 8,113 9,015 9,545 9,834
7/8 273 /546/ 1092 8,519 9,465 10,022 10,326
16-QAM 1/2 312/624/ 1248 9,736 10,818 11,454 11,801
2/3 416/832/ 1664 12,981 14,424 15,272 15,735
3/4 468/936/ 1872 14,604 16,227 17,181 17,702
5/6 520/ 1040/ 2080 16,227 18,030 19,091 19,669
7/8 546/ 1092/2184 17,038 18,931 20,045 20,653
64-QAM 1/2 468/936/ 1872 14,604 16,227 17,181 17,702
2/3 624 / 1248/ 2496 19 472 21,636 22,909 23,603
3/4 702/1404/2808 21,907 24,341 25,772 26,553
5/6 780/ 1560/3120 24,341 27,045 28,636 29,504
7/8 819/ 1638/3276 25,558 28,397 30,068 30,979
Примечания:
Ч) — в случае иерархическом передачи скорость передачи информации может быть
вычислена суммированием скоростей передачи информации отдельных сегментов;
*2) — пакет транспортного потока, содержащий 188 байтов и определяющийся
стандартом MPEG-2 Systems.
12.4. Система цифрового наземного ТВ вещания 8-VSB ATSC
12.4.1. Структура системы 8-VSB ATSC
Структурная схема системы 8-VSB ATSC {Система А по МСЭ-Р) в
виде эталонной модели своих основных подсистем показана на рис. 12.11
[9]. В подсистеме кодирования источников информации используется
набор частот, основанный на эталонной частоте 27 МГц. Эта частота
используется для получения цифровых отсчетов частоты длиной 42
бита, из которых первые 38 бита называются базовыми эталонными
370
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Рис. 12.11. Общая структура системы 8-VSB ATSC
метками времени программы, а оставшиеся 9 бит — расширенными
эталонными метками времени. Последние эквивалентны отсчетам час-
тоты 90 кГц, подстраиваемой по сигналу частоты 27 МГц, и использу-
ются в аудио- и видеокодерах при формировании меток времени ото-
бражения и декодирования. Из частоты 27 МГц синтезируются
необходимые частоты дискретизации видеоинформации (/г) и аудиоин-
формации (/а).
Транспортный кодер фактически выполняет роль мультиплексора
системы 8-VSB ATSC, объединяющего кодированные потоки источни-
ков информации и сервисной информации. На его выходе действует
поток транспортных пакетов с частотой /тр. К выходу транспортного
кодера подключены устройства цикловой синхронизации, кодовой за-
щиты и однополосной модуляции, которые входят в состав подсистемы
адаптации к каналу.
В подсистеме адаптации к наземному каналу вещания, структурная
схема которой показана на рис. 12.12, осуществляется кодирование с
Рис. 12.12. Структурная схема подсистемы адаптации к каналу системы 8-VSB ATSC
12.4. Система цифрового наземного ТВ вещания 8-VSB ATSC
371
прямым исправлением ошибок, для чего в транспортный поток вводят-
ся избыточные символы кода Рида-Соломона, сигналы цикловой синх-
ронизации и далее производится сверточное решетчатое кодирование
сформированного группового сигнала и формирование модулированного
сигнала 8-VSB. Подсистема кодирования-модуляции имеет две частоты:
частоту передачи транспортного потока fTP и частоту передачи символов
/*симв модулированного сигнала 8-VSB. Эти две частоты должны быть
взаимно синхронизиованы, исходя из следующего соотношения:
(188 V312
ф~ ^208^313,
(12.4)
Частоты в подсистемах кодирования источников и формирования
передаваемого сигнала могут быть асинхронны. В этом случае частот-
ные сдвиги устраняются вводом в транспортный поток специальных
пустых пакетов (ноль-пакетов).
12.4.2. Формирование кадра данных системы 8-VSB ATSC
В системе 8-VSB ATSC каждый кадр данных состоит из двух полей
данных, каждое из которых содержит 313 сегментов, как показано на
рис. 12.13. Первый сегмент данных каждого поля является сигналом
Рис. 12.13. Структура кадра данных системы 8-VSB ATSC
372
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
синхронизации и включает настроечную последовательность, исполь-
зуемую корректором в приемнике. Остальные 312 сегментов переносят
подвергнутые перемежению данные нескольких транспортных пакетов
и соответствующих избыточных данных для прямого исправления оши-
бок. Каждый сегмент данных состоит из 832 символов. Первые 4 сим-
вола передаются в двоичном коде и обеспечивают синхронизацию сег-
мента и транспортного пакета (1 байт из 188 байтов). Оставшиеся 828
символов каждого сегмента данных по объему эквивалентны 187 бай-
там транспортного пакета плюс 20 проверочным байтам RS-кода (все-
го 1656 бит) плюс 828 проверочных битов сверточного кода со скорос-
тью 2/3. Эти 828 символов сегмента передаются как сигналы с 8
уровнями и поэтому переносят три бита на символ. Таким образом, в
каждом сегменте данных переносятся 828x3=2484 бита данных вирту-
ального защищенного транспортного пакета.
12.4.3. Перемежение и кодирование для канала в системе 8-VSB ATSC
В системе 8-VSB ATSC процессы рандомизации и прямого исправле-
ния ошибок не примененяются к синхробайту транспортного пакета,
который при передаче представлен сигналом синхронизации сегмента
данных. Используется межсегментный сверточный побайтовый пере-
межитель, захватывающий 52 сегмента данных. Перемежение обеспе-
чивается на глубину около 1/6 относительно поля данных (4 мс). Пере-
межению подвергаются только байты данных. Перемежитель должен
быть синхронизирован с первым байтом данных поля данных. Для по-
лучения большего выигрыша от решетчатого кодирования произво-
дится также внутрисегментное перемежение. Структура сверточного
перемежителя показана на рис. 12.14.
В качестве внешнего кода в системе ATSC используется код Рида-
Соломона RS (207, 187, t = Хо). Размер блока информационных данных
RS-кода — 187 байтов, к которым для исправления ошибок добавля-
ются 20 проверочных байтов. Общий размер кодированного RS-блока,
М = 4, В = 52, N = 208, К-S блок = 207, В М = N
Рис. 12.14. Структура перемежителя в системе ATSC
12.4. Система цифрового наземного ТВ вещания 8-VSB ATSC
373
Предварительный
кодер
Кодер решетчатого кода
(Задержка D = 12 символов)
Рис. 12.15. Кодер решетчатого кода — маппер символов
Маппер 8-уровневых
символов
Таблица
отображения
о N N сч N R
ООО -7
0 0 1 -5
0 1 0 -3
0 1 1 -1
1 0 0 +1
1 0 1 +3
1 1 0 +5
111 +7
передающегося в сегменте данных, составляет 207 байтов, причем 20
проверочных байтов передаются в конце сегмента.
В качестве внутреннего кода в системе 8-VSB используется форми-
рование решетчатой сигнально-кодовой конструкции на основе свер-
точного кода со скоростью R=2/3. Структурная схема данного форми-
рователя, объединяющего сверточный кодер и маппер 8-уровневых
символов, показана на рис. 12.15. Один из двух параллельных битов,
поступающих в кодер, кодируется в два выходных бита при помощи
сверточного кодера со скоростью jR=1/2, другой входной бит в кодере не
изменяется. Однако до ввода в кодер он подвергается предварительному
относительному кодированию. Сформированные таким образом триады
битов управляют маппером, который отображает входной код из 3 би-
тов в квантованное колебание с 8 разрешенными уровнями, имеющее
одномерное созвездие. Таблица отображения бит/символ показана в блоке
маппера на рис. 12.15. После амплитудной модуляции и частичного
подавления нижней боковой полосы образуется радиосигнал, называе-
мый 8-VSB.
Для повышения помехоустойчивости в кодирующем устройстве приме-
няется внутрисегментное перемежение. Для этого используют 12 идентич-
ных решетчатых кодеров и предкодеров, обрабатывающих разделенные во
времени (чередующиеся) символы данных. Перемежение символов кода
осуществляется кодированием символов (0, 12, 24, 36, ...) в одной группе,
символов (1, 13, 25, 37, ...) во второй группе, символов (2, 14, 26, 38, ...) в
третьей и так далее в цикле из 12 групп.
12.4.4. Модуляция в системе 8-VSB ATSC
В системе 8-VSB ATSC используется 8-уровневая амплитудная моду-
ляция с частично подавленной нижней боковой полосой (8-VSB). Диаг-
рамма уровней модулирующего сигнала показана на рис. 12.16. Для
согласования этого сигнала с полосой канала 6 МГц используется сгла-
374
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Рис. 12.16. Диаграмма уровней модулирующего сигнала в системе ATSC
Рис. 12.17. Номинальный спектр системы 8-DVB ATSC для канала с полосой 6 МГц
живание спектра и оптимальная фильтрация в приемнике. Формиро-
вание спектра разделено между передатчиком и приемником в стандарт-
ном соотношении как корень из полной передаточной характеристики
на каждой из сторон. Номинальная характеристика полосового систем-
ного спектра с косинус-квадратичными срезами, имеющими коэффици-
ент скругления ос=0,1152, показана на рис. 12.17. С учетом оптималь-
ной фильтрации спектр вещаемого сигнала реально имеет косинусное
скругление, соответствующая характеристика показана на рис. 12.18.
12.5. Основные параметры тракта передачи сигналов в системах цифрового...
375
12.5. Основные параметры тракта передачи сигналов в
системах цифрового наземного ТВ вещания
Поскольку параметры передачи известных систем существенно за-
висят от номинальной полосы частот канала, то целесообразно сопос-
тавить их варианты для каналов с некоторой нормированной полосой.
Базовые варианты систем разработаны применительно к каналу с по-
лосой 6 МГц (США, Япония) и 8 МГц (Европа, Китай и другие страны).
Параметры систем для этих двух полос приведены в табл. 12.6 и 12.7
соответственно [1, 5, 6, 8, 9].
Таблица 12.6. Параметры передачи систем ЦНТВ в канале 6 МГц.
Параметры Значение для системы
ATSC DVB-T ISDB-T
1 2 3 4
Используемая полоса частот 5,38 МГц (-3 дБ) 5,74 МГц 5,575 МГц (режим 1) 5,573 МГц (режим 2) 5,572 МГц (режим 3)
Число излучаемых несущих 1 1705 (режим 2k) 6817 (режим 8k) 1405 (режим 1) 2809 (режим 2) 5617 (режим 3)
Число активных несущих 1 1512 (режим 2k) 6048 (режим 8k) —
Методы модуляции 8-VSB OFDM (QPSK,16-QAM, 64-QAM, MR16-QAM, MR64-QAM ) Сегментированная OFDM (DQPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM )
Формирование спектра Косинусное скругление, R = 5,8% — —
376
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Продолжение табл. 12.6.
1 2 3 4
Длительность активного символа 92,9 нс 298,667 мкс (режим 2к) 1194,667 мкс (режим 8k) 252 мкс (режим 1) 504 мкс (режим 2) 1008 мкс (режим 3)
Разнос несущих — 3348,214 Гц (режим 2k) 837,054 Гц (режим 8k) 3968 Гц (режим 1) 1984 Гц (режим 2) 992 Гц (режим 3)
Защитный интервал — 1/4; 1/8; 1/16; 1/32 длительности активного символа 1/4; 1/8; 1/16;1/32 длительности активного символа
Длительность полного символа 77,3 мкс (сегмент) 308,0; 317,3; 336,0; 373,3 мкс (режим 2k) 1232,0; 1269,3; 1344,0; 1493,3 мкс (режим 8k) 315; 283,5; 267,75; 259,875 мкс (режим 1) 630; 567; 535,5; 519,75 мкс (режим 2) 1260;1134; 1071; 1039,5 мкс (режим 3)
Длительность передаваемого кадра 48,4 мс 68 OFDM символов Один суперкадр состоит из 4 кадров 204 OFDM символа
Внутренний код канала Trellis 2/3 Скорость сверточного кода: 1/2; 2/3; 4/5; 5/6; 7/8 Скорость сверточного кода: 1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8
Внутреннее перемежение 12 (независимо кодированные потоки с перемежением во времени) Частотное перемежение Временное и частотное перемежение
Внешний код канала RS (207,187, t = 10) RS (204,188, t =8) RS (204,188, t =8)
Внешнее перемежение 52 сегментное сверточное байтовое перемежение Побайтовое сверточное перемежение, / = 12 Побайтовое сверточное перемежение, / =12
Скорость полезных данных 19,392 Мбит/с 3,69 — 23,5 Мбит/с 3,651 —23,235 Мбит/с
С/Ш в канале с АБГШ 14,9 дБ при вероятности ошибок 1,93x10'4 на выходе транспортного декодера 3,1 дБ — 20,1 дБ при вероятности ошибок 2x10 4 на выходе декодера Витерби (в зависимости от вида модуляции и скорости кода) 5,0 дБ — 23,0 дБ при вероятности ошибок 2x10 4 на выходе декодера Витерби (в зависимости от вида модуляции и скорости кода)
12.5. Основные параметры тракта передачи сигналов в системах цифрового...
377
Таблица 12.7. Параметры передачи систем ЦНТВ в канале 8 МГц
Параметры Значение для системы
ATSC DVB-T ISDB-T
1 2 3 4
Используемая полоса частот 7,00МГц (-3 дБ) 7,608258 МГц (режим 2к) 7,611607 МГц (режим 8k) 7,434 МГц (режим 1) 7,431 МГц (режим 2) 7,430МГц (режим 3)
Число излучаемых несущих 1 1705 (режим 2k) 6817 (режим 8k) 1405 (режим 1) 2809 (режим 2) 5617 (режим 3)
Число активных несущих 1 1512 (режим 2k) 6048 (режим 8k) —
Методы модуляции 8-VSB OFDM (QPSK,16-QAM, 64-QAM, MR16-QAM, MR64-QAM ) Сегментированная OFDM (DQPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM )
Формирование спектра Косинусное скругление, /? = 7,1% — —
Длительность активного символа 71,4 нс 224 мкс (режим 2k) 896 мкс (режим 8k) 189 мкс (режим 1) 378 мкс (режим 2) 756 мкс (режим 3)
Разнос несущих — 4464 кГц (режим 2k) 1116 кГц (режим 8k) 5291 Гц (режим 1) 2645 Гц (режим 2) 1322 Гц (режим 3)
Защитный интервал — 1/4; 1/8; 1/16; 1/32 длительности активного символа 1/4; 1/8; 1/16; 1/32 длительности активного символа
Длительность полного символа 59,4 мкс (длительность сегмента,т.е. цикла из 832 символов) 231; 238; 252; 280 мкс (режим 2k) 924; 952; 1008; 1120 мкс (режим 8k) 236,250; 212,625; 200,813; 194,906 мкс (режим 1) 472,5; 425,25; 401,625; 389,813 мкс (режим 2) 945; 850,5; 803,25; 779,625 (режим 3)
Длительность передаваемого кадра 37,2 мс 68 OFDM символов Один суперкадр состоит из 4 кадров 204 OFDM символа
Внутренний код канала Решетчатая сигнально- кодовая конструкция, скорость 2/3 Скорость сверточного кода: 1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8 Скорость сверточного кода: 1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8
Внутреннее перемежение /—12 (независимо кодированные потоки с перемежением во времени) Частотное перемежение Временное и частотное перемежение
378
12. Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ вещания
Продолжение табл. 12.7.
1 2 3 4
Внешний код канала RS (207,187, f =10) RS (204,188, t =8) RS (204,188, f =8)
Внешнее перемежение 52-сегментное сверточное байтовое перемежение Побайтовое сверточное перемежение, / =12 Побайтовое сверточное перемежение, / =12
Скорость полезных данных 27,48 Мбит/с 4,98 —31,67 Мбит/с 4,868 Мбит/с - 30,980 Мбит/с
С/Ш в канале с АБГШ 15,19 дБ при вероятности ошибки 1,93x10 4 на выходе транспортного декодера 3,1 — 20,1 дБ при вероятности ошибки 2x10 4 на выходе декодера Витерби (в зависимости от вида модуляции и скорости кода) 6,2 дБ - 22,0дБ при вероятности ошибки 2х10 4на выходе декодера Витерби (в зависимости от вида модуляции и скорости кода)
Список литературы
1. ITU-R. Doc.llA/6-Е, 16.02.1998. (Delayed contribution from Inter-
Union Technical Committee (IUTC) of the World Broadcasting Unions).
— Digital Terrestrial Television Transmission. User’s Needs and System
Selection.
2. International Standard ISO/IEC 13818-3 (1998). — Information
technology. — Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio
Information: Audio.
3. ITU-R Recommendation ВТ. 1299. The Basic Elements of a Worldwide
Family of Systems for Digital Terrestrial Television Broadcasting. —
ITU-R Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting Service
(Television).
4. ITU-R. Doc.ll-3/43-Е, 29.09.1996. (EBU). — Digital broadcasting
systems for television, sound and data services; Framing structure,
channel coding and modulation for digital terrestrial television.
5. European Standard (Telecommunications series) Draft EN 300 744
VI.2.1 (1999-01). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial
Television (DVB-T). — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
6. ITU-R Recommendation ВТ. 1306-1. Error-Correction, Data Framing,
Modulation and Emission Methods for Digital Terrestrial Television
Broadcasting. — ITU-R Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting
Service (Television).
Список литературы 379
7. ITU-R. Doc.llA/59-Е, 17.05.1999. Delayed contribution. (Japan). —
Proposed Draft new Recommendation. Channel Coding, Frame Structure
and Modulation Scheme for Terrestrial Integrated Services Digital
Broadcasting (ISDB-T).
8. ITU-R. Doc.llA/61-Е, 28.04.1999. (Special Rapporteur). — Updating
of the Handbook on Digital Terrestrial Television Broadcasting ISDB-T.
9. ATSC Digital Television Standard. — ATSC Doc.A/53. March 2000.
10. Информация доступна на сайте Проекта DVB
http: / / www. d vb. or g
13. Принципы построения и основные параметры
спутниковых систем цифрового ТВ вещания
13.1. Общие сведения
13.1.1. Предварительные замечания о становлении цифровых спутниковых
систем
Исторически внедрение цифровых методов передачи и вещания ТВ
программ началось со спутниковых систем связи. Предпосылками по-
служили возможность увеличения ограниченной пропускной способно-
сти спутниковых каналов путем создания цифровых систем многопрог-
раммного ТВ вещания (МПТВ) и широкий охват населения спутниковым
вещанием.
В течение последнего десятилетия в связи с прогрессом цифровых
методов обработки сигналов и производства специализированных БИС
начали быстро создавать и вводить в эксплуатацию различные спутни-
ковые системы МПТВ. В 1994 г. в рамках консорциума Проект DVB
был создан Европейский стандарт спутниковой цифровой системы МПТВ
DVB-S, работающей в полосе частот 11/12 ГГц [1], а на основе данного
стандарта — проект первой Рекомендации МСЭ-Р для этих систем, преоб-
разованный позднее в Рекомендацию МСЭ-Р ВО.1211 [2]. В ней рассмотре-
ны методы цикловой синхронизации транспортного потока MPEG-2, за-
щиты от ошибок и модуляции, применяемые в Европейской спутниковой
системе МПТВ DVB-S, и рекомендовано учитывать эти методы при про-
движении к единому общемировому стандарту.
Одновременно с разработкой стандарта цифрового спутникового ве-
щания Проекта DVB аналогичные исследования проводились и в США,
где в сентябре 1995 г. были представлены два варианта спутниковых
цифровых систем МПТВ (DSS и GI-MPEG 2). Разрабатывались и дру-
гие варианты систем. В них цифровые сигналы МПТВ передавались с
помощью спутниковых транспондеров со скоростью 24 — 30 Мбит/с и
их можно было принимать на всей континентальной территории США
на антенны диаметром 45 см. Дополнительно к кодированию и сжатию
каждого сигнала отдельной ТВ программы предусматривалось статис-
тическое мультиплексирование, позволяющее исключить формирова-
ние строго заданного цифрового потока. Это позволило передавать сиг-
налы МПТВ со скоростью 1,5 Мбит/с на одну программу ТВ вещания.
В России, Западной Европе, Японии и США уже имеется свыше
50 млн. потребителей непосредственного спутникового ТВ вещания в
рамках фиксированных спутниковых служб (ФСС) с использованием
полос частот 11 ГГц в Европе и 4 ГГц в США. Сформировалась потреб-
ность в значительном увеличении количества культурных, образова-
тельных и других специализированных программ. Удовлетворение этого
заказа в полной мере с помощью ФСС затруднено в связи с ограничени-
ями вещания в указанных полосах частот.
13.1. Общие сведения
381
13.1.2. Выделение частотного ресурса для спутниковых систем
В 1977 г. Всемирная Административная Радиоконференция
(WARC-77) приняла частотный план, регламентирующий применение
систем спутникового вещания (Broadcasting-satellite service, BSS) в по-
лосах частот 11,7-12,5 ГГц (для Района 1) и 11,7-12,2 ГГц (для Райо-
на 3). На конференции были также разработаны технические крите-
рии совместной работы в этом диапазоне спутниковых и наземных
радиослужб, приняты План частотных присвоений и орбитальных по-
зиций для радиовещательной спутниковой службы при индивидуаль-
ном и коллективном приемах, определены технические характеристи-
ки этой службы, установлены критерии и процедуры, регламентирующие
использование полосы частот 11,7-12,5 ГГц службами, которые работа-
ют в этой полосе частот. План, предусматривающий пять каналов для
каждой страны, относился в основном к аналоговым стандартным те-
левизионным системам с частотной модуляцией (ЧМ) и одной ЧМ несу-
щей звука. Этот План вступил в силу 1 января 1979 г. на 15-летний
срок.
Начиная с 1977 г. началось внедрение перспективных аналоговых
систем телевидения повышенного качества, таких как Европейское се-
мейство MAC/packet и японская система MUSE, предназначенных для
обеспечения широкоэкранного формата (формат изображения 16:9), а
также систем с высокой разрешающей способностью и цифровым зву-
ком. В этих аналоговых системах для обработки сигналов частично
использовались цифровые методы, приведенные в [3].
Согласно Плану 1977 г. разнос между соседними орбитальными по-
зициями установлен равным 4-6\ Полоса 11,7-12,5 ГГц разделена на
40 каналов с разносом между несущими 19,18 МГц. В плане предус-
мотрено использование двух видов круговой поляризации радиоволн:
прямой и обратной. Общее число распределяемых каналов равно 984.
Ширина полосы канала 27 МГц.
В то время для СССР было предусмотрено пять позиций на геоста-
ционарной орбите (23, 44, 74, 110 и 140° в.д.) и 36 номиналов частот.
Благодаря достаточному угловому разносу между зонами обслужива-
ния и использованию двух видов поляризации обеспечивалась возмож-
ность одновременной передачи 70 ТВ программ [4].
С 8 мая по 2 июня 2000 г. в Стамбуле (Турция) проходила Всемир-
ная Конференция Радиосвязи (ВКР-2000). Она приняла разработан-
ный План спутникового телевизионного вещания, который закрепляет
за Россией уже 74 частотных канала на 5 национальных позициях
геостационарной орбиты (ГСО) — больше, чем для любого государства
в мире. Таким образом, за Россией сохраняются 16 полностью защи-
щенных каналов в каждой из 4 орбитальных позиций в Плане (36, 56,
86, 140), а также России выделены 5 новых каналов дополнительно к
пяти существующим в позиции 110 .
Выделенный Планом для нашей страны орбитально-частотный ре-
сурс обеспечит перспективные потребности по распределению программ
телевидения через спутники на долгие годы. В плане ВКР-2000 также
выделено по 10 каналов каждой стране — члену Регионального содру-
382 13 Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
жества в области связи (РСС). Таким образом для обслуживания терри-
тории бывшего Советского Союза только для стран — членов РСС вы-
делено около 200 частотных каналов, что почти в три раза превышает
предусмотренный для СССР частотный ресурс (69 каналов) в плане
1977 г.
Большая роль в становлении спутниковых систем принадлежит МСЭ-Р,
где в течение длительного времени изучались направления развития,
рациональные с точки зрения перехода от инфраструктуры на анало-
говой основе к цифровым спутниковым телевизионным системам. Воз-
растающий интерес и преимущества цифрового кодирования изобра-
жения и звука, а также возможность организации многопрограммной
передачи с помощью одного транспондера обусловили разработку Ра-
бочей группой 10-11S проекта новой Рекомендации, относящейся к
многопрограммным системам передачи изображения, звука и данных
в полосе частот 11/12 ГГц [2,5].
В настоящее время для целей спутникового ТВ вещания выделены
полосы частот в диапазонах 12, 29, 40 и 85 ГГц. За исключением полос
в диапазонах 40 и 85 ГГц, где во всех трех Регионах МСЭ-Р выделен
спектр шириной 2000 МГц, ширина используемого спектра и его раз-
мещение в пределах полосы частот специфичны для каждого из Регио-
нов. Диапазон 12 ГГц предназначен для служб коллективного приема
телевидения и непосредственного спутникового ТВ вещания, а полоса в
диапазоне 21 ГГц — для широкополосных систем ТВЧ.
В дополнение к существующим системам изучается возможность орга-
низации спутникового ТВ вещания в полосе частот диапазона 40 ГГц, не
используемой ранее для спутниковых служб радиовещания из-за отно-
сительно большого затухания сигнала [6]. В этой связи одной из основ-
ных задач исследований является оценка возможности разделения по-
лос частот в диапазоне 40 ГГц между службами спутникового вещания
и потенциально несовместимыми другими системами, предложенными
для диапазонов частот 40,5 — 42,5 ГГц и 47,2 — 49,2 ГГц. К этим
системам можно отнести, например, многоточечные распределитель-
ные ТВ системы MVDS, предложенные для диапазона частот 40,5 —
42,5 ГГц в Европе, глобальную аэростатную систему, предложенную
для диапазона 47,2 — 49,2 ГГц, и спутниковые ФСС-системы, исполь-
зующие национальные геостационарные орбиты.
В диапазоне 40 ГГц могут быть созданы направленные лучи ИСЗ с
зонами покрытия диаметром 150 — 300 км, в каждой из которых сиг-
налы принимаются антеннами размером менее 0,5 м. Прогресс в раз-
витии технологии позволяет обеспечить, например, с помощью 64-эле-
ментной многолучевой спутниковой антенны до 19200 ТВ каналов (по
300 каналов в каждом луче) [3].
Применение направленных лучей в условиях России является эф-
фективным решением задач покрытия локальных, ограниченных зон
городов и регионов, например, в условиях рассредоточения населен-
ных пунктов на большой территории. Энергия отдельного луча может
быть сфокусирована на обслуживание города, области или зоны с дос-
таточно большой плотностью населения. За пределами этих участков
13.1. Общие сведения
383
могут быть применены другие, экономически выгодные в данном слу-
чае средства, в частности, системы ФСС.
13.1.3. Общая характеристика систем цифрового спутникового
многопрограммного вещания
При рассмотрении спутниковых систем в МСЭ-Р было решено огра-
ничиться включением в проект Рекомендации только уже используе-
мых в мире систем МПТВ — DVB-S (Система A), DSS (Система В) и
GI-MPEG 2 (Система С ), весьма схожих по архитектуре. Кроме того
было найдено понимание необходимости постепенного сближения су-
ществующих стандартов МПТВ для создания единого мирового стан-
дарта. На основе исследований был разработан проект Рекомендации
по общим функциональным требованиям к многопрограммным систе-
мам спутникового вещания в полосе частот 11/12 ГГц, принятый в
октябре 1996 г. [7]. Для достижения компромисса между разработчи-
ками и вещателями в Европе и США этому документу был придан ста-
тус базовой Рекомендации для дальнейшей конвергенции с другими раз-
рабатываемыми системами. В октябре 1999 г. на основе этой
Рекомендации был выработан предварительный проект новой Рекомен-
дации, учитывающей, что в мире существуют четыре схожие по архи-
тектуре системы: DVB-S (Система A), DSS (Система В ), GI-MPEG 2
(Система С), ISDB-S (Система D) [8].
Проект новой Рекомендации определяет принципы построения уни-
версального приемника, который может принимать сигналы, переда-
ваемые в различных регионах мира. Практическое внедрение спутни-
кового МПТВ рекомендуется осуществлять на основе одной системы
или путем сочетания Систем А, В, Cf D.
Система A (DVB-S) разработана европейским консорциумом Проект
DVB и предназначена для доставки служб многопрограммного ТВ ве-
щания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовеща-
тельной спутниковых служб с их непосредственным приемом на до-
машние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники,
подключенные к системам со спутниковыми коллективными ТВ антен-
нами SMATV (Satellite Master Antenna TV), и кабельного ТВ (КТВ) при
первичном и вторичном распределениях программ ТВ вещания [1].
Система В (DSS) разработана в 1994 г. и была первой в США систе-
мой непосредственного спутникового вещания. В 1996 г. система была
внедрена в ряде других стран Района 2. Она предназначена для спутни-
ков в диапазоне рабочих частот 11 12 ГГц. Полоса пропускания рет-
рансляторов 24 МГц.
Система С (GI-MPEG-2) является цифровой системой непосредствен-
ного спутникового вещания, получившей широкое распространение в
США. В ней применено мультиплексирование цифровых сигналов ТВ
и радиовещания с использованием формата TDM. Функции Системы С
включают управление доступом к информации, предоставление плат-
ных услуг по заказу и услуг по передаче данных. Предусмотрены под-
системы, упрощающие навигацию пользователей в ТВ и звуковых про-
384 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
граммах. В США формально существует свой стандарт на цифровое
спутниковое ТВ вещание, но по сути он вводит в действие нормы евро-
пейских спутниковых стандартов DVB-S и DVB-DSNG [9].
Спутниковая система с интеграцией служб ISDB-S, оптимизирован-
ная для вещания служб мультимедиа с применением статистического
мультиплексирования, разработана японской корпорацией NHK и в
настоящее время проходит полевые испытания [10].
По своей структуре и параметрам системы цифрового спутникового
ТВ вещания различаются в меньшей степени, нежели известные систе-
мы наземного вещания. Практически в настоящее время цифровое спут-
никовое ТВ вещание на все пять континентов осуществляется по стан-
дарту DVB-S. Спутниковый вариант системдя DVB-S фактически
занимает доминирующее положение при организации спутникового ве-
щания на все страны и континенты.
13.2. Основные функциональные требования к цифровым
спутниковым системам многопрограммного ТВ вещания
Исследования в области сжатия кодированных потоков видеодан-
ных привели к разработке эффективных методов, позволяющих пере-
давать несколько программ цифрового телевидения стандартного или
повышенного качества по радиоканалам наземного или спутникового
вещания. Применение методов цифровой модуляции, обеспечивающих
хорошую защиту от воздействия интерференционных помех, позволя-
ет снизить требования к мощности спутника и/или уменьшить габари-
ты и массу приемной антенны. Использование технологии цифрового
кодирования и сжатия сигналов изображения и звука позволяет увели-
чить число программ, передаваемых через спутниковый транспондер,
и допускает возможность выделения узкополосного канала.
Существуют два основных способа цифровой передачи сигналов мно-
гопрограммного телевидения (МПТВ):
передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих;
мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их пере-
дача на одной несущей.
Число программ ТВ вещания, которое можно передавать с помощью
одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости пе-
редачи информации, компонентного или композитного формата коди-
рования для источника сигнала, качества и разрешающей способности
исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым
видам изображений и требуемого качества восстановленного изображе-
ния.
Например, каждый канал, выделенный W ARC-77, мог обеспечивать
полезную скорость данных 60 Мбит/с с применением модуляции типа
ТСМ-8 PSK (R=2/3). Модуляция типа ТСМ-8 PSK (8-фазовая сигналь-
но-кодовая конструкция) обеспечивает защиту от интерференционных
13.2. Основные функциональные требования к цифровым спутниковым системам...
385
помех в данном и соседних каналах, регламентированных частотным
планом WARC-77 для аналоговых систем. Скорость данных 60 Мбит/с
достаточна для того, чтобы передать одну или две программы HDTV (с
многоканальным звуковым сопровождением в каждой из них) со ско-
ростью 30-45 Мбит/с на программу или до пяти программ широко-
форматных систем телевидения повышенного качества (Enhanced
Definition Television, EDTV) co скоростью 11 Мбит/с на программу, 11
программ стандартного телевидения со скоростью 5,5 Мбит/с на про-
грамму [И] или 15 программ качества VHS со скоростью 4 Мбит/с.
Достижения в области сжатия данных позволят в перспективе орга-
низовать большое количество цифровых высококачественных ТВ ка-
налов с относительно низкими скоростями битов (менее 1 Мбит/с).
Для отдельных применений, например, в дистанционном образова-
нии и обучении, для доступа к сети Интернет могут применяться скоро-
сти около 400 кбит/с и менее (в зависимости от степени сжатия данных).
В действующих системах спутникового вещания применяют транс-
пондеры с полосой частот 24-27 МГц (в зависимости от Региона) с
пропускной способностью сжатых цифровых сигналов ТВ программ
24-27 Мбит/с. Использование существующих методов модуляции и пря-
мого исправления ошибок при условии улучшения параметров сжатия
цифровых сигналов позволяет организовать в стандартной полосе час-
тот транспондера не менее 60 ТВ каналов 400 кбит/с или 20-25 высо-
кокачественных каналов 1 Мбит/с [3].
Для того, чтобы дать представление о современном состоянии дел в
области технологии сжатия, приведем следующие примеры диапазонов
скоростей данных для одной ТВ программы, обеспечивающих стандар-
тное качество ТВ изображения:
кинофильм......................................2,5-4 Мбит/с
учебный материал...............................2,0-4 Мбит/с
основной материал................................3-7 Мбит/с
спортивная программа....................................5-11 Мбит/с
звуковое сопровождение (два стереоканала).............64-256 кбит/с
Число программ, передаваемых с помощью одного транспондера,
можно варьировать путем перераспределения общей скорости переда-
чи между составляющими изображения и звука. Часть емкости транс-
пондера должна быть зарезервирована для каналов передачи данных
управления бытовой аппаратурой и ограничения доступа к информа-
ции.
Работы по сопряжению различных систем спутникового вещания
получили дальнейшее развитие в плане создания новой Рекомендации
сопряжения цифровых стандартов спутникового МПТВ и наземного
ТВ вещания, а также решения проблемы согласования цифровых сис-
тем МПТВ с различными средствами доставки сообщений по трактам
кабельного, спутникового и наземного ТВ вещания. При этом имелось
ввиду, что гармонизация различных технических средств МПТВ будет
основываться на:
386 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
общих методах кодирования сигналов изображения и звукового
сопровождения;
мультиплексировании основных и дополнительных данных;
унификации цифрового транспортного потока в соответствии со
стандартом MPEG-2.
Применительно к задачам создания интерактивной инфраструктуры
мультимедиа и других информационных служб было признано целесо-
образным чтобы спутниковые ТВ приемники имели структуру двунап-
равленных устройств с маломощными передатчиками для узкополос-
ных обратных цифровых каналов, используемых при интерактивном
диалоге телезрителей с провайдерами соответствующих служб. Такие
передатчики, входящие в состав каждого приемника спутникового
МПТВ, должны обеспечивать интерактивный режим, определяемый
данной системой спутникового ТВ вещания.
Максимальная общность цифровых систем спутникового МПТВ с
другими средствами доставки информации гарантирует возможность их
сопряжения на уровне важнейших субсистем. В то же время имеющиеся
различия систем связаны со стремлением оптимизации их параметров
применительно к условиям передачи, учитывающим национальные осо-
бенности построения сети вещания. Наиболее распространенными сред-
ствами доставки сигналов МПТВ являются спутниковые, кабельные и
наземные системы, системы со спутниковыми коллективными антен-
нами (SMATV) и многоточечные распределительные системы (MMDS,
LMDS и MVDS).
В Рекомендации МСЭ-Р ВО. 1211 отмечено, что при продвижении к
общемировому стандарту спутниковых систем МПТВ желательно учи-
тывать структуру цикла и методы кодирования для канала и модуля-
ции, имеющиеся в системе DVB-S [2]. В МСЭ-Т приняты новые Реко-
мендации J.83 и J.84 по распределению программ МПТВ с помощью
кабельных систем DVB-С и систем SMATV [12, 13].
Предполагается, что все системы будут иметь идентичные парамет-
ры кодирования источников изображения и звука и характеристики
транспортного мультиплексирования, гарантирующие максимальную
гибкость при взаимном соединении различных технических средств.
Базой может служить структура мультиплексора транспортного циф-
рового потока по стандарту MPEG-2 с пакетами данных фиксирован-
ной длины 188 байт. Этот поток содержит ряд элементов служебной
информации и может эффективно использоваться в большинстве раз-
работанных транспортных систем. Общими могут быть и методы
формирования циклов, синхронизации, рандомизации данных с одина-
ковой глубиной перемежения, а также параметры внешнего кодирова-
ния. В то же время допускается изменять длину кодового ограничения
при внутреннем сверточном или решетчатом кодировании данных.
Формы АЧХ формирующих и выравнивающих фильтров в каждой из
систем распределения ТВ программ могут выбираться индивидуально
с целью оптимальной адаптации к характеристикам каналов.
13.3. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания DVB-S
387
В результате исследований было установлено, что многочастотная
модуляция OFDM, применяемая в цифровых системах наземного ТВ
вещания, не обеспечивает оптимального использования мощности спут-
никового оборудования. Данный вид модуляции требует большей мощ-
ности в транспондере и чувствителен к нелинейным искажениям борто-
вого усилителя на ЛБВ. Поэтому в качестве основного метода модуляции
во всех спутниковых системах применяется модуляция QPSK [14].
Следует отметить, что вывод относительно OFDM — предваритель-
ный и сделан лишь для систем с фиксированным приемом и направ-
ленными антеннами, где не предполагаются многолучевость распрост-
ранения радиоволн и селективные фединги. В случае приема на
портативные или подвижные ТВ приемники преимущества модуляции
OFDM по защищенности от селективных федингов могут скомпенсиро-
вать такие недостатки, как повышенные требования к мощности и не-
линейности усилителя на ЛБВ. Таким образом, этот вопрос требует
дальнейшего изучения.
Поскольку известные спутниковые системы МПТВ выполняют одни
и те же функции и имеют близкие архитектуру и параметры, рассмот-
рим принципы их построения на примере наиболее широко распрост-
раненной Системы A (DVB-S) [1, 2] и новой Системы D с интеграцией
служб ISDB-S [10].
13.3. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ
вещания DVB-S
Система A (DVB-S) предназначена для первичного и вторичного рас-
пределений программ цифрового ТВ вещания по спутниковым кана-
лам с различной шириной полосы транспондера. Оператор может вы-
бирать скорость передачи символов данных с целью оптимизации
использования полосы частот спутникового ретранслятора. Передача
сигналов отдельных составляющих программ ТВ вещания осуществ-
ляется на одной цифровой несущей с временным разделением каналов.
Хотя система DVB-S оптимизирована для режима "одна несущая на
транспондер", допускается ее применение в режиме с несколькими час-
тотно разделенными несущими.
Передача цифровых сигналов МПТВ осуществляется в полосах час-
тот как фиксированных, так и вещательных спутниковых служб. По-
лоса частот канала определяется транспондером используемого ИСЗ и
требуемой скоростью данных.
Система DVB-S полностью совместима с форматом транспортного
пакетирования данных, соответствующего стандартам MPEG-2 [1].
Цифровой кадр системы DVB-S синхронен с мультиплексированными
транспортными пакетами MPEG-2.
Система DVB-S представляет собой функциональный блок, обеспе-
чивающий сопряжение цифрового сигнала программы ТВ вещания на
выходе транспортного мультиплексора MPEG-2 с характеристиками
спутникового канала. Структурная схема передающей части системы
388 1з. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
Рис. 13.1. Структурная схема передающей части системы DVB-S
DVB-S показана на рис. 13.1. На передаче выполняются следующие
преобразования потока данных для его адаптации к каналу:
транспортное мультиплексирование и рандомизация для диспер-
сии энергии;
внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона;
сверточное перемежение;
внутреннее кодирование с использованием выколотого сверточ-
ного кода;
формирование сигнала в основной полосе частот;
модуляция.
Для спутниковых систем ТВ вещания характерны ограниченная мощ-
ность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувстви-
тельность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совмес-
тное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой
модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укоро-
ченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодиро-
вания Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустой-
чивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных
помех, а также нелинейности бортового ретранслятора. Для внутрен-
него кодека имеется возможность выбора одного из пяти дискретных
значений кодовой скорости в диапазоне 1/2-7/8 для получения наибо-
лее выгодного соотношения между эффективностью использования спек-
тра и мощностью излучения. В системе применяются формирующие
13 3 Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания DVB-S
389
фильтры с характеристикой типа "приподнятый косинус" и когерент-
ное детектирование принимаемого сигнала.
Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению оши-
бок высокое качество приема достигается даже в экстремальных усло-
виях, когда уровень принимаемого сигнала близок к значениям, соот-
ветствующим пороговым значениям отношений несущая/шум и
несущая/интерференционная помеха. При этом гарантируется не бо-
лее одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около
1010-10-11 на входе демультиплексора MPEG-2 в приемнике-декодере.
Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетически-
ми характеристиками конкретного транспондера устанавливается тре-
буемое соотношение BW Rs, где BW — полоса транспондера по уров-
ню -3 дБ, Rs — скорость передаваемых символов. При модуляции
QPSK, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204 со-
ответствующая скорость передачи информационных символов
Rv = R (2Rs)(188/204) = RRs(188/102).
Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5
значений кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответ-
ственно изменяет полезную скорость символов R 7 и спектральную эф-
фективность системы С ; = R BW. Возможные варианты соотноше-
ния скоростей передачи R, Rs, R и эффективности С от полосы
транспондера при BW/RS = 1,28 при модуляции QPSK приведены в
табл. 13.1.
Таблица 13.1. Параметры передачи в полосе транспондера
BW, МГц Rs. Мсим/с Я = 1/2 Я = 2/3 Я = 3/4 Я = 5/6 Я = 7/8
Мбит/с си, бит/(сГц) Мбит/с битДсГц) Мбит/с битДсГц) Мбит/с си, битДсГц) Мбит/с си, бит/(с Г ц)
54 42,2 38,9 0,72 51,8 0,96 58 3 1,08 64,8 1,20 68,0 1,26
46 35,9 33,1 0,72 44,2 0,96 49,7 1,08 55,2 1,20 58,0 1,26
40 31,2 28,8 0,72 38,4 0,96 43 2 1,08 48,0 1,20 50,4 1,26
36 28,1 25,9 0,72 34,6 0,96 38,9 1,08 43,2 1,20 45,4 1,26
33 25,8 23,8 0,72 31,7 0,96 35,6 1,08 39,6 1,20 41 6 1,26
30 23,4 21,6 0,72 28,8 0,96 32,4 1,08 36,0 1,20 37,8 1,26
27 21,1 19,4 0,72 25,9 0,96 29 2 1,08 32,4 1,20 34,0 1,26
26 20,3 18,7 0,72 25,0 0,96 28,1 1,08 31,2 1,20 32 8 1,26
Структурная схема блоков адаптации к каналу системы DVB-S на
передающей и приемной сторонах показана на рис. 13.2. При передаче
транспортный поток данных и его такты поступают в систему через
физический интерфейс. Тактовая частота из интерфейса и внешний сиг-
нал управления кодовой скоростью используются для генерации всех
необходимых тактовых и синхронизирующих частот. Подача такто-
вых сигналов и синхронизация передатчика производятся с использо-
ванием соответствующих управляемых генераторов.
С выхода интерфейса транспортные пакеты проходят через устрой-
ство формирования синхробайта цикла (для этого по стандарту MPEG-2
390 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
Передающая часть системы DVB-S
Рис. 13.2. Структурная схема системы DVB-S
производится инверсия синхробайта каждого восьмого транспортного
пакета) и далее обрабатываются в рандомизаторе (аддитивном 15-раз-
рядном скремблере), осуществляющем дисперсию энергии.
Рандомизированные пакеты данных кодируются во внешнем RS-ко-
дере, подвергаются внешнему сверточному перемежению и поступают
в блок внутреннего кодирования и модуляции. Структурная схема уст-
ройства для сверточного перемежения-деперемежения (глубина пере-
межения I = 12) аналогична схеме в системе DVB-Т, показанной на
рис. 12.3. Структурные схемы и параметры рандомизатора, внешнего
RS-кодера и внутреннего сверточного кодера также идентичны тако-
вым в системе DVB-T.
Структурная схема блока внутреннего кодирования и модуляции
показана на рис. 13.3, а после кодирования во внутреннем сверточном
кодере с базовой кодовой скоростью R = 1/2 пакеты данных поступают
в перфоратор, где при необходимости увеличения скорости кода произ-
водится выкалывание избыточных проверочных символов. Внутрен-
ний перемежитель отсутствует, так как статистические свойства оши-
бок канала не требуют его применения. Далее осуществляются
13.3. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания DVB-S
391
. 13.3. Структурная схема подсистемы кодирования и модуляции в системе
DVB-S (а) и сигнальное созвездие QPSK (б).
формирование спектра сигнала в основной полосе частот и его подача
на QPSK-модулятор и конечный интерфейс по промежуточной частоте
70/140 МГц, обеспечивающий сопряжение с высокочастотной переда-
ющей аппаратурой земной станции спутникового радиоканала.
На рис. 13.3,6 показано сигнальное созвездие модулированного сиг-
нала QPSK. Для отображения точек сигнального созвездия использует-
ся обычный код Грея без относительного перекодирования исходных
дибитов. На входе модулятора в квадратурных каналах установлены
формирующие фильтры с характеристикой корень квадратный из АЧХ
типа приподнятый косинус с коэффициентом скругления а = 0,35:
Н(/) = 1, /<4(1-а),
2
— 4—SIH
2 2
2/
(13.1)
а
Формы спектра сигнала и характеристики группового времени за-
паздывания (ГВЗ) фильтра модулятора системы DVB-S в основной по-
лосе частот показаны на рис. 13.4 и рис. 13.5 соответственно. Эти ха-
392 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
Рис. 13.4. Спектр сигнала фильтра модулятора для системы DVB-S
Групповое время запаздывания х fN
f/fN
Рис. 13.5. Шаблон характеристики ГВЗ фильтра модулятора для системы DVB-S
рактеристики отвечают реакции фильтра на последовательность иде-
альных дельта-импульсов с периодом повторения Т = 1/R =l/2fN , где
R — скорость передачи символов, fN — тактовая частота. В случае
входного сигнала с прямоугольной формой импульсов требуется до-
полнительная коррекция импульсов в звене с характеристикой типа
x/sinx.
Параметры сверточного выколотого кода для системы DVB-S (на
основе базового кода 1/2) приведены в табл. 13.2.
13.4. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания ISDB-S
393
Таблица 13.2. Параметры выколотого кода в системе DVB-S
Исходный код Параметры при кодовой скорости
1/2 2/3 3/4 5/6 7/8
К G1(X) G2(Y) /,о Чее /,о 4ее l,Q 4ее l,Q df free l,Q 4ee
7 171 oct 133 oct Х=1 У=1 1=Х Q=Y1 10 Х= 10 У= 11 /=Х1 Y2Y О/1X3/4 6 Х=101 Y= 110 /=Х1У2 О=/1ХЗ 5 Х= 10101 Y= 11010 /=Х1У2/4 Q=/1X3X5 4 X= 1000101 /=1111010 /=X1Y2/4YB Q=/1/3X5X7 3
Примечания:
1 = бит передается;
О = бит не передается;
dfree — свободное расстояние кода;
oct — восьмеричное число;
К — длина кодового ограничения;
G1 ,G2 — генераторные полиномы.
Цифровой поток на входе системы DVB-S представляется в виде па-
кетов данных фиксированной длины 188 байт, поступающих из транс-
портного мультиплексора стандарта MPEG-2. Каждый пакет содержит
один байт синхрослова (шестнадцатеричное число 47). Обработка дан-
ных на передающей стороне начинается всегда после старшего знача-
щего бита байта синхрослова 01000111, т. е. после 0.
13.4. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ
вещания ISDB-S
13.4.1. Назначение и основные характеристики системы ISDB-S
Система ISDB-S является вариантом спутниковой системы цифрово-
го ТВ вещания с интеграцией служб. Она изначально разрабатывалась
как средство доставки нескольких различных программ мультимедиа,
содержащих видеоизображения от пониженного качества до ТВЧ, зву-
ковые сигналы, текст, графику, данные. Поскольку система рассчита-
на на передачу данных различных служб с различным качеством, то в
ней наиболее отчетливо выражены технические средства адаптации к
разнообразным условиям и возможностям вещания. Она содержит
широкий набор схем модуляции и помехоустойчивого кодирования,
которые могут гибко выбираться и комбинироваться. Это особенно важ-
но для спутниковых систем непосредственного ТВ вещания в диапазоне
11-12 ГГц, которые охватывают значительные географические зоны с
изменяющимися климатическими условиями, в частности, зоны с вы-
соким затуханием сигнала из-за дождя.
394 1з. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
В системе ISDB-S предусматриваются возможности:
передачи по одному транспондеру двух цифровых сигналов про-
грамм ТВЧ и различных потоков с интеграцией служб;
применения стандартного внешнего оборудования и спутниковых
приемных антенн, например, диаметром 45 см;
выбора различных методов модуляции сигналов с учетом требо-
ваний пользователей к службам (высокая эффективность исполь-
зования частотного спектра или высокая готовность службы —
более высокая по сравнению с существующими аналоговыми си-
стемами);
передачи на одной несущей радиосигналов нескольких независи-
мых друг от друга транспортных потоков данных MPEG-2 с раз-
личными методами модуляции;
расширения ресурсов системы.
Основные характеристики системы ISDB-S приведены в табл. 13.3 [10].
Таблица 13.3. Основные характеристики системы ISDB-S
Характеристика Значение или обозначение
Число входных транспортных потоков MPEG-2 от 1 до 8
Скорость передачи полезных данных до 54,4 Мбит/с
Максимальная скорость передачи символов 30,1 Мсимв/с
Максимально необходимая полоса транспондера (-3 дБ) 36 МГц
Коэффициент скругления косинусквадратичного среза спектра 0,35
Схема модуляции TC8PSK/QPSK/BPSK
Внешний код Рида-Соломона RS(204,188, t =8)
Генераторный полином скремблера 1+XI4+X'5
Глубина перемежения 8 кадров
Внутреннее кодирование сверточное (решетчатое в режиме 8PSK: ТСМ2/3)
Скорости внутреннего кода 1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8
Характеристики показывают, что по основным параметрам тракта
адаптации (внешний и внутренний кодеры, рандомизатор, модуляция
QPSK) система совместима с системой DVB-S. Поскольку одной из ос-
новных функций Системы D (ISDB-S) является МПТВ, т. е. передача
нескольких сигналов программ ТВ вещания в одном канале, ее можно
считать дополнением используемых в мире систем МПТВ DVB-S (Сис-
тема A), DSS (Система В) и GI-MPEG 2 (Система С), включенных в
Рекомендации МСЭ-Р ВО. 1211 [2] и ВО. 1294 [7]. Отметим, что декодер
13.4. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания ISDB-S
395
Системы D может быть совместим с форматами передачи в Системах
А, В, и С.
13.4.2. Принципы построения и особенности системы ISDB-S
Структурная схема системы ISDB-S, отражающая ее основные осо-
бенности, показана на рис. 13.6. Для того чтобы обеспечить надежный
легкоосуществимый прием при различных сочетаниях схем модуля-
ции и помехоустойчивого кодирования в системе формируются и пере-
даются три группы сигналов:
основной сигнал, содержащий несколько транспортных потоков
MPEG-2, переносящих содержание программ;
сигналы управления конфигурацией передачи и мультиплекси-
рования (ТМСС), которые информируют приемник об используе-
мой схеме модуляции, кодовых скоростях, идентификации транс-
портных потоков и т.д.;
сигнал вспышки, служащий для стабильного восстановления не-
сущей в приемнике при любых условиях приема, в частности
при низких отношениях несущая/шум.
На вход системы ISDB-S (внешний кодер RS(204, 188)) с выходов
транспортных мультиплексоров MPEG-2 могут поступать до 8 транс-
портных потоков. После объединения в единый поток битов и внешне-
го кодирования они поступают на формирователь кадров, после кото-
рого следуют обычные блоки обработки сигнала в тракте адаптации:
рандомизатор, осуществляющий дисперсию энергии цифрового сигна-
ла, внешний перемежитель и внутренний кодер. На входе внутреннего
кодера производится временное объединение основного потока битов и
потока битов с выхода тракта обработки сигнала конфигурации ТМСС.
Число каналов данных управления ТМСС соответствует числу транс-
портных потоков, схемы передачи которых они описывают, т.е. макси-
Транспортные I
потоки MPEG
No. А
No В
Данные
управления!
No А —
No. В “
Кодер
данных
ТМСС
Тракт основного сигнала
Внешний
кодер —
RS(204,188)
Формиро-
ватель
кадра
Рандоми-
затор
Пере-
межитель
Тракт сигнала ТМСС
Внешний
кодер
Рандоми-
затор
►I i iepe- ।
|межитель!
___X____
Мульти-
плексор
Внутренний
► сверточный
кодер
Формирователь
__________вспышки
Рандоми---
затор
Ввод
вспышки
► Модулятор
Рис. 13.6. Структурная схема передающей части системы ISDB-S
396 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
мально равно восьми. Сигнал ТМСС передается с применением наибо-
лее помехоустойчивых внешнего кода канала и метода модуляции, пре-
дусмотренных в системе. Поэтому он обрабатывается в отдельном трак-
те, содержащем кодер данных ТМСС, внешний кодер, рандомизатор и
внешний перемежитель.
После кодирования двух мультиплексированных потоков данных во
внутреннем кодере они объединяются с сигналом вспышки и поступа-
ют на модулятор. Сигнал вспышки должен обеспечивать хорошую дис-
персию энергии в полосе канала, поэтому он формируется путем моду-
ляции собственно вспышки псевдослучайной последовательностью,
вырабатываемой отдельным рандомизатором. Сигнал вспышки может
переносить некоторую информацию, если его модулировать сигналом
данных, а не ПСП. Но в этом случае потребуется отдельный канал
помехоустойчивого кодирования. Таким образом, модулятор получает
групповой сигнал, являющийся результатом временного мультиплек-
сирования сигналов трех трактов системы.
Для передачи основного информационного сигнала применяются сле-
дующие альтернативные комбинации вида модуляции и скорости внут-
реннего сверточного кода (схемы модуляции):
решетчатая сигнально-кодовая конструкция (TC8PSK), включа-
ющая 8-позиционную фазовую модуляцию 8PSK в сочетании со
сверточным кодом при скорости В=2/3;
4-позиционная квадратурная фазовая модуляция QPSK в сочета- '
нии с одной из следующих скоростей сверточного кода #=1/2, 2/3,
3/4, 5/6 и 7/8;
двоичная фазовая модуляция BPSK при скорости сверточного
кода #=1/2.
Сигнальные созвездия используемых схем модуляции несущей пока-
заны на рис. 13.7. Для формирования спектра с коэффициентом скруг-
ления 0,35 используются согласованные фильтры, характеристики ко-
торых идентичны фильтрам в системе DVB-S [см. ф-лу (13.1)].
Схема модуляции несущей TC8PSK обеспечивает наиболее высокую
эффективность использования частотного спектра спутникового кана-
ла. Параметры системы ISDB-S, характеризующие ее спектральную
эффективность и помехоустойчивость при разных схемах модуляции,
приведены в табл. 13.4 [8].
Скорости передачи полезной нагрузки в зависимости от схемы моду-
ляции для каналов с различной полосой приведены в табл. 13.5 [10].
13.4. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания ISDB-S
397
В)
Рис. 13.7. Сигнальные созвездия схем модуляции в системе ISDB-S:
а - 8PSK; б - QPSK; в - BPSK
Таблица 13.4. Спектральная эффективность и помехоустойчивость системы
ISDB-S
Вид модуляции Скорость сверточного кода Спектральная эффективность, бит/(с Гц) Отношение С/N при квазибезошибочном приеме, дБ
BPSK 1/2 0,35 1,0
QPSK 1/2 0,7 4,1
2/3 0,94 6,0
3/4 1,06 7,2
5/6 1,18 8,3
7/8 1,24 9,2
TC8PSK 2/3 1,4 10,7
398 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
Таблица 13.5. Скорости передачи полезной нагрузки
Полоса, МГц Скорость передачи символов, Мсимв/с Скорость передачи битов полезной нагрузки транспортного потока MPEG-2, Мбит/с, для схем модуляции
BPSK (Я=1/2) QPSK (Я=1/2) QPSK (Я=2/3) QPSK (Н=3/4) QPSK (Я=5/6) QPSK (Я=7/8) TC8PSK (Я=2/3)
36 30,1 13,6 27,2 36,3 40,8 45,4 47,6 54,4
34,5 28,9 13,0 26,1 34,8 39,1 43,5 45,6 52,2
33 27,6 12,5 25,0 33,3 37,4 41,6 43,7 49,9
30 25,1 11,6 23,1 30,1 34,7 38,5 40,5 46,3
27 22,6 10,2 20,4 27,2 30,6 34,0 35,7 40,8
24 20,1 9,1 18,1 24,2 27 2 30,2 31,8 36,3
13.4.3. Структура кадров данных в системе ISDB-S
Чтобы поддерживать одновременную передачу нескольких транспор-
тных потоков с различными схемами модуляции, основной сигнал
структурирован в транспортные кадры данных. Для этого защищен-
ные внешним RS-кодом транспортные пакеты длиной 204 байта при-
писываются к так называемым слотам в кадре данных (рис. 13.8).
Каждый слот — это некоторая область (сегмент) в общей структуре
кадра данных, индицирующая абсолютное положение пакета длиной
Транспортные потоки MPEG-2
188 байт
204 байта
Слот № 1
Слот № 2
Слот № 3
204 байта
Слот № 4
В
Слот № N-1
Слот № N
Кадр данных
A+RS
B+RS
16 байт
Слот № Р
Слот № Р+1
Рис. 13.8. Структура кадра данных в системе ISDB-S
13 4 Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания ISDB-S
399
204 байта и используемая для обозначения схемы модуляции и иденти-
фикации транспортного потока MPEG-2. Размер слота (число байтов в
слоте) равен 204 байтам, что обеспечивает однозначное соответствие
между слотами и защищенными пакетами. Всего в кадр данных вхо-
дит N слотов. Для облегчения процесса перемежения данных кадры
структурируются в суперкадры. Каждый суперкадр состоит из М кад-
ров, где М — глубина перемежения (рис. 13.9).
Поскольку спектральная эффективность (число передаваемых битов
на один символ канала) изменяется соответственно выбранной комби-
нации вида модуляции и скорости внутреннего кода, то от этой комби-
нации зависит число пакетов, которые могут быть переданы. Так как
число символов, поступающих на модулятор при выбранной схеме мо-
дуляции должно быть целым, то соотношение между числом передава-
емых пакетов и числом модулирующих символов определяется выра-
жением
г 8хВхРк
’ (13.2)
где k — номер комбинации вида модуляции и скорости внутреннего
кода (схемы модуляции);
Ik — целое число переданных символов;
Pk — целое число переданных пакетов;
Ek — спектральная эффективность;
В = 204 (число байтов в пакете).
400 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
Число символов в кадре данных (Zn), которое может быть передано
при используемых схемах модуляции, является суммой всех частных
значений I,, т.е.
k7
к
(13.3)
Число пакетов, передаваемых в течение длительности кадра, дости-
гает максимума, если все пакеты передаются с использованием схемы
модуляции, имеющей наивысшую спектральную эффективность (£ма ).
При этом число слотов N, обеспечиваемых системой, может быть най-
дено подстановкой ID и Емакс в (13.2) вместо Ik и Ek соответственно:
х Емакс
8В
(13.4)
При использовании модуляционно-кодовой комбинации, не облада-
ющей наибольшей спектральной эффективностью, число передаваемых
пакетов становится меньше числа слотов, обеспечиваемых системой. В
этом случае для поддержки постоянного размера кадра данных некото-
рые из слотов должны быть заполнены фиктивными данными. Такие
слоты называются холостыми, и их число в кадре определяется выра-
жением
sl} = N-^pk.
к
(13.5)
В случае одновременного использования нескольких схем модуля-
ции часть слотов в кадре отражает применение определенной схемы
модуляции, в то время как остальные слоты предназначены для дру-
гих комбинаций кодирования и модуляции.
Слоты данных располагают в пределах кадра в соответствии с ис-
пользуемыми для их передачи схемами модуляции в порядке убыва-
ния спектральной эффективности, т.е. слоты с наименьшими порядко-
выми номерами служат для передачи пакетов по схеме с наибольшей
эффективностью. Такой порядок схем модуляции обеспечивает при при-
еме с низкими значениями отношения несущая/ шум минимальный ко-
эффициент ошибок по битам на выходе декодера сверточного кода.
На рис. 13.10 показаны примеры присваивания слотов в системе с
разными схемами модуляции и относительными кодовыми скоростями
(R) при внутреннем кодировании канала.
Данные, передаваемые по схеме модуляции с наибольшей спектраль-
ной эффективностью TC8PSK (R=2/3), занимают слоты части кадра. В
случае совместного применения модуляции типа QPSK (Р=1/2), спект-
ральная эффективность которой вдвое ниже, после относящегося к ней
слота вводится холостой слот (см. рис. 13.10, а). Спектральная эффек-
тивность схемы модуляции BPSK (Д=1/2) составляет четверть от мак-
13.4. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания ISDB-S
401
Слот №1 TC8PSK №1 TC8PSK №1 TC8PSK
Слот № N -1 TC8PSK TC8PSK TC8PSK
• • • • • TC8PSK • • TC8PSK • • TC8PSK
• • № N -3 BPSK(R = 1/2) № А/ -3 QPSK(/? = 3/4)
• • № N -2 Холостой слот № N -2 QPSK(/? = 3/4)
QPSK(R = 1/2) № N -1 Холостой слот № N -1 QPSK(/? = 3/4)
Слот № N Холостой слот № N Холостой слот № N Холостой слот
TC8PSK + QPSK(K =1/2)
TC8PSK + BPSK(K =1/2) TC8PSK + QPSK(K =3/4)
а)
б)
в)
Рис. 13.10. Примеры присваивания слотов в системе ISDB-S
симальной, что требует ввода трех холостых слотов к одному рабочему
(см. рис. 13.10, б). Спектральная эффективность схемы модуляции QPSK
(В=3/4) составляет три четверти от максимальной, что требует ввода
одного холостого слота на три рабочих слота (см. рис. 13.10, в).
Основные параметры кадра данных для системы с модуляцией
TC8PSK приведены в табл. 13.6 [10].
Таким образом, при использовании модуляции TC8PSK каждые 48
пакетов транспортного потока, дополненные проверочными символа-
ми внешнего RS-кода и размещенные в соответствующих слотах, обра-
зуют кадр, а 8 кадров — суперкадр. Сформированные суперкадры под-
вергаются временному перемежению, но только в пределах тех слотов,
которые относятся к одной и той же схеме модуляции. Перемежение
захватывает байты всего слота за исключением первого (синхробайта
MPEG-2). Глубина перемежения равна размерности суперкадра, т.е. 8 в
рассматриваемом примере. При перемежении исходного суперкадра
байты считываются в межкадровом направлении в порядке А1,1, А2,1,
А3,1, ..., Ai,j, где i — номер кадра, j — номер слота. После перемеже-
ния байты располагаются в том же порядке, но последовательно (по
горизонтали) в слотах сначала одного, затем другого кадра и т.д.
После перемежения синхрослова транспортных пакетов MPEG-2,
занимающие первый байт пакета и имеющие значение 0x47, не переда-
ются, а все временные метки, необходимые для синхронизации слотов,
кадров и суперкадров передаются в составе управляющего сигнала
ТМСС. Синхрослова пакетов MPEG-2 восстанавливаются в приемнике
402 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
Таблица 13.6. Параметры системы с модуляцией TC8PSK
Параметр Обозначение Значение Примечание
Число слотов в кадре Л/ 48 —
Число кадров в супер- кадре м 8 —
Число байтов в слоте во время передачи в 203 Синхрослова MPEG-2 не передаются
Число символов в кадре данных /о 38936 Только для основного сигнала
Число символов в кадре — 39936 Включая сигнал ТМСС и вспышку
Число схем модуляции — 7 TC8PSK (Я=2/3) QPSK (R=1/2) QPSK (Я=2/3) QPSK (R=3/4) QPSK (R=5/6) QPSK (R=7/8) BPSK (Я=1/2)
Схема модуляции с наивысшей спектральной эффективностью ^макс 2 Бит/символ
Максимальное число одновременно используемых схем модуляции См 4 —
Максимальное число одновременно передаваемых транспортных потоков Тм 8 —
Внешнее кодирование для сигнала ТМСС — — RS (64, 48)
Перемежение для сигнала ТМСС — — He применяется
Другая информация, передаваемая в сигнале ТМСС — — Порядок замены 5 бит Флаг тревоги 1 бит Информация линии "вверх" 4 бита Резерв 62 бита
Общее число битов информации в сигнале ТМСС — 384 —
по сигналу ТМСС и используются при последующем декодировании
транспортного потока.
При передаче данные ТМСС должны предшествовать основному сиг-
налу, поскольку они содержат информацию, необходимую для его де-
модуляции и декодирования в приемнике. Минимально необходимый
интервал обновления информации ТМСС составляет длительность од-
ного суперкадра. Ввиду важности информации ТМСС она подвергается
кодированию для защиты от ошибок, причем с большим уровнем за-
13.5. Цифровые спутниковые системы сбора новостей и первичного распределения 403
щиты, нежели основной сигнал. Сигнал ТМСС имеет фиксированную
длину 384 бита (48 байт). После внешнего кодирования кодом RS(64,48)
его длина становится равной 64 байтам. Эта последовательность разби-
вается на М блоков (по числу кадров в суперкадре), и к каждому блоку
добавляются по два синхрослова длиной 2 байта. Синхрослово ГИ1
(1В95Ьрх) вводится перед началом каждого блока. Синхрослово W2 вво-
дится после блока, передаваемого в первом кадре, а синхрослово ГИЗ
в конце всех остальных блоков. Значение слова W3 (5CBFh ) является
инверсией слова W2 (A340hex). После формирования блоков сигнала
ТМСС они подвергаются рандомизации, но только в пределах самих
данных, исключая синхрослова. Перемежение блоков ТМСС не имеет
смысла, поскольку они имеют малую длину и полезный эффект будет
ограниченным. Но принципиально такая операция может при необхо-
димости быть введена в будущем.
Восстановление несущей в приемнике происходит только по сигналу
вспышки, который вводится через каждые 203 символа основного сиг-
нала, кодированного внутренним сверточным кодом. Длительность сиг-
нала вспышки равна 4 символам. Для исключения ложных захватов
схемы восстановления несущей в приемнике также дополнительно ис-
пользуется сигнал ТМСС. В результате структура полного передавае-
мого сигнала приобретает вид, показанный на рис. 13.11.
Основной сигнал, кодированный сверточным кодом
Сигнал ТМСС
Сигнал вспышки
Рис. 13.11. Временное объединение передаваемых сигнальных компонентов в
системе ISDB-S
13.5. Цифровые спутниковые системы сбора новостей и
первичного распределения
13.5.1. Особенности и назначение систем первичного распределения
Системы первичного распределения широко используются при про-
изводстве ТВ программ для обмена сюжетами и программами, для сбо-
ра на месте и передачи в студию оперативной информации, для подачи
готовых программ в системы их трансляции пользователям. Среди си-
стем первичного распределения выделяются передвижные спутнико-
вые системы передачи ТВ информации с мест событий, называемые
системами сбора новостей (Satellite News Gathering — SNG).
Репортажный сбор новостей с помощью спутниковых линий опреде-
ляется как временные и случайные непродолжительные передачи ви-
404 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
део- и аудиоинформации для целей вещания с использованием легко
носимых или перевозимых передающих земных станций, работающих
в рамках фиксированной спутниковой службы [15].
Цифровые спутниковые системы сбора новостей (DSNG) отличаются
использованием цифровых методов кодирования и передачи информа-
ции. Оборудование системы DSNG должно обеспечивать передачу сиг-
налов ТВ программ со звуковым сопровождением или звуковых про-
грамм по линии "вверх", и в качестве дополнительного сервиса может
включать двухсторонние каналы координации и передачи данных. Об-
служивающий персонал станции DSNG не должен превышать двух че-
ловек, а время ее развертывания должно быть достаточно малым (на-
пример, один час). Станция DSNG должна иметь возможность приема
собственного сигнала для его контроля и позиционирования передаю-
щей антенны.
Передвижные земные станции могут применяться для задач SNG
при условии их соответствия основным функциональным характерис-
тикам систем SNG. Станции SNG, использующие передачу звуковой
информации, могут эксплуатироваться также в рамках мобильной спут-
никовой службы [15].
Цифровые спутниковые системы сбора новостей и их первичного
распределения могут работать в режиме "точка-точка" или "точка-мно-
го точек", поддерживая связь между фиксированными или передвиж-
ными передающими репортажными станциями и приемными станция-
ми. Передаваемая в системах DSNG информация носит служебный
характер и не предназначена для широкой публикой [16].
В зависимости от задач первичного распределения мультиплексиро-
ванный транспортный поток системы DSNG может содержать одну или
несколько ТВ служб, их звуковое сопровождение, комментаторские и
звуковые каналы, независимые данные.
Передачи SNG отличаются от большей части других форм спутнико-
вых передач по целому ряду признаков. Например, в типичном случае
требования для передач SNG определяются только за несколько дней
или, возможно, часов до самой передачи. Обычно они сохраняют свое
действие не более чем в течение нескольких дней или максимум недели.
Тем не менее оператор SNG обязан следовать законодательству страны,
на территории которой он находится, и исполнять инструкции и мно-
жество процедур, гарантирующих надлежащее управление и защиту
космического сегмента и частотного спектра.
Исходя из сложностей эксплуатации и разнообразия применений
систем SNG, а также с целью облегчить международный обмен ново-
стями и оптимизировать разработку оборудования SNG, МСЭ-Р разра-
ботал единые базовые технические требования, которым должны удов-
летворять наземные станции систем DSNG [17]. В частности, цифровые
терминалы SNG должны иметь следующие основные характеристики
тракта адаптации:
когерентная фазовая модуляция QPSK (допускается использова-
ние других методов модуляции);
13.5. Цифровые спутниковые системы сбора новостей и первичного распределения
405
прямое исправление ошибок с помощью сверточного кодирования;
декодирование с мягким решением, например, алгоритм Витерби;
необязательное внешнее кодирование;
скремблирование данных для рассеивания энергии.
Поскольку система SNG — это прежде всего репортажная линия, то
с целью обеспечения адекватного качества информации, рекомендует-
ся использовать скорость передачи 34 Мбит/с [18]. При этом в тракте
желательно минимизировать число последовательных ступеней коди-
рования-декодирования. Вместе с тем использование более низких ско-
ростей битов (например, режим с основным профилем основного уров-
ня стандарта MPEG-2) позволит использовать небольшие терминалы,
работающие с низкой мощностью. Оборудование с переменными или
адаптивными скоростями передаваемых битов также может оптимизи-
ровать эксплуатационные режимы системы.
13.5.2. Структура и параметры тракта адаптации к каналу
В европейской системе DSNG предусмотрена максимально возмож-
ная совместимость с системой цифрового спутникового вещания DVB-S
[1]. Это относится к структуре и параметрам таких устройств, как транс-
портный мультиплексор, скремблер транспортного потока, каскадный
кодер для канала, содержащий внешний PC кодер, внешний сверточ-
ный перемежитель и внутренний сверточный кодер. Все форматы сиг-
нала с модуляцией 4-PSK (QPSK) и режимы передачи, удовлетворяю-
щие стандарту на систему DVB-S, поддерживаются системой DSNG и
другими спутниковыми системами первичного распределения. Но для
придания большей универсальности применения и повышения эффек-
тивности при работе по каналам с достаточным энергетическим запа-
сом в технические нормы на системы первичного распределения добав-
лены опции режимов передачи, основанные на модуляции типа 8-PSK
и 16-QAM [16].
Сочетание трех видов модуляции с пятью кодовыми скоростями внут-
реннего кодера позволяет получать разнообразные режимы передачи,
наилучшим образом удовлетворяющие специфическим особенностям
конкретного спутникового канала. Для работы по каналам с ограниче-
нием мощности (режим насыщения бортового ретранслятора) при кон-
фигурации "одна несущая на транспондер" наиболее подходят виды
модуляции с небольшими изменениями огибающей — QPSK и 8-PSK.
При работе по каналам с квазилинейной амплитудной характеристи-
кой при конфигурации частотного разделения нескольких несущих
можно применять все режимы передачи, включая 16-QAM.
При использовании в спутниковых системах первичного распределе-
ния схем модуляции с высокой спектральной эффективностью 8-PSK и
16-QAM следует учитывать, что:
они требуют более высоких значений эквивалентной изотропной
излучаемой мощности и/или приемных антенн с большим диа-
406 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
метром, поскольку обладают повышенной чувствительностью к
шумам и помехам;
они более чувствительны к линейным и нелинейным искажени-
ям, и, в частности, 16-QAM не может использоваться для транс-
пондеров, работающих в режиме, близком к насыщению;
они более чувствительны к фазовому шуму, особенно при низких
скоростях символов, и соответственно требуют более высокока-
чественных преобразователей частоты;
совместные схемы модуляции-кодирования чувствительны к пе-
рескокам фазы, что требует соответственно доработанных узлов
восстановления несущей в демодуляторах.
Структурная схема передающей части системы DSNG показана на
рис. 13.12.
Рис. 13.12. Структурная схема передающей части системы DSNG
Как видно, она очень близка к структурной схеме системы DVB-S.
Основное отличие связано с вводом в подсистему адаптации к каналу
маппера битов, необходимого для отображения точек сигнального со-
звездия в соответствии с выбранной совместной схемой кодирования-
модуляции. При этом модулирующие сигналы в каналах квадратурного
модулятора подвергаются формирующей фильтрации с коэффициента-
ми скругления спектра, равными 0,35 для модуляции QPSK и 0,25 для
модуляции 8-PSK и 16-QAM. Форма спектра с косинус-квадратичным
скруглением определяется выражениями (13.1).
В приемнике производится анализ режима передачи, связанного с
выбором конкретной кодовой скорости и конфигурации выкалывания,
13.5. Цифровые спутниковые системы сбора новостей и первичного распределения
407
и при нахождении соответствия осуществляется захват и удержание
синхронизации. Неопределенность фазы в демодуляторе устраняется
обнаружением синхронизирующего байта MPEG-2, разграничивающе-
го подвергнутые перемежению кадры. Автоматическая синхронизация
приемника является важным свойством при эксплуатации системы
DSNG, поскольку позволяет упростить и ускорить установление соеди-
нений по спутниковой линии.
13.5.3. Формирование сигнально-кодовых конструкций для различных режимов
передачи
При использовании многопозиционных видов модуляции 8-PSK и
16-QAM внутренний сверточный кодер (его структурная схема иден-
тична схеме кодера для системы DVB-Т, показанной ранее на рис. 12.4)
включается в тракт обработки сигнала таким образом, чтобы в процес-
се модуляции получались решетчатые сигнально-кодовые конструкции.
Структурная схема устройства, реализующего несколько возможных
вариантов решетчатого кодирования и модуляции, показана на рис.
13.13. Сигнал на вход устройства поступает с выхода сверточного пере-
межителя в параллельном восьмиразрядном коде (биты Р0-Р7). Этот
сигнал подвергается параллельно-параллельному преобразованию с об-
разованием двух ветвей с параллельной передачей данных. Первая ветвь
передает А-разрядные данные, которые не подвергаются кодированию.
По второй ветви передаются Е разрядов, которые преобразуются в пос-
ледовательный поток и поступают на вход несистематического свер-
точного кодера, имеющего базовую кодовую скорость 1/2. Соответствен-
но на выходе кодера образуются две кодированных последовательности
символов X и У, которые подвергаются выкалыванию в перфораторе,
формируя поток проверочных символов с заданной скоростью кода. В
конечном итоге биты первой и второй кодированной ветвей поступают
в контроллер последовательности символов (секвенсор), преобразую-
щий их в две последовательности U и С битов, управляющих работой
маппера битов. Необходимая для каждого конкретного сигнального
созвездия аранжировка U и С битов осуществляется в маппере, с выхо-
да которого две последовательности I и Q битов поступают в соответ-
ствующие ветви квадратурного модулятора. Каждая группа из U битов
передается затем в составе модулированного символа. Эти биты порож-
дают параллельные переходы в решетчатом коде, и они защищены
Рис. 13.13. Структурная схема универсального решетчатого кодера-модулятора
408 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
только за счет большого расстояния Евклида в пространстве сигналь-
ного созвездия. Группа кодированных С битов также передается затем
в составе модулированного символа, определяя структуру решетчатой
конструкции, соответствующую заданным скорости кода и виду моду-
ляции.
Применительно к модуляции QPSK параллельно-параллельный пре-
образователь и следующий за ним параллельно-последовательный пре-
образователь вырождаются в единственный параллельно-последователь-
ный преобразователь. Оба выхода С1 и С 2 кодера выколотого сверточного
кода непосредственно поступают на маппер и далее через фильтр на квад-
ратурный модулятор (рис. 13.14). Как можно видеть, при модуляции
QPSK схема адаптера канала полностью соответствует таковой для си-
стемы DVB-S. Формируемое сигнальное созвездие показано также на
рис. 13.14, кодирование значений дибитов (С 1,С 2) осуществляется в
коде Грея, дифференциальное кодирование не используется. Коэффи-
циент нормализации векторов созвездия равен 1/л/2, что обеспечивает
среднюю энергию на символ, равную 1.
Рис. 13.14. Структурная схема решетчатого кодера-модулятора для сигнала QPSK
Параметры спектральной эффективности и помехоустойчивости при
использовании различных сигнально-кодовых конструкций приведены
в табл. 13.7.
Приведенные в табл. 13.7 значения отношения Eb/NQ, требуемые
для квазибезошибочного приема, соответствуют вероятности ошибки
на входе RS-кодера, равной 2х104.
13.5. Цифровые спутниковые системы сбора новостей и первичного распределения
409
Таблица 13.7. Параметры схем модуляции в системе DSNG
Вид модуляции Скорость внутреннего кода Спектральная эффективность, бит/символ Запас реализации модема, дБ Отношение Eb/N0, требуемое для квазибезошибоч- ного приема, дБ
QPSK 1/2 0,92 0,8 4,5
2/3 1,23 0,8 5,0
3/4 1,38 0,8 5,5
5/6 1,53 0,8 6,0
7/8 1,61 0,8 6,4
8-PSK 2/3 1,84 1,0 6,9
5/6 2,30 1,4 8,9
8/9 2,46 1,5 9,4
16QAM 3/4 2,76 1,5 9,0
7/8 3,22 2,1 10,7
13.5.4. Каналы координации в системах первичного распределения
В соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р SNG.771-1 земные станции
SNG должны быть оборудованы двухсторонними спутниковыми кана-
лами, пригодными для использования до, в течение и после основных
репортажных передач видео- и аудиоинформации [19]. Эти каналы ко-
ординации должны обеспечивать связь между оператором станции SNG,
оператором спутниковой системы и вещателем. Число таких каналов
должно быть не менее двух, а организовываться они должны по возмож-
ности через тот же транспондер, по которому идет основная информа-
ция, с использованием основных антенн станции SNG. Это особенно важно
для тех районов, где затруднен доступ к каналам коммутируемой теле-
фонной сети или сотовой связи. Поскольку обмен репортажами идет по
всему миру, то технические стандарты и эксплуатационные правила для
каналов координации должны быть едиными для всех.
Чтобы организовать дуплексный канал координации, должны пере-
даваться две независимые несущие: одна со станции DSNG, вторая —
от фиксированной станции. При этом возможны различные сценарии
взаимодействия между сторонами, обеспечивающими репортаж. Типо-
выми являются два сценария, представленные графически на рис. 13.15.
Сценарий А (две радиолинии для каналов координации) (см. рис.
13.15, а). Репортажная станция DSNG и центральная фиксированная
станция вещателя передают для целей координации каждая по одной
несущей, переносящей U мультиплексированных каналов. Для органи-
зации каналов связи и управления между центральной станцией и по-
мещениями оператора службы DSNG и оператора спутника связи ис-
пользуется наземная инфраструктура коммутируемой телефонной сети
общего пользования. Репортажная станция DSNG передает и принима-
ет по одной несущей для координации.
Сценарий В (четыре радиолинии для каналов координации) (см.
410 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
рис. 13.15, б). Репортажная станция DSNG передает для целей коорди-
нации одну несущую, переносящую три ([/=3) мультиплексированных
канала. Центральная вещательная станция и спутниковые станции опе-
раторов службы DSNG и спутника связи передают по три несущих,
каждая из которых переносит один канал координации. Репортажная
станция DSNG передает одну несущую, а принимает три несущих для
координации.
Для координации используются цифровые речевые каналы со скорос-
тью передачи данных 8 кбит/с. Предполагается, что максимально может
Репортажная
станция DSNG
Вещатель
Оператор
спутниковой
системы связи
Сценарии А
а)
Рис. 13.15. Сценарии организации каналов координации в системе DSNG
Оператор
спутниковой
системы
связи
□□
□о
□□
□□□а
□□оо
Сценарий В
Список литературы
411
быть четыре таких двусторонних канала. Четырехканальный мультиплек-
сор каналов координации может работать также в режиме синхронного
ввода одного логического канала со скоростью 16 или 32 кбит/с.
Структура адаптера спутникового канала для тракта координации
выбрана аналогичной тракту для системы DVB-S [1]. Но внешний
RS-кодер и сверточный перемежитель не используются, так как требо-
вания к вероятности ошибки на выходе системы защиты от ошибок в
речевых каналах (103) вполне обеспечиваются. Устранение устройств
внешнего кодирования дополнительно снижает задержку прохождения
речевых сигналов по тракту, что существенно для речевого обмена.
Принципиально новым элементом является блок обработки для пе-
редачи сигналов с расширенным спектром, или шумоподобных сигна-
лов (ШПС), включенный в тракт адаптации между внутренним коде-
ром и формирующим фильтром. В блоке ШПС сигналы данных в
каждой из двух квадратурных ветвей, идущих на формирующий фильтр
и далее на модулятор, умножаются на ПСП с длиной L бит. Если Ts —
длина символа данных до расширения спектра, то длительность одного
символа ШПС в L раз меньше, т.е. Тшпс = Ts/L. После такого преобра-
зования скорость битов и ширина спектра сигнала ШПС возрастают в
L раз. Это ведет к соответствующему расширению полосы частот сиг-
нала в радиоканале и снижению его спектральной плотности мощнос-
ти. Сигналы ШПС становится возможным передавать на частоте одной
несущей, используя метод кодового разделения каналов (многостанци-
онный доступ с кодовым разделением каналов — CDMA). Кроме того,
при этом улучшается качество передачи и разделения каналов коорди-
нации. Поскольку скорость передачи данных в тракте координации
много меньше скорости передачи по основному тракту DSNG, то и уро-
вень мощности несущей координации может быть установлен намного
меньше, чем для несущей DSNG. Таким образом, ввод каналов коорди-
нации существенно не меняет загрузку спутника, т.е. не смещает рабо-
чую точку транспондера.
Список литературы
1. European Standard (Telecommunications series) EN 300 421 VI. 1.2
(1997-08). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services.
EBU/CENELEC/ETSI JTC.
2. ITU-R Recommendation BO. 1211. Digital Multi-Programme Emission
Systems for Television, Sound and Data Services Operating in the 11/
12 GHz Frequency Range. — ITU-R Recommendations. — BO Series.
Broadcasting Satellite Service (Sound and Television).
3. Baron S.N., Krivocheev M.I. Digital image and audio
communications. Toward a global information infrastructure. — Van
Nostrand Reinhold. New York. NY, 1996.
412 13. Принципы построения и основные параметры спутниковых систем цифрового ТВ вещания
4. Кривошеев М.И. Перспективы развития телевидения. М.: Радио и
связь. 1982.
5. ITU-R. Doc.lO-llS/TEMP/14, 25.11.1994. — Draft New
Recommendation. Digital Multi-Programme Emission Systems for
Satellites Operating in the 11/12 GHz Frequency Range.
6. ITU-R. Doc.ll/41-Е, 3.12.1996. (Working Party 10-11S). — Draft
new Report [10-11S/R6]. BSS Systems for the 40,5 — 42,5 GHz Band.
7. ITU-R Recommendation BO. 1294. Common Functional Requirements
for the Reception of Digital Multiprogramme Television Emissions by
Satellites Operating in the 11/12 GHz Frequency Range. — ITU-R
Recommendations. — BO Series. Broadcasting Satellite Service (Sound
and Television).
8. ITU-R. Chairman, ad hoc Group 1. — Proposal for a Preliminary
Draft New Recommendation Concerning Digital Multiprogramme
Broadcasting-Satellite Systems. — Doc. lO-llS/TEMP/105-E. 22
October 1999.
9. ATSC Standard. Modulation and Coding Requirements for Digital TV
(DTV) Applications over Satellite. — ATSC Doc.A/80. 17 July 1999.
10. ITU-R Recommendation BO.1408. Transmission System for Advanced
Multimedia Services Provided by Integrated Services Digital
Broadcasting in a Broadcasting-Satellite Channel.
11. ITU-R. Doc. 10-1 lS/TEMP/26(Rev.2), 28.11.1994. — Reply to Liaison
Statement from Working Party 11B.
12. ITU-T Recommendation J.83. Digital Multi-Programme Systems for
Television Sound and Data Services for Cable Distribution.
13. ITU-T Recommendation J.84. Distribution of Digital Multi-Programme
Signals for Television, Sound and Data Services through SMATV
Networks. — ITU, Vol. Television and Sound Transmission.
14. ITU-R. Doc.lO-llS/136-Е, 12.10.1993. (Italy). — Use of OFDM
modulation for digital TV/HDTV by satellite.
15. ITU-R Recommendation SNG.770-1. Uniform Operational Procedures
for Satellite News Gathering (SNG). — ITU-R Recommendations on
CD-ROM. — February 1999.
16. European Standard (Telecommunications Series) EN 301 210 VI.1.1
(1999-03). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for Digital Satellite News Gathering
(DSNG) and other contribution applications by satellite. — EBU/
CENELEC/ETSI JTC.
17. ITU-R Recommendation SNG.1007-1. Uniform Technical Standards
(Digital) for Satellite News Gathering (SNG). — ITU-R Recommendations
on CD-ROM. — February 1999.
18. ITU-T Recommendation J.81 (09/93). Transmission of Component-
Coded Digital Television Signals for Contribution-Quality Applications
at the Third Hierarchical Level of ITU-T Recommendation G.702.
19. ITU-R Recommendation SNG.771-1. Auxiliary Coordination Satellite
Circuits for SNG Terminals. — ITU-R Recommendations on CD-ROM.
— February 1999.
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
14.1. Предварительные замечания
Системами кабельного телевидения называются системы распреде-
ления вещательных и невещательных сигналов, а также разнообраз-
ных спутниковых и других сигналов, посредством коаксиальных ка-
бельных и волоконно-оптических линий связи [1]. Тракты передачи в
современных системах кабельного телевидения строятся, как правило,
по гибридной волоконно-коаксиальной схеме (HFC), когда протяжен-
ные отрезки от головных станций выполнены в виде волоконно-опти-
ческой линии, а подводка к домам и внутридомовая разводка выполне-
ны с помощью коаксиального кабеля.
Кабельные ТВ сети могут быть или однонаправленными, служащи-
ми исключительно для распределения программ от головной станции,
или интерактивными, позволяющими вести диалог с провайдером. При-
менительно к цифровому ТВ вещанию наибольший интерес представ-
ляют сети, допускающие интерактивный режим. Архитектура всей си-
стемы кабельного вещания при этом отвечает общей структурной схеме
интерактивной системы, показанной на рис. 11.7.
Структура однонаправленных цифровых систем ТВ вещания по ка-
белю во многом аналогична структуре систем наземного вещания. Ос-
новные отличия подсистем адаптации для наземных и кабельных ка-
налов связаны с высокой помехозащищенностью кабельных трактов.
Поэтому в кабельных трактах возможно снизить требования к исправ-
ляющей способности кодеков и увеличить число допустимых точек в
пространстве модулированных сигналов.
Система ATSC в кабельном варианте по своей структуре не отлича-
ется от варианта для наземного вещания. Отличие связано с увеличен-
ным вдвое числом уровней модулирующего сигнала, что характеризу-
ется соответственно индексом 16-VSB вместо 8-VSB [2].
Европейская система цифрового вещания по кабелю DVB-С [3] име-
ет больше принципиальных отличий от наземной (DVB-Т) и спутнико-
вой (DVB-S) систем. Поэтому принципы построения системы цифрово-
го ТВ вещания по кабелю будут рассмотрены на примере этой системы.
14.2. Система цифрового ТВ вещания DVB-C
14.2.1. Принципы построения
Структура системы DVB-С максимально гармонизирована со структу-
рой спутниковой системы DVB-S, но в качестве типа модуляции в ней
используется M-QAM с числом позиций М от 16 до 256. На рис. 14.1
показана структура как оборудования головной станции кабельной ли-
нии, так и абонентского приемника-декодера для такой линии.
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
14.2. Система цифрового ТВ вещания DVB-C
415
Входными сигналами на головной станции являются транспортные
пакеты MPEG-2 и такты, получаемые через интерфейс в основной полосе
от: спутниковой линии, технологических линий, локальных программ-
ных источников и т.п. Методы инверсии каждого восьмого байта для
цикловой синхронизации, рандомизации, перемежения и кодирования RS-
кодом не имеют отличий от аналогичных методов и устройств в системах
DVB-S и DVB-Т. Преобразователь байтов в кортежи (короткие последова-
тельности битов, равные значности модулирующего кода) осуществляет
формирование битовых структур, удовлетворяющих условию последую-
щего получения символов QAM. С целью получения созвездия, не завися-
щего от вращения несущей, к двум старшим разрядам каждого символа
QAM применяется дифференциальное кодирование. На этом формирова-
ние кортежей заканчивается и осуществляется найквистовская согласо-
ванная фильтрация для формирования спектра в квадратурных каналах
I и Q. Затем сигналами I и Q модулируются квадратурные несущие, и
сигнал QAM переносится по спектру в полосу рабочего кабельного кана-
ла, для сопряжения с которым служит физический интерфейс. На при-
еме в соответствующем порядке выполняются обратные операции по де-
модуляции и декодированию сигнала в цифровой приставке STB.
Характерной особенностью рассмотренного тракта адаптации является
отсутствие внутреннего сверточного кодека и наличие формирования спектра
в основной полосе. Защита от пакетированных ошибок производится исклю-
чительно за счет перемежения на выходе кодера Рида-Соломона.
14.2.2. Отображение байтов в символы
После сверточного перемежения непрерывную последовательность
байтов необходимо разделить на короткие последовательности битов,
каждая из которых соответствует символу QAM, т.е. определенной точке
на квадратурной диаграмме модулированного сигнала. Такие последо-
вательности двоичных символов называются кортежами. Длина корте-
жа т = log (М), где М — число позиций сигнала Л/QAM.
Циклическая задача отображения байтов в кортежи для одного цик-
ла может быть выражена формулой
8k = п-т,
(14.1)
где k — число преобразуемых байтов по 8 бит;
п — число кортежей длиной т бит.
Таблица 14.1. Коэффициенты преобразования байтов в кортежи
Модуляция m n к 8к = n x m
16-QAM 4 2 1 8
32-QAM 5 8 5 40
64-QAM 6 4 3 24
128-QAM 7 8 7 56
256-QAM 8 1 1 8
416
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
Различным вариантам модуляции M-QAM соответствуют значения-
коэффициентов, показанные в табл. 14.1.
Минимальный цикл преобразования в 1 байт соответствует видам
модуляции 16 и 256-QAM. При 256-QAM байты и кортежи совпадают.
Процесс преобразования при модуляции 64-QAM показан графичес-
ки на рис. 14.2. Старший значащий разряд кортежа должен соответ-
ствовать старшему разряду из последовательности байтов и далее в
том же порядке. При т < 8 каждый байт входит более, чем в один
кортеж [4].
Байт V
Байт V+1
Байт V+2
Байты с выхода перемежителя 6-битовые символы (кортежи) । Ь7 Ь6 Ь5 Ь4 ЬЗ Ь2 [ы ЬО 1 । Ь7 Ь6 Ь5 Ь4 j ЬЗ Ь2 Ы ЬО 1 । Ь7 Ьб[ Ь5 Ь4 ЬЗ Ь2 Ы ЬО 1
MSB 1 LSB । г у
Ь5 Ь4 ЬЗ Ь2 Ь1 ЬО Ь5 Ь4 ЬЗ Ь2 Ь1 ЬО Ь5 Ь4 ЬЗ Ь2 Ы ЬО Ь5 Ь4 ЬЗ Ь2 Ы ЬО
Символ Z Символ Z+1 Символ Z+2 Символ Z+3
Рис. 14.2. Отображение байтов в кортежи
14.2.3. Дифференциальное кодирование
Для устранения потерь информации из-за скачков фазы несущей в
системе DVB-С применяется дифференциальное кодирование двух стар-
ших разрядов кортежа (Ak и Bk). При этом обеспечивается однознач-
ность выделения требуемого фазового квадранта на квадратурной ди-
аграмме (табл. 14.2). Менее значащие q = т-2 битов (q = 2 для 16-QAM,
..., q = 6 для 256-QAM) кортежа определяют номер точки, повторяясь
в каждом квадранте, и не подвержены искажениям из-за фазовых скач-
ков на величину, кратную л/2.
Таблица 14.2. Соотношения старших разрядов кортежа и фазовых сдвигов
Квадрант Значения двух старших разрядов Фазовый сдвиг
1 00 0
2 10 +л/2
3 11
4 01 +Зл/2
14.3. Особенности интерактивной системы цифрового вещания по кабельным сетям 417
Закон дифференциального кодирования старших разрядов опреде-
ляется следующими логическими формулами:
Ik = (Д ®Л-.)^(А ®Q,_,), (14.2)
Qh =(Ак ®Bk)(Bk ®Qft_1)v(AA ®Bk)(Bk ®Ik_,). (14.3)
Структурная схема устройств, связанных с дифференциальным ко-
дированием, показана на рис. 14.3.
Рис. 14.3. Структурная схема дифференциального кодирования
Квадратурные сигналы I и Q с выхода маппера перед модуляцией
подвергаются формирующей фильтрации с коэффициентом скругле-
ния спектра а = 0,15. Характеристика формирующего фильтра в обла-
сти скругления спектра 0,85/^ < \f\ < l,15fN соответствует корню квад-
ратному из полной характеристики и может быть выражена следующей
формулой:
W) =
1 .
-I—sin
2
л
(14.4)
Неравномерность характеристики фильтра в полосе прозрачности и
на частоте Найквиста не должна превышать 0,4 дБ.
14.3. Особенности интерактивной системы цифрового вещания
по кабельным сетям
Принципиальной особенностью интерактивной системы цифрового
ТВ вещания по кабелю является передача двух цифровых потоков по
прямому интерактивному пути FIP от провайдера абоненту (нисходя-
щий поток) и по обратному интерактивному пути RIP от абонента про-
вайдеру (восходящий поток) — см. рис. 11.7. Основное назначение
пути FIP — организация канала управления взаимодействием в систе-
ме и загрузка части данных нисходящего потока провайдера для або-
нентских терминалов кабельной сети. Канал данных FIP может быть
418
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
встроенным в основной информационный канал или в простейшем слу-
чае отсутствовать вовсе. Узкополосный обратный канал служит для
передачи запросов или ответов абонента.
Специфика кабельной системы во многом определяется способами
организации прямого и обратного интерактивных каналов. Восходя-
щий поток разделен на временные интервалы, которые могут исполь-
зоваться различными пользователями, с помощью техники множествен-
ного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Один
нисходящий канал используется для синхронизации до 8 разделенных
на временные интервалы восходящих каналов. Счетчик в интерфейс-
ном сетевом адаптере INA периодически посылает данные о своем со-
стоянии всем блокам сетевых интерфейсов NIU, чтобы все они работа-
ли с той же самой тактовой частотой. Это дает возможность INA
назначать временные интервалы различным пользователям [5].
В интерактивных кабельных системах могут применяться два режи-
ма сигнализации в нисходящем потоке. В первом случае используется
сигнализация вне рабочей полосы тракта вещания, а во втором — в
пределах полосы. Однако при этом не требуется, чтобы абонентский при-
емник STB поддерживал оба этих режима. Качество обслуживания в обо-
их режимах одинаковое. На одной кабельной сети могут существовать
оба вида систем при условии, что они используют различные частоты.
В случае внеполосной сигнализации прямой интерактивный канал яв-
ляется обязательным. Этот путь резервируется для передачи данных ин-
терактивного обмена и информации управления. Одновременно появля-
ется возможность передавать большие объемы информации в нисходящем
направлении благодаря использованию канала системы DVB-С, частота
которого указывается данными прямого нисходящего потока FIP.
При сигнализации в пределах рабочей полосы тракта прямой нисходя-
щий поток FIP вводится в транспортный поток MPEG-2 канала системы
DVB-С. Ввод потока FIP во все каналы системы DVB-С не является обяза-
тельным.
На рис. 14.4 показано возможное распределение спектра в интерактив-
ной системе DVB-С. Рекомендуется использовать следующие предпочти-
тельные диапазоны частот: 70-130 МГц и/или 300-862 МГц для прямого
интерактивного пути FIP (нисходящий поток с внеполосной сигнализаци-
ей) и частично 5-65 МГц для обратного интерактивного пути RIP (восхо-
дящий поток). Чтобы обойти проблемы фильтрации в двунаправленных
РЧ усилителях и в абонентских приставках или модемах, в одной и той
же системе не должны совместно использоваться верхний частотный пре-
дел 65 МГц для восходящего потока и нижний частотный предел 70 МГц
для нисходящего потока. Кроме того, чтобы избежать помех по промежу-
точной частоте в абонентских приставках или модемах, а также в ана-
логовых приемниках в той же самой сети, необходимо оставлять сво-
бодными некоторые участки диапазона 5-65 МГц, совпадающие с
промежуточными частотами указанных оконечных устройств [5].
Для обратных каналов восходящего потока регламентируются поло-
сы частот 200 кГц, 1, 2, 4 МГц. Прямые каналы нисходящего потока
при внеполосной сигнализации имеют полосы частот 1 или 2 МГц.
143. Особенности интерактивной системы цифрового вещания по кабельным сетям
419
Рис 14.4. Распределение спектра в интерактивной системе DVB-C
Для передачи по интерактивному нисходящему каналу в режиме
внеполосной сигнализации может использоваться скорость передачи,
равная 1,544 или 3,088 Мбит/с. Обязательным требованием является
поддержка устройствами IN А и NIU скорости 3,088 Мбит/с, значение
1,544 Мбит/с — необязательное. Для нисходящих каналов с сигнали-
зацией в пределах полосы не существует каких-либо ограничений, вы-
ходящих за рамки стандарта DVB-С, но рекомендуется использовать
скорости передачи кратные 8 кбит/с.
Для восходящей передачи интерфейсный сетевой адаптер INA мо-
жет предоставлять пользователям 8 типов каналов, отличающихся ско-
ростью передачи и видом модуляции (табл. 14.3). Поддержка режима
3,088 Мбит/с с модуляцией QPSK, т.е канала типа С — обязательна
для INA и NIU, другие комбинации скоростей передачи и видов моду-
Таблица 14.3. Параметры восходящих каналов
Тип канала Скорость передачи, Мбит/с Вид модуляции Полоса канала, МГц
А 0,256 QPSK 0,2
В 1,544 QPSK 1
С 3,088 QPSK 2
D 6,176 QPSK 4
AQ 0,512 16-QAM 0,2
BQ 3,088 16-QAM 1
CQ 6,176 16-QAM 2
DQ 12,352 16-QAM 4
420
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
ляции являются необязательными. Интерфейсный сетевой адаптер INA
сигнализирует о том, какие скорость и модуляция должны быть при-
няты во внимание во всех блоках сетевых интерфейсов NIU для кор-
рекции принимаемого сигнала и его демодуляции. Все устройства NIU
и INA должны поддержать модуляцию QPSK.
Данные интерактивного обмена передаются в формате ячеек ATM
длиной 53 байта (40 бит заголовка 4- 384 бита полезной нагрузки). Для
защиты от ошибок используется код Рида-Соломона. При этом к каж-
дой ATM-ячейке добавляются два проверочных байта, образующих ко-
довое слово с соотношением байтов (55,53). Структура RS-кода задана
его порождающим многочленом
g(x) = (х + ц°)(х + ц1), где ц = 02hex (14.5)
и примитивным многочленом конечного поля Галуа
р (х) = х8 + х4 + х3 + х2 + 1.
(14.6)
14.4. Системы коллективного приема спутниковых сигналов
14.4.1. Общие принципы построения систем коллективного приема
В настоящее время широкое распространение получают системы
коллективного приема, в которых принимаемые цифровые сигналы
спутникового ТВ вещания распределяются многим абонентам по ка-
бельной сети. Такие системы приема спутниковых сигналов с коллек-
тивными антеннами известны как системы SMATV (Satellite Master
Antenna Television). Они представляют собой спутниковый приемник,
работающий на широкополосную сеть подачи сигналов телевизионного
и звукового вещания и данных жителям одного или группы зданий.
Сеть SMATV обеспечивает прием сигналов цифрового вещания в режи-
ме частотного разделения непосредственно с одного либо нескольких
спутников, а также аналогичных сигналов, поступающих с наземных
передающих средств в диапазонах ОВЧ и УВЧ. Таким образом, систе-
ма SMATV представляет собой средство разделения одних и тех же
ресурсов среди многочисленных получателей программ посредством
спутникового или наземного приема. Поскольку большую часть систем
SMATV составляют кабельные тракты распределения программ, то эти
системы обычно относят к категории кабельных [6].
Система SMATV предназначена для согласования сигналов, переда-
ваемых по спутниковому каналу, с характеристиками распределитель-
ных каналов сети SMATV. Основным признаком системы SMATV яв-
ляется прозрачность ее головной станции к принимаемому со спутника
мультиплексу, что означает отсутствие интерфейсных цепей в основ-
ной полосе частот и обеспечение простой и дешевой доставки сигнала
на абонентские приемники-декодеры распределительной коллективной
сети.
14.4. Системы коллективного приема спутниковых сигналов
421
Существуют два подхода к построению систем SMATV, отличающи-
еся способами подачи спутниковых цифровых модулированных сигна-
лов от головной станции на домашние абонентские приемники. В пер-
вом из них используется трансмодуляция (т.е. преобразование вида
модуляции) широкополосного спутникового сигнала в полосу 8 МГц
канала распределительной кабельной сети. При втором подходе приме-
няют прямое (без дополнительной демодуляции и трансмодуляции) рас-
пределение принятого сигнала с преобразованием его частоты в прием-
лемую широкую полосу частот кабельной линии. При этом структура
спутникового модулированного сигнала остается неизменной, меняется
только значение частоты несущей.
В приложениях к Рекомендации МСЭ-Т J.84 перечислены системы
SMATV, которые могут выбираться для распределения программ [6,
7]. Рассмотрим кратко их особенности.
В системе SMATV Al (иначе называемой системой SMATV-DTM)
используется трансмодуляция принимаемого со спутника сигнала с квад-
ратурной фазовой модуляцией QPSK в сигнал с квадратурной ампли-
тудной модуляцией, например, 16-, 32- или 64-QAM [4]. Преобразова-
ние осуществляется без дополнительного переноса сигнала в основную
полосу частот и называется прозрачной цифровой трансмодуляцией
(Transparent Digital Transmodulation, TDT). Для распределения сигна-
ла M-QAM применяют стандартизированные кабельные сети с соответ-
ствующими интерфейсами.
Трансмодуляция используется также в системах SMATV CIII и
SMATV D [7]. Они отличаются от системы SMATV Al в основном ви-
дом модуляции трансмодулированного сигнала и структурой блоков
сопряжения скоростей передачи символов по спутниковому и кабель-
ному каналам. В системе SMATV CIII в спутниковом канале может
использоваться модуляция типа BPSK, QPSK и 8-PSK, а в кабельном
канале — 64-QAM. В системе SMATV D осуществляется трансмодуля-
ция QPSK в 16-VSB. При этом номинальная скорость 38,78 Мбит/с
системы 16-VSB (в канале с полосой 6 МГц) делится частично между
источником данных из спутникового канала и другими источниками
данных.
В системах SMATV А2 и SMATV CI, СП применяется прямое рас-
пределение преобразованного по частоте сигнала непосредственно на
абонентские приемники-декодеры IRD с помощью распределительной
сети SMATV. В зависимости от того, в какой диапазон частот перено-
сится спутниковый сигнал, различают системы SMATV A2-IF и SMATV
CI (сигнал распределяется на промежуточной частоте спутникового тю-
нера), а также системы SMATV A2-S и SMATV СП (сигнал распределя-
ется на частотах S-диапазона, т.е. от 230 до 470 МГц).
В заключение заметим, что варианты систем SMATV, соответствую-
щие системам SMATV Al и SMATV А2, в стандарте EN 300 473 назы-
ваются Системами А и В [8].
422
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
14.4.2. Архитектура кабельных систем коллективного приема
Использование того или иного варианта системы SMATV зависит от
компромисса между техническими и стоимостными аспектами в каж-
дом конкретном случае. Рассмотрим подробнее некоторые характер-
ные варианты.
Система SMATV Al (ее структурная схема показана на рис. 14.5)
содержит следующие основные элементы:
блок трансмодулятора головной станции, или прозрачный циф-
ровой трансмодулятор (Transparent Digital Transmodulator —
TDT), служащий для декодирования спутникового цифрового сиг-
нала и повторной его модуляции в соответствии с нормами для
кабельно-распределительной сети;
кабельную сеть SMATV, т.е. структуру физических кабельных
линий для распределения сигналов в диапазоне УВЧ многочис-
ленным пользователям;
интегрированный абонентский приемник-декодер IRD, осуществ-
ляющий коррекцию искажений канала, а также демодуляцию и
декодирование сигнала M-QAM.
В системе SMATV Al используют транспортный уровень стандарта
MPEG-2, цикловую структуру, методы кодирования канала, отображе-
ния битов данных в символы и модуляции, соответствующие требова-
Кабельная
распределительная сеть
SMATV в диапазоне УВЧ
Рис. 14.5. Структурная схема системы SMATV А1
14.4. Системы коллективного приема спутниковых сигналов
423
ниям Рекомендаций МСЭ J.83 [4] и ВО. 1211 [9] и европейским Стан-
дартам EN 300 429 [3] EN 300 421 [10]. Кодирование канала включает
рандомизацию данных, внешнее кодирование кодом Рида-Соломона и
сверточное перемежение.
Структурная схема трансмодулятора системы SMATV Al приведена
на рис. 14.6. Легко заметить, что в трансмодуляторе выполняются опе-
рации внешнего декодирования и деперемежения принимаемого спут-
никового сигнала с последующими операциями внешнего кодирования
и перемежения для передачи по кабелю. Однако если спутниковая ли-
Рис. 14.6. Структурная схема трансмодулятора системы SMATV А1
424
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
ния имеет достаточный энергетический запас и на выходе RS-декодера
трансмодулятора имеет место квазибезошибочный прием, то необходи-
мость в двойном декодировании-кодировании внешним RS-кодом отпа-
дает. Функцию внешнего декодирования и исправления ошибок в спут-
никовом и кабельном трактах в этом случае можно возложить
исключительно на декодер абонентского приемника, а соответствую-
щие узлы трансмодулятора (на схеме рис. 14.6 они показаны пункти-
ром) исключить.
Структурные схемы системы SMATV А2 показаны на рис. 14.7. В
системе SMATV-IF сигнал с модуляцией QPSK распределяется непос-
редственно в расширенной полосе ПЧ (более 950 МГц) на выходе мало-
шумящего усилителя-конвертера спутниковой антенны. В системе с
конфигурацией SMATV-S сигнал с модуляцией QPSK переносится из
расширенной полосы ПЧ антенного усилителя-конвертера в полосу ча-
стот кабельной линии, например, в расширенную часть диапазона S
(частоты 230—470 МГц). В случае применения абонентского приемни-
ка IRD, сопряженного с ПЧ-тюнером, предусматривается возможность
обратного преобразования сигнала из диапазона S в полосу ПЧ. Струк-
тура блоков демодуляции и декодирования абонентского приемника IRD
Сигнал
QPSK
Распределительная
сеть SMATV-IF
(сигнал QPSK на ПЧ)
Приемник-
декодер
QPSK IRD
Сигнал
QPSK
Преобра-
зователь
ПЧ —> S
Распределительная
сеть SMATV-S
(QPSK в S-диапазоне)
Преобра-
зователь
Приемник-
декодер
QPSK IRD
S---> ПЧ
Рис. 14.7. Структурные схемы системы SMATV А2: SMATV - IF(a) и SMATV - S(6)
14.4. Системы коллективного приема спутниковых сигналов
425
в системе SMATV А2 полностью соответствует структуре приемника
системы DVB-S [10].
Структурная схема системы SMATV D показана на рис. 14.8. С выхо-
да преобразователя частоты спутникового тюнера сигнал QPSK поступа-
ет на демодулятор, выдающий на выход поток транспортных пакетов
MPEG-2. Эти пакеты, как и возможные данные других источников, на-
пример, из системы наземного вещания, поступают в буфер, выравнива-
ющий общий поток до скорости 38,78 Мбит/с. Этот групповой поток
поступает на вход передающего комплекта системы 16-VSB ATSC, со-
держащего узлы, характерные для этой системы. После всей необходи-
мой обработки однополосной модуляции и преобразования частоты в
один из каналов с полосой 6 МГц кабельной системы SMATV сигнал
распределяется абонентам [7].
Распределение сигналов многопрограммного ТВ вещания с примене-
нием систем SMATV — одна из новых цифровых служб, ориентиро-
ванных как на индивидуальных пользователей, так и на группы або-
нентов кабельного телевидения. Исследования цифровых систем SMATV
Рис. 14.8. Структурная схема системы SMATV D
426
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю
в рамках европейского проекта DIGISAT ACTS предусматривают ши-
рокое распространение этих систем в ряде стран и внедрение интерак-
тивных систем с обратными каналами, организованными с помощью
спутниковых микротерминалов VSAT коллективного пользования.
Список литературы
1. ITU-T. Doc. СОМ 9-55-Е, July 1999. Japan. — Revised Draft New
Recommendation J.mdt. Methods for the Measurement of Parameters
in the Transmission of Digital Cable Television Signals.
2. ATSC Digital Television Standard. — ATSC Doc.A/53. March 2000.
3. European Standard (Telecommunications series) EN 300 429 VI.2.1
(1998-04). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for cable systems. — EBU/CENELEC/
ETSI JTC.
4. ITU-T Recommendation J.83. Digital Multi-Programme Systems for
Television Sound and Data Services for Cable Distribution.
5. ITU-T. Doc. COM 9-4-E. December 2000. — Draft Amendment 1 to
Recommendation J. 112: — Annex A (Digital Video Broadcasting
(DVB); DVB Interaction Channel for Cable TV Distribution Systems
(CATV)).
6. ITU-T Recommendation J.84. Distribution of Digital Multi-Programme
Signals for Television, Sound and Data Services through SMATV
Networks.
7. ITU-T. Doc. COM 9-2-E. December 2000. — Draft Amendment 1 to
Recommendation J.84: — Annex C (Digital Multi-Programme SMATV
System C).
8. European Standard (Telecommunications series) EN 300 473 VI. 1.2.
— Digital Video Broadcasting (DVB); Satellite Master Antenna
Television (SMATV) distribution systems. — EBU/CENELEC/ETSI
JTC.
9. ITU-R Recommendation BO. 1211. Digital Multi-Programme Emission
Systems for Television, Sound and Data Services Operating in the
11/12 GHz Frequency Range. — ITU-R Recommendations. — BO
Series. Broadcasting Satellite Service (Sound and Television).
10. European Standard (Telecommunications series) EN 300 421 VI.1.2.
— Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel
coding and modulation for 11/12 GHz satellite services. —
EBU/CENELEC/ETSI JTC.
15. Сравнение характеристик стандартных систем
цифрового ТВ вещания по результатам их испытаний
15.1. Сравнение характеристик систем цифрового наземного ТВ
вещания с одночастотной и многочастотной схемами модуляции
15.1.1. Предварительные замечания
Как уже отмечалось, наибольшие различия между известными сис-
темами цифрового ТВ вещания связаны со структурой подсистемы адап-
тации к каналу наземного вещания, которая использует либо одночас-
тотную (8-VSB, ATSC), либо многочастотную (COFDM, DVB-T и ISDB-T)
схемы модуляции. Рассматриваемые системы, как, впрочем, и само
цифровое ТВ вещание, появились сравнительно недавно, изучены дале-
ко не полностью, являются объектом выбора в качестве национальных
стандартов, поэтому вполне понятен интерес, который они вызывают
сами по себе и в сравнении друг с другом. Говоря о сравнении систем,
следует учитывать, что пока оно носит еще достаточно условный ха-
рактер, поскольку основывается на анализе воздействия различных
искажений в различных эксплуатационных режимах при использова-
нии приемников различных изготовителей. Наиболее полные сравни-
тельные испытания в полевых условиях были проведены в Австралии
фактически с оборудованием двух поколений (8-VSB ATSC 6 МГц и
COFDM DVB-T 7 МГц), да и то по ограниченному набору тестируемых
параметров и условий приема сигнала [5]. Чаще всего производится
заочное сопоставление результатов лабораторных испытаний действу-
ющих образцов или их программных моделей. В большинстве случаев
речь идет о вариантах систем для канала с полосой 6 МГц и с пересче-
том результатов на другие полосы частот.
Действительно, сама постановка вопроса о сравнении систем ATSC и
DVB-Т является некорректной. Дело в том, что система ATSC для всех
условий эксплуатации определена одним конкретным набором пара-
метров. Система DVB-Т может быть построена, исходя из требуемого
сочетания параметров, выбираемых при проектировании сети веща-
ния в зависимости от внешних условий как компромисс между устой-
чивостью системы и скоростью передачи. Поэтому при сравнении сис-
тем должно быть четко указано, какой вариант системы DVB-Т является
предметом рассмотрения. Соответственно, говоря о достоинствах и не-
достатках систем следует иметь ввиду, что эти достоинства и недостат-
ки относятся к конкретному варианту построения системы DVB-Т, ра-
ботающему в конкретных условиях [8]. Отталкиваясь от результатов
уникальных сравнительных испытаний в Австралии, необходимо под-
черкнуть, что тестированный вариант системы DVB-Т имел следую-
щую конфигурацию: канал с полосой 7 МГц, режим излучения 2k,
первичная модуляция 64-QAM, кодовая скорость 2/3, относительный
428
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
защитный интервал 1/8. По мнению организаторов испытаний при та-
ком наборе параметров обе системы были наиболее близки друг к другу
(основным критерием была скорость передачи данных). Согласно мне-
нию специалистов Проекта DVB лучшим был бы такой выбор: модуля-
ция 16-QAM, защитный интервал 1 32, а применительно к сегодняш-
ним техническим возможностям — еще и выбор режима [6].
Материалы этой главы базируются как на результатах общего теоре-
тического анализа методов передачи 8-VSB и COFDM, так и на резуль-
татах испытаний в Австралии [1, 5—7]. Поэтому, если не оговорено
особо, там, где идет речь о сравнении конкретных систем, под системой
DVB-Т следует понимать конфигурацию, определенную выше.
С другой стороны, одновременно с ходом технического прогресса в
обеих системах может быть достигнуто улучшение характеристик. По-
этому представленные данные не следует понимать, как нечто незыбле-
мое. Но, по мнению авторов, даже с учетом всех сделанных оговорок и,
возможно, с допущением небольшого несоответствия результатов срав-
нения, полученные данные представляют несомненный интерес.
15.1.2. Обобщенное сравнение систем 8-VSB ATSC и COFDM DVB-T
Каждая из сравниваемых систем имеет свои преимущества и недо-
статки. 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 доста-
точно мало, хотя в определенных условиях та или иная система может
иметь некоторые преимущества.
В канале с АБГ1П обе схемы модуляции (8-VSB и OFDM) имеют
близкие характеристики. Но в канале систем цифрового ТВ вещания
действуют также импульсный шум, эхо-сигналы из-за многолучевого
распространения, фединг и переходные помехи — в этих условиях име-
ют место некоторые различия.
Система 8-VSB ATSC более устойчива в канале с АБГШ, имеет более
высокую спектральную эффективность, более низкое отношение пико-
вой мощности к средней. Она имеет сопоставимые с DVB-Т характери-
стики при низких уровнях эхо-сигналов и помех от аналогового телеви-
дения в совмещенный канал цифрового телевидения. Поэтому система
8-VSB ATSC могла бы быть более выгодной в многочастотных сетях
(МЧС) и для предоставления служб ТВЧ в канале с полосой 6 МГц.
Система COFDM DVB-T имеет существенное преимущество в отно-
шении переходных помех от цифрового канала в совмещенный анало-
говый канал, но система 8-VSB ATSC лучше при действии помех типа
цифра-цифра. Что касается соседних ТВ каналов, то обе системы де-
монстрируют одинаковую помехоустойчивость для всех видов передач.
С другой стороны, система ATSC имеет лучшие характеристики поме-
хоустойчивости для некоторых типов импульсного шума, а система
DVB-Т лучше работает в каналах, характеристики которых подверже-
ны изменению во времени и в каналах с сильными статическим и дина-
15.1. Сравнение характеристик систем цифрового наземного ТВ вещания...
429
мическим искажениями из-за многолучевого распространения. Для си-
стемы DVB-Т допустимы высокие уровни эхо-сигналов (-3 дБ, в неко-
торых случаях до 0 дБ) при их большой задержке (до 4,2 мкс) [2,3].
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 ретрансляторы
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 устойчивы по отношению к эхо-
сигналам, то они также хорошо подходят для создания одночастотных
сетей. Для построения ОЧС требуется выбирать достаточно большие
защитные интервалы, значения которых пропорциональны расстоя-
нию между соседними передатчиками. Чем больше сеть, тем больше
должны быть защитные интервалы, тем большее число несущих тре-
буется иметь в системе, чтобы избежать заметного снижения пропуск-
ной способности.
Система COFDM DVB-T может быть выгодной для служб, предназ-
наченных для построения больших ОЧС (в режиме излучения 8&) или
для приема на подвижных средствах (в режиме излучения 2k). Однако,
следует указать, что большие ОЧС, прием на подвижных средствах и
служба ТВЧ не могут быть реализованы одновременно в любой суще-
ствующей системе ЦНТВ при любой полосе каналов в 6, 7 или 8 МГц.
Специфические параметры системы должны быть выбраны для каж-
дой конкретной реализации.
Системы COFDM обладают повышенными свойствами гибкости и
масштабируемости, что позволяет оптимально выбирать их парамет-
ры применительно к различным условиям вещания. В системе с оди-
ночной несущей существует возможность выбора мощности канально-
го кодирования, типа модуляции и формы сигнального созвездия. В
системах COFDM к ним добавляются выбор длительности защитных
интервалов, выбор числа несущих и групп несущих, а также исключе-
ние части несущих на тех частотных позициях, где максимален уро-
вень переходных помех [1].
В табл. 15.1 представлены обобщенные данные сравнения характе-
ристик систем передачи 8-VSB ATSC и COFDM DVB-T. Для более точ-
ного сравнения для системы DVB-Т выбрана скорость сверточного кода
R = 2/3 в сочетании с модуляцией 64-QAM; этот режим в МСЭ-Р назы-
вается также режимом М3 [2, 3]. Более детальное обсуждение конкрет-
ных параметров представлено в нижеследующих разделах.
Заметим, что процесс внедрение систем ЦНТВ находится на ранней
стадии. Немногочисленные экземпляры приемников первого поколе-
ния функционируют еще не совсем так, как ожидалось. Однако по мере
технического прогресса параметры обеих конкурентных систем ЦНТВ
430
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
Таблица 15.1. Общее сравнение характеристик систем
8-VSB ATSC и COFDM DVB-T
Значение для системы
Характеристика 8-VSB ATSC COFDM DVB-T (режим М3 МСЭ) Примечания
1 2 3 4
Отношение пиковой мощности сигнала к средней мощности 7 дБ 9,5 дБ Для 99,99% времени. См. п.п. 15.2.1
Eb/No& канале с АБГШ теоретически сквозной тест РЧ тракта 10,6 дБ 11,0дБ 11,9 дБ 14,6 дБ Для компенсации различий в измерении порога используется поправочный коэффициент 0,8 дБ. См. п.п. 15.2.2 и 15.2.3
Искажения из-за многолучевого распространения При статической многолучевости
меньше 4 дБ Лучше Хуже См. п.п.15.2.4
больше 4 дБ Хуже Лучше См. п.п. 15.2.4
При динамической многолучевости Хуже Значительно лучше См. п.п. 15.2.4 и 15.2.5
Прием на подвижные средства Нет Режим 2к См. п.п. 15.2.5
Спектральная эффективность Лучше Хуже См. п.п. 15.2.6
Способность предоставлять службу ТВЧ Да Да В канале 6 МГц из-за низкой скорости передачи данных в системе DVB-Т могут возникнуть трудности. См. п.п. 15.2.7
Помеха, вносимая в аналоговую ТВ систему Слабая Средняя В системе ATSC отношение ^/А/о низкое, допускается пониженная передаваемая мощность. См. п.п. 15.2.8
15.1. Сравнение характеристик систем цифрового наземного ТВ вещания...
431
Продолжение табл. 5.1.
1 2 3 4
Одночастотные сети: См. п.п. 15.2.9
круп н о масштабн ые ОЧС Нет Да DVB-Т в режиме 8к
ретранслятор совмещенного канала Да Да ATSC и DVB-T в режиме 2к
Импульсный шум Лучше Хуже См. п.п. 15.2.10
Гармоническая помеха Хуже Лучше См. п.п. 15.2.11
Помеха в совмещенном канале от аналогового ТВ в ЦТВ Такая же Такая же С учетом того,что в системе ATSC имеется гребенчатый фильтр. См. п.п. 15.2.12
Помеха в совмещенном канале для ЦТВ Лучше Хуже См. п.п. 15.2.13
Чувствительность к фазовому шуму Лучше Хуже См. п.п. 15.2.14
Коэффициент шума Тот же самый Тот же самый См. п.п. 15.2.15
Прием на внутреннюю антенну Нет данных Нет данных Требуются дополнительные исследования. См. п.п. 15.2.16
Система для каналов с различной полосой частот Та же самая Та же самая В системе ATSC могут потребоваться различные гребенчатые фильтры. Система DVB-T 6 МГц (режим 8k) может быть чувствительна к фазовому шуму. См. п.п. 15.2.1
станут более совершенными, и они смогут обеспечить заметное улуч-
шение качества ТВ обслуживания.
Окончательный выбор систем ЦНТВ с разными методами модуля-
ции основывается на том, насколько хорошо эти две системы могут
удовлетворять специфическим требованиям или приоритетам каждой
страны, учитывать также другие критические факторы не техническо-
го плана, такие, как географические и экономические аспекты, а также
политические взаимосвязи с окружающими странами и регионами.
Каждая страна должна ясно осознавать свои потребности в области ТВ
432
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
вещания и на основе объективных исследований и доступной информа-
ции об особенностях различных систем сделать оптимальный выбор.
Хочется надеяться, что информация, представленная в данной главе,
сможет быть полезной для достижения этой цели.
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
15.2.1. Отношение пиковой мощности сигнала к средней мощности
Сигнал COFDM может быть статистически смоделирован как дву-
мерный гауссовский процесс. Отношение пиковой мощности сигнала
COFDM к его средней мощности (PAR) в некоторой степени не зависит
от характеристик фильтрации. С другой стороны, отношение PAR сиг-
нала 8-VSB ATSC в значительной степени обусловливается коэффици-
ентом скругления спектра формирующего фильтра, что составляет
11,5% для сигнала 8-VSB ATSC. Исследования показывают, что отно-
шение PAR для сигналов систем DVB-Т и ISDB-T (сигнал для 99,99%
времени) приблизительно на 2,5 дБ выше, чем у сигнала 8-VSB ATSC
[4, 9, 10].
Для того же самого уровня перекрытия с соседним каналом, являю-
щимся главным источником помехи в канале системы DVB-Т и ISDB-T
требуется, чтобы передатчик DVB имел большую мощность (на 2,5 дБ
или в 1,8 раза), чтобы удовлетворить требованиям повышенной на 2,5 дБ
дополнительной выходной мощности, или лучший фильтр канала с до-
полнительным затуханием боковых лепестков. Однако высокое значе-
ние отношения PAR не оказывает никакого воздействия на характери-
стики системы. Оно только повышает некоторую начальную цену для
вещателей [3].
15.2.2. Пороги отношения несущая/шум
Теоретически многочастотная схема модуляции OFDM и схемы мо-
дуляции с единственной несущей VSB и QAM должны иметь то же
самое пороговое значение отношения несущая/шум С/N в канале с
АБГШ. К различным порогам отношения С N приводят разные схемы
кодирования для канала, оценки и коррекции канала, а также и дру-
гие параметры аппаратурной реализации (фазовый шум, шум кванто-
вания, продукты интермодуляции).
Все три системы используют каскадные схемы канального коди-
рования и перемежение символов. Внешним кодом систем DVB-Т и
ISDB-T является код RS (204,188,^=8) с перемежением 12 RS-бло-
ков. Код RS (204,188) является укороченным кодом RS (255,239) и
может исправлять 8-байтовые ошибки передачи, а для унификации и
легкости сопряжения он совместим со стандартами DVB-S (спутник) и
DVB-С (кабель).
В системе ATSC, чтобы снизить влияние импульсных помех и помех от
совмещенного канала NTSC, воплощен более мощный код RS (207,187,^=10),
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
433
который может исправлять 10-байтовые ошибки, и использован переме-
житель с намного большей глубиной в 52 RS-блока. Различия в реализа-
ции RS-кодов приводят к улучшению приблизительно на 0,3-0,5 дБ
характеристики помехоустойчивости для системы ATSC. Между тем, в
системе ATSC реализована схема модуляции с внутренним решетча-
тым кодированием (ТСМ) со скоростью R = 2/3, в то время как в систе-
мах DVB-Т и ISDB-T используется субоптимальный выколотый свер-
точный код (для унифицированности такой же, что и в стандарте DVB-S).
Выигрыш кодирования составляет до 0,5-1 дБ в пользу системы ATSC.
Поэтому различия структуры тракта в части подсистемы прямого ис-
правления ошибок дают системе ATSC преимущество приблизительно
в 1,5 дБ по порогу отношения С/N. Эта составляющая системных по-
терь в 1,5 дБ вряд ли может быть уменьшена за счет технологического
прогресса [3].
Опытный образец приемника ATSC содержит корректор с решаю-
щей обратной связью (DFE). Метод коррекции DFE вызывает очень
небольшое улучшение по шумам, но из-за обратной связи по ошибкам
он приводит к очень крутому ходу характеристики коэффициента оши-
бок по битам (BER) вблизи порога. С другой стороны, приемник
DVB-T/ISDB-T будет испытывать ухудшение отношения С/А прибли-
зительно на 1,5-2,0 дБ, так как в системах DVB-Т и ISDB-T для быстрой
оценки канала используются пилот-сигналы в полосе канала и линей-
ные корректоры с одним отводом [11,12]. Совокупное различие характе-
ристик отношения С/N, основанных на современном технологическом
уровне, составляет в канале с АБГШ приблизительно от 2,3 до 3,5 дБ в
пользу системы ATSC [10,13,14].
С целью достижения одинаковой зоны покрытия и такого же уровня
нежелательной помехи по смежному каналу передатчик DVB-Т должен
быть на 6 дБ (3,5 дБ различие отношений С/ N плюс 2,5 дБ различие
отношений PAR) или в 4 раза более мощным, чем передатчик ATSC.
Следует отметить, что характеристика помехоустойчивости, зависящая
от отношения С/N в канале с АБГШ, является только одним из не-
скольких эталонных тестов системы передачи. Она является важным
показателем качества системы, но не представляет реальную модель
канала. Кроме того, системы коррекции и автоматической регулиров-
ки усиления (АРУ), хорошо работающие в канале с АБГШ, могли бы
не отработать эффекты перемещающегося эха или аналогичного изме-
нения сигнала. Имеющиеся сейчас в системах DVB-Т и ISDB-T допол-
нительные 2 дБ энергетических потерь реализации могут быть сниже-
ны в будущем [3].
В Европе и в Японии при частотном планировании систем ЦНТВ
используется райсовская модель канала [12]. Результаты компьютерно-
го моделирования показывают, что различия в пороге отношения C/N
для гауссовского и райсовского каналов (К = 10 дБ) в зависимости от
использованных модуляции и кодирования для канала составляют при-
близительно от 0,5 до 1,0 дБ [15]. Фактические значения порога C/N,
рекомендуемые для процесса планирования, увеличивают на 2 дБ для
учета искажений, вызываемых процессом уравнивания и минималь-
434
15 Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
ным уровнем шума приемника [12]. Однако между гауссовским и рай-
совским каналами сохраняются различия С/N от 0,5 до 1 дБ.
В США при частотном планировании для системы ATSC Федераль-
ная комиссия связи (FCC) использует характеристику гауссовского ка-
нала [10]. В Канаде для учета искажений из-за многолучевого распрос-
транения (отношение мощностей прямого тракта к многолучевому
тракту К = 7,6 дБ) выделяется запас для порога С/N в 1,3 дБ, что во
многом подобно европейскому подходу [16].
Пороговые значения отношения С/N в канале с АБГШ для трех рас-
сматриваемых систем ЦНТВ, полученные путем компьютерного моде-
лирования [15, 17] и лабораторных испытаний [11,12,14], представле-
ны в табл.15.2. Обычно результаты испытаний, проводимые в
высокочастотной части диапазона УВЧ и в диапазоне ОВЧ, отличают-
ся приблизительно значениями от 0,2 до 0,5 дБ. Результаты также
зависят от характеристик радиочастотного тюнера, используемого в
приемнике-декодере. Тюнер с одним преобразованием частоты обеспе-
чивает лучшие результаты, чем тюнер с двойным преобразованием, но
это не касается влияния помех из соседнего канала.
Таблица 15.2. Пороги С/N, основанные на результатах испытаний
С/N (АБГШ) Критерий Теоретически Испытания
ATSC (6 МГц, /7=2/3) TOV 14,8 дБ 15,2 дБ
DVB-T (8 МГц, /7=2/3) QEF 16,5 дБ 19 2 дБ
ISDB-T (6 МГц, /7=2/3) QEF 18,7 дБ 19 2 дБ
ISDB-T (6 МГц, /7=3/4) QEF 20,1 дБ 20,5 дБ
15.2.3. Беспристрастное сравнение систем ЦНТВ по характеристикам отношения
несущая/шум (C/N)
Следует отметить, что пороговые значения, представленные в
табл. 15.2, не отвечают условию беспристрастного сравнения, потому
что системы имеют различные скорости передачи данных, и их пороги
также определяют различным образом.
При оценке характеристик систем удачной альтернативой является
использование отношения энергии бита к спектральной плотности шума
Eb/No, так как оно учитывает системную скорость передачи данных
EjNo (дБ) = C/N - IWgiRjBW), (15.1)
где R — пропускная способность системы при кодировании данных;
BW — полоса частот системы.
Для системы ATSC с полосой 6 МГц скорость передачи данных
R = 19,393 Мбит/с [17]. С ней сопоставимы системы DVB-Т и ISDB-T в
канале 6 МГц (кодовая скорость R = 2 3, относительный защитный
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
435
интервал GI = 1/32) со скоростями передачи данных Rb = 17,9 Мбит/с
[15] и Rh = 17,7 Мбит/с [28] соответственно. Для систем DVB-Т и ISDB-T,
использующих то же самое кодирование, но различную длину защитно-
го интервала GI, отношение С fN должно быть таким же, в то время как
отношение Eb/No будет отличаться из-за различной пропускной способ-
ности канала данных.
При анализе пороговых явлений следует учитывать, что в рассмат-
риваемых системах используются противоположные критерии.
В системе DVB-Т критерий оценки очень жесткий. Значение порога
отказа в ней не определено вовсе, зато введен порог снижения качества.
При нормальной работе в различных условиях система должна обеспе-
чивать так называемый квазибезошибочный прием (QEF), при котором
ошибка в изображении на экране должна появляться не чаще одного
раза в час. Критерию QEF соответствует значение вероятности ошибки в
битах BER на выходе каскадного декодера (выход RS-декодера), равное
101]. При инструментальных измерениях в системах DVB-Т и ISDB-T
обычно фиксируют значение коэффициента ошибок в битах (BER) на
выходе декодера Витерби (на входе RS-декодера), которое в случае поро-
га QEF (10 п) должно быть не хуже 2-104 [3,15]. Это определение поро-
га используется при планировании зоны покрытия службы цифрового
вещания [6].
Порог отказа системы ATSC был получен фактически субъективно,
исходя из условия визуализации недопустимо большого числа ошибок
на изображении (TOV) и имея ввиду, что в приемнике применяются
маскирование ошибок на видео или некоторые другие методы подавле-
ния. При этом объективными измерениями были определены соответ-
ствующие значения: коэффициент BER, равный 3-106, и коэффициент
ошибок в сегменте (SER) после RS декодирования, равный 2-104. Зна-
чение коэффициента SER пересчитывается затем в коэффициент оши-
бок в символах 8-VSB после корректора (до решетчатого декодирова-
ния), равный 0,2. Он также определяет коэффициент ошибок в байтах
после решетчатого декодирования, равный 1,4-102 [18]. Можно заме-
тить, что с учетом разницы в определениях порог системы ATSC (по
отношению несущая/шум) определен заметно ниже, чем таковой для
систем DVB-Т и ISDB-T. Для точного сравнения к порогу ATSC должен
быть добавлен поправочный коэффициент. Однако измерения на раз-
личных приемниках могут привести к различным значениям в зависи-
мости от их конструктивного выполнения. Для канала с АБГШ при
использовании корректора с решающей обратной связью поправочный
коэффициент, учитывающий разницу в критериях TOV и QEF, должен
быть около 0,8 дБ [19]. По другим данным разница составляет около
1,3—1,5 дБ и более, а при помехах совмещенного канала она может
достигать 4 дБ в пользу системы DVB-T [6, 20].
Учитывая вышеупомянутые влияние скорости передачи данных и
различие в определении порогов, были рассчитаны пороговые значе-
ния отношения Eb N систем ЦНТВ, представленные в табл.15.3. Ис-
ходя из результатов измерений сквозного РЧ тракта, можно констати-
ровать, что система ATSC имеет преимущество в несколько децибел в
436
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
канале с АБГШ [3, 7]. Согласно последним данным, имевшаяся ранее
разница пороговых отношений С/N в 3,6 или в 4 дБ в пользу системы
ATSC была вызвана неправильной настройкой приемников. Тестирова-
ние последних образцов СБИС приемника-декодера DVB-Т (разработ-
чик — фирма LSI Logic, США) показало, что эта разница составляет
около 1,4 дБ [8]. В связи с чем следует еще раз напомнить, что для
обеих систем возможны улучшения и уточнения пороговых критериев,
а канал с АБГШ является не лучшей моделью канала при ЦНТВ.
Таблица 15.3. Пороги отношения Еь/Л/ов системах ЦНТВ
Параметры систем Значения отношения E./N в канале с АБГШ в ь* о зависимости от порога систем
вид порога теоретически испытания
ATSC 6/7/8 МГц: 0 = 2/3 TOV 9,7 дБ 10,1 дБ
Rb = 19,4/21,6/27,5 Мбит/с QEF 10,5 дБ 10,9 дБ
DVB-T 6/7/8 МГц: Е-2/3, 0/ =1/32 TOV 10,4 дБ 13,1 дБ
R,= 17,9/21,1/24,1 Мбит/с QEF 11,7 дБ 14,4 дБ
DVB-T 6/7/8 МГц: /3=3/4, 0/ =1/32 TOV 11,4 ДБ 14,1 дБ
R = 20,4/23,7/27,1 Мбит/с QEF 12,7 дБ 15 4 дБ
ISDB-T 6/7/8 МГц: /?=2/3, (3/ =1/32 TOV 12,7 дБ 13 2 дБ
Rb = 17,7/20,7/23,6 Мбит/с QEF 14,0дБ 14 5 дБ
ISDB-T 6/7/8 МГц: 0=3/4, G/ =1/32 TOV 13,6 дБ 14,0 дБ
Rb = 19,9/23,2/26,6 Мбит/с QEF 14,9 дБ 15,3 дБ
15.2.4. Искажения из-за многолучевого распространения
Системы с COFDM имеют высокую устойчивость к искажениям из-
за многолучевого распространения. При правильном выборе длитель-
ности защитного интервала, перемежения и канального кодирования
система COFDM способна выдерживать очень сильные эхо-сигналы с
уровнем до 0 дБ при использовании ненаправленных антенн для стаци-
онарного приема в городских зонах и мобильного приема при достаточ-
но высоком отношении несущая/шум. В каналах с переменными во
времени параметрами сигналов, вызываемыми раскачиванием антен-
ной мачты радиопередатчика, отражениями от самолетов и качающихся
деревьев, системы COFDM дают ощутимые преимущества [1].
Применение защитного интервала может устранять межсимвольные
искажения, но искажения из-за затухания в полосе канала будут со-
15 2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
437
храниться. Мощный внутренний код, исправляющий ошибки, и хоро-
шая система оценки канала являются обязательными атрибутами для
системы DVB-Т, обеспечивающими устойчивость к эхо-сигналам с уров-
нем до 0 дБ и задержкой до 17 мкс. При этом эквивалентное снижение
отношения сигнал/шум составляет около 6 дБ [6]. Для повышения ус-
тойчивости к эхо-сигналам с уровнем 0 дБ может потребоваться по
крайней мере на 7 дБ большая мощность сигнала [9,13]. Значительно
улучшить характеристику системы может декодирование с мягким ре-
шением, использующее технику стирания подозрительных символов
[21].
В системе 8-VSB для борьбы со статическими эхо-сигналами с уров-
нями менее минус (4—6) дБ используется корректор с решающей об-
ратной связью (DFE), который обеспечивает худшее качество шумопо-
давления [14]. Результаты моделирования показывают, что системы
COFDM с выравниванием имеют лучшие параметры, чем одночастот-
ные системы с линейным корректором [1].
В системах DVB-Т и ISDB-T защитный интервал может использо-
ваться для противостояния опережающим и запаздывающим эхо-сиг-
налам, что важно при построении ОЧС. Система ATSC не может под-
держивать длинные опережающие эхосигналы, так как она была
разработана для применения в МЧС, где они почти никогда не случа-
ются. Ее устойчивость к опережающим эхосигналам ограничена уров-
нем в -13,8 дБ при длительности эха до 4,2 мкс. Устойчивость к запаз-
дывающим эхо заметно лучше и составляет -3 дБ (уровень эхо) при
длительности 4,2 мкс [6].
15.2.5. Мобильный прием
Система с COFDM разработана как средство связи, которое может
применяться для приема на подвижные средства. Испытания системы
DVB-Т в Германии продемонстрировали такую возможность при скоро-
сти движения до 300 км/час [8]. Но в общем случае для надежного
приема должны использоваться первичная модуляция поднесущих
COFDM низкой кратности и пониженная скорость сверточного кодиро-
вания. Поэтому при приеме на подвижные средства существует проиг-
рыш в пропускной способности канала данных по сравнению с фикси-
рованным приемом. Почти невозможно достигнуть пропускной
способности канала данных в 19 Мбит/с, требуемых для передачи од-
ной программы ТВЧ и сопутствующих служб многоканального звука и
передачи данных. В высокочастотной части диапазона УВЧ, предпола-
гая, что приемник перемещается со скоростью 120 км/ч, чтобы устра-
нить влияние эффекта Доплера разнос несущих в символе COFDM дол-
жен быть больше 2 кГц. Это означает, что для приема на подвижные
средства в системе DVB-Т пригоден только режим 2k. В свою очередь,
режим 2k не был предназначен для поддержки крупномасштабных ОЧС.
Если для первичной модуляции несущих COFDM используется QPSK, то
скорость передачи данных достигает 8 Мбит/с (BW = 8 МГц, R = 2/3,
GI = 1/32) [15]. С использованием модуляции 16-QAM скорость переда-
438
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
чи данных составит 16 Мбит/с (BW = 8 МГц, R = 2/3, GI = 1/32). При
модуляции большей кратности система COFDM будет чувствительна к
федингу и эффекту Доплера, что потребует увеличения передаваемой
мощности.
Исследование возможностей мобильного приема показывает, что си-
стема DVB-Т может работать при действии сильных эхо-сигналов с уров-
нем до -3 дБ со сдвигом Доплера около 100 Гц. Отказ в системе ATSC
наступает при сдвиге Доплера около 1 Гц [6].
Потенциальной проблемой внедрения подвижной службы является
доступность спектра. Так как прием на подвижные средства требует
иных видов модуляции и кодирования для канала, нежели для фикси-
рованных служб, то, возможно, его придется использовать в отдель-
ных каналах. Во многих странах имеются трудности выделения для
фиксированной службы по одному каналу цифрового ТВ вещания для
каждого из существующих вещателей аналогового телевидения. На-
хождение дополнительного спектра для подвижной службы может быть
затруднено. Поскольку подвижная служба предназначена главным об-
разом для доставки звуковых программ, данных и изображений с низ-
кой разрешающей способностью водителям автомобилей, то она конку-
рирует со службами цифрового звукового радиовещания (DAB) и
мобильной телефонии.
15.2.6. Спектральная эффективность
Собственно схема модуляции OFDM (без учета защитных интерва-
лов) является лишь немного более спектрально-эффективной, чем сис-
темы модуляции с единственной несущей, так как спектр OFDM может
иметь очень малое начальное скругление даже без выходного формиру-
ющего фильтра. Например, для канала 6 МГц полезная полоса частот
по уровню -3 дБ составляет 5,71 МГц (коэффициент использования по-
лосы 5,71/6 ~ 95%) [15] по сравнению с полезной полосой частот систе-
мы ATSC, равной 5,38 МГц (5,38/6 - 90%) [17]. Таким образом, в кана-
ле 6 МГц схема модуляции OFDM по сравнению с модуляцией 8-VSB
имеет преимущество до 5% использования полосы.
Однако защитный интервал, который необходим для сглаживания
сильных искажений из-за многолучевости и внутриполосные пилот-сиг-
налы, введенные для быстрой оценки канала, существенно уменьшает
пропускную способность систем с OFDM. Например, в системе DVB-T
предлагается выбор защитных интервалов в 1/4; 1/8; 1/16 и 1/32 от
длительности активного символа. Это эквивалентно сокращению про-
пускной способности на 20%, 11%, 6% и 3% соответственно [3].
В сложных условиях приема (низкое отношение несущая/шум, силь-
ные искажения и фединг) ограничивающим фактором в системах COFDM
является надежность восстановления несущих частот. Эффективным
методом восстановления несущих является использование пилот-сиг-
нал ов и опорных символов для коррекции характеристик субканалов.
Однако вставка внутриполосного пилот-сигнала ведет к потерям около
8% скорости передачи данных [3].
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
439
В целом, потери пропускной способности в системе COFDM DVB-T
при различных защитных интервалах составляют до 28%, 19%, 14% и
11%. Вычитая имеющееся преимущество в частотной эффективности,
равное для системы OFDM 5%, получаем, что по сравнению с системой
ATSC полное сокращение пропускной способности в системе DVB-Т со-
ставляет примерно 23%, 14%, 9% и 6/о соответственно. Это означает,
что применяя в обеих системах одинаковую схему кодирования для
канала, система DVB-T (R = 2/3, модуляция 64-QAM) в канале 6 МГц
будет отличаться сокращением пропускной способности на 1,16; 1,75;
3,49 или 4,46 Мбит/с [2, 3].
15.2.7. Способность к передаче ТВЧ
Исследования в области цифрового сжатия изображений показали,
что, основываясь на современной технологии, для предоставления служ-
бы ТВЧ с удовлетворительным качеством спортивных и других быст-
рых динамических сюжетов требуется скорость передачи данных по
крайней мере в 18 Мбит/с [15]. Для обеспечения одновременно с ТВЧ
служб многоканального звука и дополнительных данных требуется еще
более высокая пропускная способность.
Согласно стандартам на системы DVB-Т и ISDB-T в канале с полосой
6 МГц при выборе выколотого сверточного кода с R = 2/3, модуляции
64-QAM [12] пропускная способность в зависимости от выбора защит-
ного интервала составит 14,929—18,096 Мбит/с и 14,6—17,7 Мбит/с
соответственно. Поэтому в системах с OFDM трудно обеспечить службу
ТВЧ в канале 6 МГц, если только не использовать более слабое кодиро-
вание для исправления ошибок. Например, увеличивая скорость свер-
точного кода до R = 3/4 и выбирая GI = 1/16, скорость передачи дан-
ных в DVB-Т становится равной 19,760 Мбит/с, что сопоставимо со
скоростью передачи данных 19,39 Мбит/с в системе ATSC. При этом
подходе пороговое отношение несущая/шум должно быть больше, по
крайней мере, на 1,5 дБ, что требует соответствующего увеличения
мощности сигнала [14, 15]. Оценочную характеристику системы смот-
ри в табл. 15.3. Увеличение кодовой скорости также ухудшит характе-
ристику системы при действии многолучевости, особенно в условиях
приема на комнатную антенну и в ОЧС.
В более широкополосных каналах (7 и 8 МГц) диапазон скоростей
передачи в системах DVB-Т и ISDB-T позволяет передавать поток ТВЧ
не только без особых проблем, но и с определенным преимуществом
для DVB-Т. Оно состоит в том, что стандарты систем DVB поддержива-
ют режим прямого сопряжения сигналов различных сред передачи.
Например, возможен ввод программ ТВЧ, передаваемых по спутнико-
вому тракту со скоростями до 24 Мбит/с, непосредственно в наземные
или кабельные системы без их MPEG-декодирования и повторного ко-
дирования для доставки пользователям [8].
Для декодирования сигнала COFDM без использования внутриполос-
ных пилот-сигналов возможны и другие методы [4, 22], которые могли
бы значительно улучшить спектральную эффективность.
440
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания
15.2.8. Помехи существующим аналоговым ТВ службам
Отличие отношения С/N на 4 дБ в системах ATSC и DVB означает,
что для той же самой зоны обслуживания передаваемая мощность в
системе DVB-Т должна быть в 2,5 раза больше. В большинстве стран
предполагается, что аналоговое и цифровое ТВ вещание будут сосуще-
ствовать в течение длительного времени без выделения каких-либо до-
полнительных ресурсов спектра при внедрении ЦНТВ. Для цифрового
ТВ вещания могут быть заняты неиспользованные частотные выделе-
ния и каналы табу. Ожидается, что одним из ключевых ограничиваю-
щих факторов в течение переходного периода будет помеха со стороны
систем ЦНТВ в существующие аналоговые ТВ службы. Поэтому требо-
вание более высокой передаваемой мощности для системы DVB-Т мо-
жет затруднить частотное планирование и привести к дополнительным
помехам. Для решения этой проблемы должны быть предприняты до-
полнительные меры по увеличению разделения в совмещенных кана-
лах или по снижению передаваемой мощности (возможно по измене-
нию географии зон покрытия) [2].
Поскольку спектр системы DVB-Т немного шире спектра 8-VSB ATSC,
то он создает большую помеху в звуковом смежном или совмещенном
канале аналоговой системы PAL. Но из-за уменьшенной мощности сиг-
нала COFDM в области аналоговой несущей PAL (при равной с 8-VSB
средней мощности и за счет того, что по структуре сигнал COFDM бо-
лее соответствует белому шуму) он создает немного меньшую переход-
ную помеху, нежели сигнал 8-VSB [6].
Для снижения помех, которые создает система COFDM в совмещен-
ном канале аналогового телевидения, хорошие результаты дает сгла-
живание спектра модулирующих сигналов формирующими фильтра-
ми. Подавление несущих OFDM, совпадающих с несущими изображения
и звука аналоговой ТВ программы, не дает ощутимых результатов,
поскольку на этих частотах помехоустойчивость ТВ сигнала макси-
мальна [1].
15.2.9. Одночастотная сеть
Режим 8k в системе DVB-Т был разработан специально для создания
крупномасштабных общенациональных или региональных одночастот-
ных сетей (ОЧС), в которых группа передатчиков используется для
охвата назначенной зоны обслуживания. В режиме 8k используется
маленький разнос несущих, при котором возможно вводить продолжи-
тельные (до 224 мкс в канале 8 МГц) защитные интервалы. При выбо-
ре мощного сверточного кода (R < 3/4) система DVB-Т может также
выдержать искажения из-за многолучевого распространения с уровнем
до 0 дБ, однако для этого требуется, по крайней мере, на 7 дБ большая
мощность сигнала [9, 13]. Это требование дополнительной мощности
прибавляется к тем 6 дБ мощности передатчика, которые обсуждались
ранее. Альтернативой увеличению передаваемой мощности должно стать
использование остронаправленных приемных антенн, которые способ-
ны ослабить сильные эхо-сигналы, вызываемые многолучевым распро-
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
441
странением. Такие антенны могли бы улучшить прием также и в систе-
ме 8-VSB ATSC.
Другая проблема, которая могла бы оказать негативное воздействие
при эксплуатации крупномасштабной ОЧС, это помехи от совмещенно-
го и смежного каналов. Практически затруднительно выделить канал
цифрового ТВ вещания для организации крупномасштабной ОЧС, не
создав при этом заметных помех в существующих аналоговых ТВ служ-
бах в течение всего переходного периода от аналогового к цифровому
вещанию. Борьба с переходными помехами поиском дополнительных
мест установки антенных опор в желательных точках и связанные с
этим издержки (затрагивающие юридические аспекты, вопросы соб-
ственности, строительства, закупки оборудования, эксплуатации и кон-
троля окружающей среды) практически или экономически являются
нежизнеспособными.
С другой стороны, создание ОЧС может обеспечивать увеличение
напряженности поля в центральной зоне охвата ОЧС и может значи-
тельно улучшить качество обслуживания. В зоне ОЧС приемники име-
ют доступ к более чем одному передатчику (эффект выигрыша за счет
разноса). При этом возрастают шансы обеспечить прямую видимость
передатчика для надежного обслуживания.
Оптимизируя плотность размещения передатчиков, передаваемую
мощность, высоту антенных опор и их местоположение, ОЧС могла бы
обеспечить лучший охват и экономию частот при поддержании прием-
лемого уровня помех в соседние сети и обратно [23].
Система ATSC не была разработана специально для построения ОЧС.
Но если может быть обеспечена достаточная развязка между приемной
и ретранслирующей антеннами, то возможны ограниченная эксплуата-
ция ретранслятора совмещенного канала и заполнителя теней [24].
Другой вариант — это полностью цифровой эфирный канал, в котором
сигнал демодулируется, декодируется и заново модулируется. В таком
канале ошибка передачи на первом скачке может быть исправлена, и
системе не потребуется высокий уровень развязки между приемной и
ретранслирующей антеннами.
Ключевое различие между цифровой и аналоговой ТВ системами со-
стоит в том, что цифровая система может противостоять помехе совме-
щенного канала с уровнем по крайней мере в 20 дБ, в то время как
порог заметности в совмещенном аналоговом ТВ канале — около 50 дБ.
Другими словами, цифровая система на 30 дБ более устойчива, чем
аналоговая, что обеспечивает большую гибкость при разработке рет-
рансляторов и частотном планировании. При создании ретранслятора
системы ATSC [24] с использованием направленной приемной антенны
можно увеличить пригодность мест его расположения и уменьшить воз-
действие эхо-сигналов от быстро двигающихся объектов или искаже-
ния от многолучевости с большой задержкой. Эксплуатационные пара-
метры ретранслятора будут зависеть от плотности населения, характера
местности и заданной зоны покрытия.
Следует отметить, что при любой системе ATSC, DVB-T или ISDB-T
442
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
и любых конфигурациях сетей вещания ОЧС или МЧС, 100% пригод-
ность местоположений не может быть достигнута [3].
15.2.10. Импульсный шум
Теоретически системы COFDM гораздо менее чувствительны к им-
пульсному шуму, чем системы с одной несущей. Это связано с тем, что
сигнал COFDM очень сильно растянут во времени и влияние импульс-
ного шума проявляется значительно меньше. Кроме того, модуляция
OFDM должна быть более устойчива к импульсным помехам во вре-
менной области, потому что процесс БПФ в приемнике может усред-
нять короткие импульсы. Однако, как было упомянуто ранее, кодиро-
вание для канала и реализация перемежителя также играют важную
роль. Более мощный код RS (207,187) с перемежителем с 52-мя сегмен-
тами делает систему ATSC более устойчивой к импульсной помехе, чем
система DVB-Т в режиме 2k или ISDB-T, использующие код RS (204,188)
и перемежитель с 12-ю сегментами [14]. Более короткая длина кодового
ограничения внутреннего кода, равная 2-м для ATSC (7-ми для DVB-T
и ISDB-T), также приводит к более коротким пакетам размноженных
ошибок, которые легче исправляются внешним кодом.
Вариант системы DVB-Т с режимом 8k распределяет энергию им-
пульсной помехи по многочастотному символу в интервале времени,
который в 4 раза длиннее, чем в режиме 2k, Если частота появления
импульсов помехи не превосходит тактовой частоты символов (1 кГц)
и длительности импульсов помехи существенно короче длительности
символа (1 мс), то режим 8 k обеспечивает характеристики помехоус-
тойчивости на 6 дБ лучше, чем режим 2k, В этом случае характеристи-
ки систем DVB-Т и ATSC в канале с импульсным шумом становятся
близкими [6].
Импульсная шумовая помеха обычно возникает в диапазоне ОВЧ и
нижней части диапазона УВЧ и вызывается индустриальным оборудо-
ванием и домашними приборами (микроволновые печи, люминесцент-
ное освещение, фены, пылесосы и т.п.). Высоковольтные линии элект-
ропередачи, которые часто генерируют дугу и коронные разряды, также
являются источниками импульсного шума. Устойчивость к импульс-
ному шуму схем восстановления несущей и схем синхронизации может
также ограничивать характеристики системы.
Нелинейные искажения, обычно обусловленные ограничением сиг-
нала OFDM в цепях радиопередатчика, очень близки по проявлению к
импульсным помехам, к которым система COFDM имеет очень хоро-
шую устойчивость. Тесты показали, что если ограничение уровня име-
ет место в течение 0,1% времени, то ухудшение вероятности ошибки
соответствует снижению отношения несущая/шум на 0,1—0,2 дБ. Если
ограничение действует в течение 1% времени, то снижение отношения
несущая/шум составляет 0,5—0,6 дБ [1].
15.2 Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
443
15.2.11. Гармоническая помеха
Так как система COFDM основывается на технике передачи в час-
тотной области, при которой для передачи данных используется боль-
шое число поднесущих, то одночастотная или узкополосная помеха
может уничтожить несколько поднесущих, но потерянные данные мо-
гут быть легко исправлены кодом, исправляющим ошибки. С другой
стороны, гармоническая помеха может привести к закрытию глазка
при модуляции 8-VSB. Адаптивный корректор мог бы уменьшить воз-
действие гармонической помехи, но в общем случае, системы DVB-Т и
ISDB-T должны выигрывать у системы ATSC в подавлении гармони-
ческой помехи [9, 14]. Однако при реальной эксплуатации система ЦНТВ
никогда не должна испытывать доминирующего воздействия гармони-
ческой помехи, так как хорошо разработанный план распределения
частот позволяет избежать этой проблемы.
15.2.12. Помеха в совмещенном канале от аналогового телевидения
При наличии помех от аналоговых ТВ станций, работающих в со-
вмещенном канале, помехозащищенность системы COFDM зависит от
мощности кодовой защиты и глубины перемещения. Хорошие резуль-
таты дает устранение из группового спектра COFDM несущих, частоты
которых совпадают с несущими частотами аналоговой ТВ программы.
Другим методом является сдвиг частот несущих на фиксированное зна-
чение, равное половине строчной частоты аналогового ТВ сигнала.
Как было отмечено ранее, помеха в совмещенном канале от аналого-
вого телевидения может уничтожить ограниченное число поднесущих
COFDM в определенных участках полосы системы ЦНТВ. Хорошая
система оценки канала, объединенная с системой декодирования с мяг-
ким решением, использующей технику стирания, должна обладать хо-
рошими свойствами по отношению к помехе в совмещенном канале от
аналогового телевидения. Результаты испытаний приемников DVB-T
последних модификаций показывают, что при помехе от сигнала PAL
в совмещенном канале система DVB-Т по помехоустойчивости превос-
ходит систему ATSC на 11 дБ [6].
В смежных каналах помехоустойчивость обеих цифровых систем
очень высокая — защитные отношения составляют в среднем 35 дБ. В
нижнем канале преимущество в 3 дБ имеет система ATSC, а в верх-
нем — система DVB-Т (примерно 1 дБ).
В системе ATSC для улучшения характеристик системы по отноше-
нию к помехе от аналогового телевидения применяется тщательно раз-
работанный гребенчатый фильтр, обеспечивающий затухание на час-
тотах аналоговых поднесущих изображения, звукового сопровождения
и сигналов цветности.
При эталонном тестировании обе системы демонстрируют близкие
характеристики. Следует отметить, что при испытаниях в Австралии
гребенчатый фильтр был выключен [14], поскольку при тестировании
системы ATSC с полосой 6 МГц использовали сигнал помехи от анало-
гового телевидения с полосой 7 МГц. В Канаде при планировании спек-
444
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания
тра системы ЦНТВ (8-VSB ATSC, полоса 6 МГц) [16] помеха в совме-
щенном канале от аналогового телевидения не входит в число наиболее
критических факторов. Помеха от системы ЦНТВ в существующие
службы аналогового телевидения вызывает более серьезное беспокой-
ство.
15.2.13. Помеха в совмещенном канале от системы ЦНТВ
Сигналы обеих систем ЦНТВ — ATSC и DVB-Т проявляются как
аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ). Поэтому проявление по-
мехи от системы ЦНТВ в совмещенном канале должно быть сильно
коррелированно с характеристикой помехоустойчивости в зависимости
от отношения С/N, которая в значите’льной степени определяется ис-
пользуемыми методами кодирования для канала и модуляции. Систе-
ма ATSC, благодаря ее более мощному помехоустойчивому кодирова-
нию, имеет преимущество над системой DVB-Т, выражающееся
значением, примерно равным 3-4 дБ. Хорошая характеристика отно-
шения мощности несущей к мощности помехи от цифрового сигнала в
совмещенном канале приводит к меньшему влиянию на существующие
аналоговые ТВ службы. По мере сокращения аналоговых ТВ служб
это свойство будет вести к постепенному повышению спектральной эф-
фективности сети вещания.
15.2.14. Влияние фазового шума
Теоретически модуляция OFDM более чувствительна к нестабильно-
сти частот несущих и к фазовому шуму тюнера. Причинами фазового
шума и джиттера несущих могут стать преобразователь частоты вверх
на передаче, преобразователь частоты вниз на приеме и тюнер. В при-
емнике небольшой сдвиг частот несущих нарушает ортогональность
между подканалами и ведет к ухудшению характеристик, быстро воз-
растающему пропорционально значению сдвига и числу пораженных
несущих.
Воздействие фазового шума может быть смоделировано двумя ком-
понентами: во-первых, обычным компонентом вращения, который вы-
зывает вращение фазы всех поднесущих OFDM; во-вторых, дисперси-
онным компонентом, или компонентом взаимных помех между
несущими, который, подобно шуму, приводит к размытию точек со-
звездия каждой из поднесущих. Первый компонент может быть легко
прослежен с использованием опорных внутриполосных пи л от-сигналов.
Однако второй компонент компенсировать сложно, и он будет слегка
ухудшать шумовой порог систем DVB-Т и ISDB-T [21, 25].
В системе с единственной модулированной несущей (типа 8-VSB) фа-
зовый шум в общем случае вызывает вращение созвездия, которое мо-
жет быть зачастую отслежено с помощью схемы фазовой автоподст-
ройки. Для системы DVB-Т может потребоваться тюнер с улучшенной
характеристикой по отношению к фазовому шуму [26]. Использование
тюнера с одиночным или двойным преобразованием частоты также ве-
15 2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
445
дет к отличию характеристик. Тюнеры с одним преобразованием час-
тоты имеют меньший уровень фазового шума, но менее устойчивы к
помехам по соседнему каналу. Тюнер, который перекрывает оба диапа-
зона ОВЧ и УВЧ, будет обладать немного худшими параметрами, чем
однодиапазонный тюнер.
15.2.15. Коэффициент шума
В общем случае коэффициент шума — это показатель качества при-
емника. Он не зависит от системы вещания. Приемник с низким коэф-
фициентом шума высокочастотного тракта может использоваться в
системах ATSC или DVB-Т для уменьшения минимально необходимого
уровня сигнала.
Тюнер с одним преобразованием частоты имеет низкий уровень фа-
зового шума и низкий коэффициент аддитивного шума, который непо-
стоянен в различных ТВ каналах — в одних он лучше, в других —
хуже. Тюнеры с одним преобразованием частоты обеспечивают худшее
подавление помех соседнего канала и этот показатель у них также не-
постоянен в различных каналах. Тюнер с двойным преобразованием
частоты имеет высокий коэффициент шума и высокий уровень фазово-
го шума. Он может обеспечить лучшее подавление соседнего канала, но
его коэффициент шума и степень подавления помех соседнего канала
также очень непостоянны на различных частотах.
Характеристика тюнера тесно связана с его ценой (определяется ма-
териалами, компонентами, частотным диапазоном и пр.). При совре-
менной технологии коэффициент шума дешевого потребительского тю-
нера с одним преобразованием частоты приблизительно равен 7 дБ,
тюнера с двойным преобразованием частоты — около 9 дБ. Коэффици-
ент шума тюнера влияет на характеристики системы только на краю
зоны охвата, где напряженность поля сигнала очень низкая и где нет
никаких помех совмещенного канала. Но эксплуатация в этих услови-
ях возможна только для очень небольшого процента от общего числа
приемников в зоне покрытия, так что в большинстве случаев зона ох-
вата ограничена действием помех [2].
15.2.16. Прием на комнатную антенну
Прием на комнатную антенну в системе ЦНТВ нуждается в допол-
нительных исследованиях. По этой проблеме нет каких-либо публика-
ций о результатах крупномасштабных полевых испытаний, что не по-
зволяет провести содержательное сравнение систем. В общем случае
сигнал, принятый на комнатную антенну, подвержен сильным искаже-
ниям от многолучевого распространения из-за отражений сигнала как
между внутренними стенами, так и от наружных конструкций. Пере-
мещение людей и даже домашних животных в комнате может значи-
тельно изменять распределение уровня сигнала комнатной антенны,
что вызывает перемещающееся эхо и изменение напряженности поля.
Напряженность поля сигнала и ее распределение связаны со многи-
446
15 Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания
ми факторами, такими как структура здания (бетон, кирпич, древеси-
на), наружная обшивка стен (алюминий, пластик, древесина), изоляци-
онный материал (с или без металлического покрытия) и материал окон
(тонированное, многослойное стекло) [2].
Измерения антенн комнатных приставок показали, что их усиление и
направленность сильно зависят от частоты и местоположения [27]. Для
V-образной вибраторной антенны типа "кроличьи уши" измеренный ко-
эффициент усиления находился приблизительно в диапазоне от -10 дБ
до -4 дБ. Для логарифмической антенны с пятью элементами коэффици-
ент усиления составил от -15 дБ до +3 дБ [27]. В условиях приема на
внутреннюю антенну часто наблюдается высокий уровень шумовой им-
пульсной помехи от электропроводки и домашних приборов.
15.2.17. Пересчет параметров систем для каналов с различными полосами частот
Система DVB-Т была первоначально разработана для каналов с по-
лосой 7 и 8 МГц. Изменяя частоту тактового сигнала базовой системы,
полоса частот излучаемого сигнала может быть подогнана для каналов
с полосами 6, 7 или 8 МГц. Масштабирование системы затрагивает
параметры таких устройств, как фильтр канала, блок ПЧ, и тактовый
синхрогенератор системы. Система ATSC была первоначально разра-
ботана для канала с полосой 6 МГц. Системы с каналами 7 и 8 МГц
могут быть получены так же, как и в системе DVB-Т, изменением так-
тового сигнала системы. Однако в системе ATSC имеется гребенчатый
фильтр для подавления помехи из совмещенного канала NTSC. Гребен-
чатый фильтр должен быть заменен, чтобы подходить для других от-
личающихся аналоговых ТВ систем. Использование гребенчатого филь-
тра в общем случае не обязательно и может не потребоваться, если
помеха совмещенного аналогового ТВ канала не является доминирую-
щим фактором. Например, некоторые страны могут внедрять цифро-
вое вещание в выделенных каналах, где отсутствуют помехи совмещен-
ного аналогового канала [2].
Использование во всех системах более узкополосного канала из-за
более низкой скорости передачи символов ведет соответственно к более
низкой скорости передачи данных. Однако в системах DVB-Т и ISDB-T
это также позволяет вводить увеличенный по длительности защитный
интервал, а в системе ATSC осуществлять продолжительную коррек-
цию эхо-сигналов. При масштабировании системы DVB-Т в канал 6 МГц
возникает один незначительный минус — он состоит в том, что в этом
случае малый разнос несущих может повысить чувствительность сис-
тем к фазовому шуму.
15.2.18. Параметры ввода в эксплуатацию систем ЦНТВ
Страны, которые приняли однотипную систему ЦНТВ, могут исполь-
зовать различные планы ее внедрения, шаблоны излучения и техни-
ческие параметры частотного планирования, в зависимости от их ре-
сурсов спектра и политики его регулирования, распределения населения,
качества обслуживания и т.д.
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ
447
Например, Канада приняла систему ATSC, но с техническими пока-
зателями внедрения ЦНТВ и шаблонами излучения, отличными от
принятых в США [16]. В качестве примера в табл. 15.4 приведены
технические параметры канадской [16], американской [10], европейс-
кой (EBU — Европейский радиовещательный союз) [12] и японской
[29] систем ЦНТВ, а именно, защитные отношения, используемые в пла-
нировании ЦНТВ. В канадском плане на подавление искажений из-за
многолучевого распространения выделяется большой запас отношения
С/N, равный 1,3 дБ, что подобно европейскому подходу, принятому EBU,
который в качестве параметра для планирования использует характери-
стику порогового отношения С/N для райсовского канала [12]. Так как
шум и помеха в совмещенном канале системы ЦНТВ являются аддитив-
ными, то общее значение отношения мощности несущей к сумме мощ-
ностей АБГШ и помехи совмещенного канала C/(N+I) = 16,5 дБ выде-
лялось как порог системы (в табл. 15.4 C/N = C/Icoch DTV = 19,5 дБ,
С/(А+1) = C/N + С'11со-ch dtv = 16,5 дБ). В табл. 15.4 используется также
канадский порог, равный 7,2 дБ, для помехи совмещенного канала от
аналогового сигнала NTSC в цифровой сигнал. Это позволяет системе
противостоять одновременно аддитивному шуму или помехе совмещен-
ного канала в системах ЦНТВ с относительной мощностью в 19,5 дБ.
Как показано в табл. 15.4, параметры отношения С/N для помехи из
соседнего канала ЦНТВ в общем случае совпадают с американскими [3].
Следует указать, что защитные отношения для помехи от цифровой
системы в аналоговую ТВ систему зависят от многих факторов, таких
как стандарт аналогового телевидения (NTSC, PAL или SECAM), поло-
са частот системы (6, 7, 8 МГц), метод субъективной оценки качества
изображения (оценка 3 по шкале МККР, порог заметности, непрерыв-
ная или тропосферная помеха).
Таблица 15.4. Защитные отношения для частотного планирования DTV
Параметры системы (Защитные отношения С/N для) Канада [16] США [10] EBU [3,12] (режим М3 МСЭ-Р) Япония *2> [29]
Канал с АБГШ + 19,5 дБ (16,5 дБ*1)) + 15,19 дБ + 19,3 дБ + 19,2 дБ
Совмещенный канал (ЦНТВ в аналоговое ТВ) +33,8 дБ +34,44 дБ +34-37 дБ +38,0дБ
Совмещенный канал (аналоговое ТВ в ЦНТВ) +7,2 дБ + 1,81 дБ +4,0дБ +4,0дБ
Совмещенный канал (ЦНТВ в ЦНТВ) + 19,5 дБ (16,5 дБ*1)) + 15,27 дБ +19,0дБ + 19 дБ
Нижний соседний канал (ЦНТВ в аналоговое ТВ) -16,0дБ -17,43 дБ -5--11 дБ *3> -6,0дБ
Верхний соседний канал (ЦНТВ в аналоговое ТВ) -12дБ -11,95 дБ -1 ~-10дБ*3) -5,0дБ
448
15 Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания..
Продолжение табл. 15.4
Нижний соседний канал (аналоговое ТВ в ЦНТВ) -48 дБ -47,33 дБ -34 ~ -37 дБ *3> -35 дБ
Верхний соседний канал (аналоговое ТВ в ЦНТВ) -49 дБ -48,71 дБ -38 ~ -36 дБ *3> -37 дБ
Нижний соседний канал (ЦНТВ в ЦНТВ) -27 дБ -28 дБ -ЗОдБ -28 дБ
Верхний соседний канал (ЦНТВ в ЦНТВ) -27 дБ -26 дБ -ЗОдБ -29 дБ
Примечания:
* 1) — канадский параметр, отношение C/(N+I) для шума плюс помеха совмещенного
канала ЦНТВ должно быть равно 16,5 дБ.
* 2) —система ISDB-T (6 МГц, 64-QAM, R=2/3) относительно аналоговой системы М/
NTSC.
* 3) — в зависимости от используемой аналоговой ТВ системы.
15.3. Результаты испытаний системы ISDB-T
Для определения характеристик помехоустойчивости вариантов сис-
темы передачи ISDB-T в каналах с помехами различной структуры
были проведены лабораторные испытания по определению зависимос-
ти коэффициента ошибок по битам от отношения несущая Длум (C/N).
Результаты измерения вероятности ошибки на входе декодера RS-кода,
полученные в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ),
показаны на рис. 15.1, 15.2 и 15.3 для ряда соотношений параметров
передачи [28, 29]. На тех же рисунках пунктиром показаны характе-
ристики, полученные путем компьютерного моделирования и соответ-
ствующие теоретическим значениям. Отметим, что энергетические по-
С/N дБ
Без кодирования
Скорость 1/2
Скорость 2/3
Скорость 3/4
Моделирование
Рис. 15.1. Вероятность ошибки на входе RS-декодера в зависимости от отношения
несущая/шум
(Режим 1, DQPSK, относительный защитный интервал 1/8; перемежения нет)
15.3. Результаты испытаний системы ISDB-T
449
Без
—♦— кодирования
—ф— Скорость 3/4
—— Скорость 5/6
—— Скорость 7/8
----- Моделирование
Рис. 15.2. Вероятность ошибки на входе RS-декодера в зависимости от отношения
несущая/шум
(Режим 1,64-QAM, относительный защитный интервал 1/8; перемежения нет.)
—♦— QPSK
—•— DQPSK
—▲— 16QAM
—— 64QAM
Моделирование
С/N, дБ
Рис. 15.3. Вероятность ошибки на входе RS-декодера в зависимости от отношения
несущая/шум
(Режим 1, скорость внутреннего кода 3/4; относительный защитный интервал 1/8;
перемежения нет.)
тери в реальной системе при вероятности ошибки, равной 2-104, со-
ставляют менее 1,0 дБ.
Измерения были сделаны в системе ISDB-T с полосой канала 6 МГц
при использовании режимов вещания с 13-ью сегментами и с одним. В
обоих случаях были получены одинаковые характеристики.
Результаты моделирования требуемого отношения С/N при вероят-
ности ошибки, равной 2-104, на входе RS-декодера показаны в
табл. 15.5.
450
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
Таблица 15.5. Результаты моделирования отношения C/N
Модуляция Скорость внутреннего сверточного кода
1/2 2/3 3/4 5/6 7/8
DQPSK 6,2 дБ 7,7 дБ 8,7 дБ 9,6 дБ 10,4 дБ
QPSK 4,9 дБ 6,6 дБ 7,5 дБ 8,5 дБ 9,1 дБ
16-QAM 11.5 дБ 13,5 дБ 14,6 дБ 15,6 дБ 16,2 дБ
64-QAM 16,5 дБ 18,7 дБ 20,1 дБ 21,3 дБ 22,0 дБ
15.4. Подходы к выбору стандарта системы цифрового
наземного ТВ вещания
Выбор подходящей национальной системы цифрового наземного ТВ
вещания является важным этапом перехода от аналогового к цифрово-
му вещанию. Этот процесс является предметом пристального внима-
ния МСЭ-Р, где разрабатываются подходы, формализующие и облегча-
ющие такой выбор. В качестве первого шага МСЭ-Р разработал
руководство по выбору стандарта национальной системы, основные мо-
менты которого заключаются в следующем [30].
Процесс выбора обычно носит итеративный характер и состоит из
трех фаз.
1. Начальная оценка, удовлетворяющая главным требованиям ве-
щателя, принимающего во внимание преобладающие техничес-
кие и законодательные обстоятельства.
2. Более детальная оценка "взвешенных" различий характеристик
систем.
3. Общая оценка коммерческих и эксплуатационных факторов, вли-
яющих на выбор системы.
Ниже приводится более полное описание этих трех фаз.
Начальная оценка. В качестве отправной точки при выборе сис-
тем ЦНТВ можно использовать данные табл. 15.6, с помощью кото-
рых определить, какая из систем лучше других удовлетворяет специ-
фическим требованиям вещателя.
Оценка взвешенных различий в характеристиках. После началь-
ной оценки, проведенной на основе табл. 15.6, потребуется этап выбора,
исходя из сравнительной оценки характеристик потенциально привлека-
тельной системы. Это означает, что должны иметься средства для иден-
тификации маленьких различий в характеристиках, являющихся пред-
метом сравнения и выбора. Ясно, что маленькое различие между
системами в критическом параметре, будет влиять на выбор больше, чем
большие различия в относительно менее важных критериях выбора.
Поэтому для второй фазы оценки системы рекомендуется следую-
щая методология.
15.4. Подходы к выбору стандарта системы цифрового наземного ТВ вещания
451
Таблица 15.6. Параметры для начального выбора системы
Учитываемые требования Подходящие системы
Максимальная скорость передачи данных в гауссовском канале для заданного порога отношения C/N Требуется А
Не требуется А, В или С
Максимальная устойчивость к помехам из- за многолучевости *1) Т ребуется В или С
Не требуется А, В или С
Построение одночастотных сетей (SFN) Т ребуется В или С
Не требуется А, В или С
Мобильный прием *1>2) Требуется В или С
Не требуется А, В или С
Одновременная передача различных уровней качества (иерархическая передача) Первоочередная важность С
Требуется В или С
Не требуется А, В или С
Независимое декодирование подблоков данных (например,чтобы облегчить звуковое радиовещание) Т ребуется С
Не требуется А, В или С
Максимальный охват центральным передатчиком при заданной мощности в гауссовском канале *3) Требуется А
Не требуется А, В или С
Максимальная устойчивость по отношению к импульсным помехам Требуется *4) А
Не требуется *5) А, В или С
Примечания:
*1 ) — обмен на частотную эффективность и другие параметры системы,
*2 ) — возможно, в этом режиме нельзя будет обеспечить прием ТВЧ.
*3 )— для всех систем в ситуациях, когда для покрытия теневых зон будут требоваться
ретрансляторы,
*4 ) — по сравнению с Системами В и С в режиме 2k,
*5 ) — первые результаты испытаний режима 8к в Австралии показали существенные
улучшения относительно режима 2к и наводят на мысль, что характеристики Систем
В и С в режиме 8k могут быть сопоставимы с характеристиками Системы А. Однако
для точного соотнесения характеристик Систем А, В и С требуются дальнейшие срав-
нительные испытания.
Шаг 1-й требует идентификации параметров характеристик, которые
являются существенными для администрации или вещателя, выбира-
ющих систему ЦНТВ. Эти параметры могли бы включать собственные
рабочие характеристики цифровой системы как таковой, ее совмести-
мость с существующими аналоговыми службами и необходимость вза-
имодействия с другими службами передачи изображений или служба-
ми вещания.
Шаг 2-й требует присвоения ''весов” параметрам в порядке их важнос-
ти или критичности к среде вещания, в которой должна быть внедрена
служба цифрового телевидения. Это взвешивание могло бы быть пред-
452
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
ставлено двумя простыми множителями, например, 1 для "нормально-
го" параметра и 2 для "важного" параметра.
Шаг 3-й включает в себя накопление данных результатов лаборатор-
ных и полевых испытаний, которые могут быть собраны непосредствен-
но сторонами, осуществляющими оценку, или получены от сторонних
организаций, проводивших такие испытания или оценки. Ожидается,
что в ближайшем будущем в МСЭ-Р будет подготовлен отчет, обеспечи-
вающий полные технические сведения о различных системах ЦНТВ.
Этот отчет может быть использован в ситуациях, когда адекватные
данные об испытатаниях 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 наилуч-
шим образом удовлетворяет требованиям. Некоторыми администраци-
ями была признана полезной табличная структура, которая использует
простую числовую оценку и шкалу взвешивания. Было принято как
данность, что все варианты выбора системы способны обеспечить жиз-
неспособную службу ЦНТВ. Следовательно, различия между система-
ми будут достаточно маленькие. Желательно избежать ненужного пре-
увеличения различий, но, в то же время, следует заботиться о том,
чтобы процесс выбора был адекватен потребностям создаваемой служ-
бы. Одним из путей достижения этих целей может быть применение
простой и компактной шкалы числовых рейтингов.
В табл. 15.7 и 15.8 приведены примеры таких шкал, которые могли
бы быть полезны при выборе системы ЦНТВ.
Таблица 15.7. Шкала числовых
рейтингов
Характеристика Рейтинг
Удовлетворительная 1
Хорошая 2
Отличная 3
Таблица 15.8. Шкала весовых оценок
Важность Вес
Нормально 1
Существенно 2
Критично 3
По этой шкале нулевое значение (0) присваивается системе ЦНТВ,
которая не обеспечивает удовлетворительной характеристики в отно-
шении заданного параметра или параметров, которые не могут быть
оцененными.
В качестве примера табличной структуры, которую можно исполь-
зовать для заполнения при проведении сравнительной оценки различ-
ных систем ЦНТВ, приведена табл. 15.9.
Оценка коммерческих и эксплуатационных аспектов. Заклю-
чительная фаза выбора системы — оценка коммерческих и эксплуата-
ционных аспектов, призванная установить, какая из систем является
действительно лучшей. Такая оценка примет во внимание требуемые
сроки внедрения, цену и доступность оборудования, взаимодействие в
рамках общего развития средств радиовещания и т.д.
15.5. Сводная таблица параметров европейских систем цифрового вещания
453
Таблица 15.9. Форма для сравнительной оценки различных систем
№ Критерий Характеристика системы в е с Оценка системы
А В С А В С
1. Харакгеристики переданных сигналов
а Помехоустойчивость сигнала
Устойчивость к электрической помехе
Эффективность передачи сигнала
Эффективная зона охвата
Прием на комнатную антенну
Характеристика для соседнего канала
Характеристика для совмещенного канала
b Устойчивость к искажениям
Устойчивость к многолучевости
Прием на подвижные средства
Прием на носимые средства
Совместимый приемник. В случаях, когда необходимо принимать
сигналы разных систем с более чем одним видом модуляции, необходи-
мы совместимые приемники. Принимая во внимание прогресс цифро-
вых технологий, цена таких приемников не должна быть значительно
больше цены приемников с одной системой модуляции, но преимуще-
ства таких приемников могут быть весомы. Для пользователя и веща-
теля они могут открыть путь к дополнительным привлекательным
возможностям и службам. В этом направлении ведутся интенсивные
исследования.
15.5. Сводная таблица параметров европейских систем
цифрового вещания
Под эгидой консорциума Проект DVB были разработаны стандарты
на семейство совместимых систем цифрового вещания различного на-
значения и для различных сред передачи. Особенности построения и
основные параметры этих систем были рассмотрены в гл. 11-14. Вмес-
те с тем представляется целесообразным свести воедино сведения, ха-
рактеризующие структуру и специфику использования систем цифро-
вого вещания. Это позволит более отчетливо выявить сходство и
различия конкретных систем. Данные, приведенные в табл. 15.10, взя-
ты из соответствующих европейских стандартов, номера которых ука-
заны в отдельном столбце.
Таблица 15.10. Сводная таблица параметров европейских систем цифрового вещания
Назначение системы Обозначение системы Европейский стандарт Диапазон частот Состав подсистемы адаптации к каналу Вид модуляции Полезная скорость данных, Мбит/с Требуемое отношение сигнал/шум, ДБ
скремб- лер внешний RS-кодер внешний переме- житель внутрен- ний кодер внутренний перемежи- тель
Наземное вещание DVB-T EN 300 744 4 470-862 МГц + + + + + OFDM/QPSK OFDM/16-QAM OFDM/64-QAM 4,98-31,67'1) 3,1-20,1 (С/N) *1>2>
Спутниковое вещание DVB-S EN 300 421 11/12 ГГц + + + + - QPSK 18,7-68,0 23,7-41,6 *3> 4,1-8,4 (С/N) '3>
Вещание по кабелю DVB-C EN 300 429 40-862 МГц + + + - - 16-QAM 32-QAM 64-QAM 128-QAM 256-QAM 25,2 - 38,1 *1>
454 15 Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания...
Коллективная антенна SMATV А DVB-CS EN 300 473 40-862 МГц + + + - - QPSK-» 16-QAM 32-QAM 64-QAM 18,9-38,1
Коллективная антенна SMATV-B DVB-CS EN 300 473 950-2050 МГц (IF) 230-470 МГц (S) + + + - - QPSK 18,7-68,0
Спутниковый сбор новостей DVB-DSNG EN 301 210 11/12 ГГц + + + + - QPSK 8-PSK 16-QAM 1,0-172,0 22,5-78,8 '3> 5,5 (QPSK3/4)*4» 6,9 (8PSK2/3) '4>
Распредели- тельная (MMDS) DVB-MC EN 300 749 2,5 ГГц + + + - - 16-QAM 32-QAM 64-QAM 25,2-38,1 ’1>
Распредели- тельная (MVDS) DVB-MS EN 300 748 40 5-42,5 ГГц + + + + - QPSK 18 7 - 68 0 23,8 - 41,6 *3> 4,1-8 4 {C/N) *3> 4,5-6,4 (E//Vo)
Примечания:
* 1) — в канале с полосой 8 МГц;
* 2) — для канала с АБГШ1
* 3) — в канале с полосой 33 МГц;
* 4) — в канале с полосой 36 МГц.
15.5. Сводная таблица параметров европейских систем цифрового вещания 455
456
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрового ТВ вещания..
Список литературы
1. Zou W.Y., Wu Y. COFDM: An overview. — IEEE Trans, on
Broadcasting. March 1995. Vol. 41. № 1.
2. ITU-R. Delayed Contribution, Document 11A/65-E, 11 May 1999.
Special Rapporteur’s Group. Guide for the Use of Digital Television
Terrestrial Broadcasting Systems Based on Performance Comparison
of ATSC 8-VSB and DVB-T COFDM Transmission Systems.
3. ITU-R. Document 11A/120-E, 11 February. 2000. — Special
Rapporteur’s Group. — Performance Comparison of Digital Television
Terrestrial Broadcasting Systems Based on the ATSC 8-VSB, DVB-T
COFDM and ISDB-T BST-OFDM Transmission Systems.
4. Chini A., Wu Y., El-Tanany M., and Mahmoud S. Hardware non-
linearities in digital TV broadcasting using OFDM modulation. IEEE
Trans. Broadcasting. March 1998. Vol. 44. № 1.
5. Performance Evaluation Tests of DTTB. Field Trial Data and Analysis.
— FACTS Summary Report for the Australian Field Trials of DVB-T
and ATSC DTTB systems conducted in 1997. FACTS. 25 July 1998.
6. DVB Comments on Australian Lab Tests and Field trial results
(31.03.1998). — Annex E to Report of the DTTB Selection Panel.
FACTS. 1988.
7. Comments on the Report of the Australian DTTB Selection Panel.
ATSC. 1998. September 26.
8. Jacklin M., MacAvock P., Oliphant A. Facts about DVB-T. —
DVB comments on the DVB-T Digital Terrestrial Broadcasting
Standard. — DVB Project Office — Geneva, Switzerland — March
1999.
9. Wu Y., Guillet M., Ledoux B. and Caron B. Results of laboratory
and field tests of a COFDM modem for ATV transmission over 6 MHz
Channels. — SMPTE Journal, February. 1998, Vol. 107.
10. ATTC. Digital HDTV Grand Alliance System Record of Test Results.
Advanced Television Test Centre, Alexandria, Virginia. October
1995.
11. Salter J. E. Noise in a DVB-T system. — BBC R&D Technical Note,
R&D 0873(98). February 1998.
12. ITU-R SG 11/ Special Rapporteur — Region 1. Protection ratios and
reference receivers for DTTB frequency planning. ITU-R Doc. 11C/46-
E/.18 March 1999.
13. Morello A., et. al. Performance assessment of a DVB-T television
system. — Proceedings of the International Television Symposium 1997,
Montreux, Switzerland. June 1997.
14. Pickford N. Laboratory testing of DTTB modulation systems. —
Laboratory Report 98/01. — Australia Department of Communications
and Arts. June 1998.
15. European Standard EN 300 744. "Digital Video broadcasting data
Список литературы
457
services; framing structure, channel coding and modulation for digital
terrestrial television", ETS 800 744. 1997.
16. Wu Y., et. al. Canadian digital terrestrial television system technical
parameters. — IEEE Trans, on Broadcasting. December 1999. Vol. 45.
№. 4.
17. ATSC. ATSC Digital Television Standard. — ATSC Doc. A/58, March
2000.
18. Ghosh M. Blind decision feedback equalization for terrestrial television
receivers. — Proceedings of the IEEE, October. 1998, Vol. 86. № 10.
19. Sgrignoli G., Bretl W. and Citta R. VSB modulation used for
Terrestrial and cable broadcasts // IEEE Trans, on Consumer
Electronics. August 1995. Vol. 41. № 8.
20. Results of initial performance tests with the LSI Logic L64780 DVB-T
COFDM demodulator chip. — BBC R&D,
http://www.bbc.co.uk/rd/projects/chipset/164780.html.
21. Stott J. H. Explaining some of the magic of COFDM. — Proceedings
of the International TV Symposium 1997. Montreux Switzerland. June
1997.
22. Mignone V. and Morello A. CD8-OFDM: A novel demodulation scheme
for fixed and mobile receivers. — IEEE Trans. Communs. September
1996. Vol. 44.
28. Ligeti A. and Zander J. Minimal cost coverage planning for single
frequency networks//lEEE Trans. Broadcasting. March 1999. Vol. 45.
№. 1.
24. Husak W., et. al. On-channel repeater for digital television implementation
and field testing. — Proceedings 1999 Broadcast Engineering Conference,
NAB’99, Las Vegas. 1999. April 17-22.
25. Wu Y. and El-Tanany M. OFDM system performance under phase
noise distortion and frequency selective channels. — Proceedings of Int’l
Workshop of HDTV 1997, Montreux Switzerland. 1997. June 10-11.
26. Muschallik C. Influence of RF oscillators on an OFDM signal. —
IEEE Trans. Consumer Electronics. August 1995. Vol. 41. № 8.
27. Joint ERC/EBU. Planning and introduction of terrestrial digital
television (DVB-T) in Europe. — Izmir. December 1997.
28. ITU-R. Japan. Transmission Performance of ISDB-T. — Doc. 11А/
69-E. 17 May 1999.
29. Nakahara S., Okano M., Kurakake T., Ishida M. Experimental
results for protection ratios of analog television signal interfered with
by digital terrestrial television signal. — ITE Technical Report. Vol.
28. № 7. January 1999.
30. ITU-R. Recommendation ITU-R ВТ. 1306-1. Error-Correction, Data
Framing, Modulation and Emission Methods for Digital Terrestrial
Television Broadcasting. — ITU-R Recommendations. — ВТ Series.
Broadeasting Service (Television).
16. Планирование и стратегия внедрения систем
цифрового наземного ТВ вещания
16.1. Эксплуатационные требования к системам ЦНТВ
При планировании и внедрении систем цифрового наземного ТВ ве-
щания необходимо учитывать различия стандартов разложения изоб-
ражения и полос частот радиоканалов 6, 7 и 8 МГц, существующих в
разных странах мира, а также необходимость одновременной эксплуа-
тации аналоговых и цифровых систем в переходный период [1]. Мето-
ды модуляции и мощность передатчика (физический уровень) необхо-
димо выбирать с учетом параметров приемника, зоны обслуживания,
защитных отношений и готовности службы.
В рекомендациях, разработанных ЦГ 11/3 МСЭ-Р, рассмотрены две
основные разновидности систем ЦНТВ: с использованием схем модуля-
ции с одной несущей и с множеством несущих. При выработке эксплу-
атационных требований при внедрении систем ЦНТВ [2] учитываются
следующие аспекты:
зона приема системы;
качество изображения и звука с возможностью его улучшения в
будущем;
характеристики антенны приемника и тюнера;
возможность приема на переносную аппаратуру;
возможность приема на подвижную аппаратуру;
возможность обновления технических средств;
должна ли система ЦНТВ использовать спектр с совместно суще-
ствующими аналоговыми стандартными телевизионными систе-
мами или для нее выделяется новый частотный спектр;
возможность расширения в переходном периоде полос частот для
ЦНТВ за счет постепенно выводимых из эксплуатации аналого-
вых средств (смежные или отдельные каналы);
возможность работы на базе местных (региональных) одночас-
тотных сетей, а также расширителей зоны приема данного кана-
ла;
возможность ввода в действие ЦНТВ систем в выделенных диа-
пазонах частот за счет эффективного использования запрещен-
ных в настоящее время (табу) каналов;
возможность предоставления разнообразных дополнительных ус-
луг (данных, мультимедиа, компьютерное ТВ, интерактивные и
другие службы).
16.2. Гармонизация систем цифрового наземного ТВ вещания...
459
16.2. Гармонизация систем цифрового наземного ТВ вещания с
аналоговыми системами вещания
Для целей наземного ТВ вещания МСЭ-Р регламентировал три но-
минальные полосы частот телевизионных каналов: 6 МГц для систем
М и N (стандарты NTSC и PAL), 7 МГц для системы В (стандарты PAL
и SECAM) и 8 МГц для систем G, Н, I, D, К, К1 и L (стандарты SECAM
и PAL), [3]. Для систем наземного телевизионного вещания выделены
частотные диапазоны 8 (ОВЧ) и 9 (УВЧ). В диапазоне ОВЧ каналы с
полосой 6 МГц приняты в 25 странах (13% общего числа стран или
географических районов), каналы с полосой 7 МГц — в 68 странах
(36%) и каналы с полосой 8 МГц — в 95 странах (51%). В диапазоне
УВЧ каналы с полосой 6 МГц применяются в 14 странах (12%), кана-
лы с полосой 7 МГц — в 6 странах (5%) и каналы с полосой 8 МГц — в
95 странах (83%). Одной из задач Целевой группы 11/3 была оценка
возможности разработки принципов построения единого стандарта, ко-
торый мог бы использоваться применительно к стандартным каналам.
Эта концепция получила название "HDTV-6-7-8" [4, 5].
Концепция HDTV-6-7-8 основывалась на предположении, что разли-
чие полос частот 6, 7 и 8 МГц может привести к появлению трех само-
стоятельных вариантов цифровых систем, в каждой из которых ис-
пользуется вся полоса частот соответствующего канала. Предполагалось
также, что вариант с 6 МГц обладает потенциалом, достаточным для
обеспечения высокого качества изображений. Расширение полосы час-
тот на 1 или 2 МГц можно использовать для передачи дополнительных
звуковых сигналов и данных. В связи с этим была отмечена возмож-
ность выбрать систему для наземных телевизионных передающих трак-
тов и кабельного телевидения с полосой частот 6 МГц.
Применение технологии сжатия цифрового сигнала для кодирова-
ния стандартных телевизионных сигналов позволяет адаптировать мно-
гопрограммную передачу к существующим каналам с полосой частот 6;
7 или 8 МГц (концепция многопрограммного телевидения MPTV-6-7-8)
[6]. Цифровые телевизионные системы со сжатием предполагают в пер-
спективе коренное повышение качества услуг в связи с заметным
улучшением использования спектра по сравнению с аналоговыми ме-
тодами передачи. Одна из возможностей такого повышения — переда-
ча потока битов при цифровом наземном или спутниковом вещании
для доставки пользователям определенного числа стандартных телеви-
зионных программ с цифровым сжатием вместо одной программы стан-
дартного телевидения — телевидения повышенного качества или высо-
кой четкости. Эти цифровые сжатые телевизионные сигналы будут
дополняться цифровым высококачественным звуковым сопровождени-
ем, информацией, кодированной для обеспечения ограниченного (ус-
ловного) доступа, и каналами служебных данных. Приведенный же метод
можно применить также для передачи многопрограммных сигналов
или стереоскопического телевидения с помощью существующих циф-
ровых спутниковых или наземных линий либо сетей кабельного теле-
видения.
460
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
В Проекте DVB особое внимание уделяется разработке архитектуры
цифровых систем, которая была бы применима как в системах телеви-
дения высокой четкости (ТВЧ), так и в стандартных телевизионных
системах, и обеспечивала сопряжение средств наземного вещания, ка-
бельных и спутниковых трактов. Исследования в рамках Проекта DVB
позволили разработать семейство интегральных Европейских телеком-
муникационных стандартов, относящихся к цифровым системам ве-
щания [7], кабельным [8] и спутниковым системам [9,10]. Подход DVB
обеспечивает гармонизацию систем путем использования унифициро-
ванного — единого метода кодирования источников изображения и звука
и унифицированных, единых методов мультиплексирования и транс-
портировки сигналов. Эта унификация транспортного потока данных
достигается с помощью цикловой структуры, защиты от ошибок и ме-
тодов модуляции, соответствующих среде распределения. Общий транс-
портный поток рассматривается как "контейнер" и обеспечивает вза-
имный обмен сигналами между различными средами доставки. Это
позволяет получить после демодуляции в приемнике объединенный по-
ток данных, упрощающий построение приемных устройств. Исследо-
вания Рабочей группы 10-11S МСЭ-Р позволили одобрить метод кон-
тейнера и предложить применять во всех средах такие же методы
цикловой структуры, синхронизации, рандомизации, внутреннего и
внешнего кодирования и интерливинга [11].
16.3. Зона действия системы ЦНТВ
В большинстве первоначальных планов внедрения систем ЦНТВ,
ориентированных на одночастотные сети (SFN), предполагалось, что
цифровые передатчики будут расположены в том же месте (или очень
близко) что и существующие аналоговые передатчики. Это позволяло
использовать методы частотного планирования, подобные тем, что при-
меняются в аналоговых системах. Планирование учитывало, что неко-
торые факторы, такие как минимальная напряженность поля и защит-
ные отношения, имеют различные значения для систем ЦНТВ с одной
и множеством несущих.
Преимущество обычного подхода к планированию в том, что боль-
шая часть существующей инфраструктуры аналоговой сети может быть
повторно использована там, где хорошо известны характеристики вза-
имных помех. Использование методов SFN для обеспечения станций
перекрытия теневых зон или ретрансляционных станций цифровой
службы также может внести существенный вклад в оптимизацию по-
крытия. "Провалы" в диаграмме направленности цифрового передат-
чика можно использовать, чтобы минимизировать помеху в выбран-
ных направлениях. Комбинируя использование провалов в диаграмме
направленности, учитывая характеристики помех от цифрового сигна-
ла, которые похожи на белый шум, и используя повышенные уровни
мощности, можно осуществить планирование цифровой системы,
обеспечивающей предельное увеличение зоны действия, предусмотрен-
ной ранее.
16.3. Зона действия системы ЦНТВ
461
Например, планирование цифровых систем в странах Северной Аме-
рики основано на нижеприведенных принципах [12].
Система ЦНТВ должна быть приспособлена к каналам с полосой
частот 6 МГц в диапазонах ОВЧ и УВЧ, используемых для стан-
дартного телевидения.
Выделения-присвоения частот для ЦНТВ должны быть объеди-
нены с существующими выделениями-присвоениями для систе-
мы цветного телевидения NTSC. Канал ЦНТВ должен быть со-
гласован с каждым из существующих частотных присвоений в
диапазонах ОВЧ и УВЧ.
План присвоений частот для ЦНТВ должен, по возможности,
учитывать существующие местоположения передатчиков.
План присвоений частот для ЦНТВ должен обеспечивать для су-
ществующей аналоговой передающей ТВ станции зону обслужи-
вания, сопоставимую с зоной обслуживания при работе двух стан-
ций по совмещенному каналу.
План присвоений частот должен быть основан на минимальных
расстояниях между станциями в совмещенном канале, с учетом
ограничений, обусловленных соседними каналами.
Оптимизированные алгоритмы подбора пар станций использу-
ются для объединения присвоений частот стандартным аналого-
вым системам и системам ЦНТВ.
Спектр ОВЧ/УВЧ, не используемый в существующих планах ча-
стотных присвоений аналоговым системам из-за необходимости
выполнения жестких требований к допустимому уровню интер-
ференционных помех, можно использовать для передачи сигна-
лов ЦНТВ.
Цель плана ЦНТВ состоит в минимизации помехи от станции
ЦНТВ как в стандартной зоне обслуживания, так и в зоне обслу-
живания других систем ЦНТВ (уровень предполагаемой помехи
не должен превышать того, который считается приемлемым для
стандартных аналоговых телевизионных станций).
Для определения частоты и границы зоны, пригодных для раз-
работки плана ЦНТВ, должны быть зафиксированы сведения о
частотных присвоениях аналоговому телевидению.
Для полной адаптации всех существующих вещательных стан-
ций к условиям ЦНТВ должны быть использованы свободные
присвоения в пределах выделенной полосы частот.
При определении зоны обслуживания должны учитываться ха-
рактеристики типичной приемной системы ЦНТВ. Эти характе-
ристики включают параметры антенны, такие как полное усиле-
ние и коэффициент защитного действия, а также системные
параметры потенциально возможной избирательности тюнера-
декодера.
462
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
Перечисленные общие принципы могут быть основой разработки
любого регионального плана присвоений частот для ЦНТВ. Цель —
обеспечить систему ЦНТВ зоной покрытия такой же как и зоны дей-
ствия существующих систем аналогового телевидения. Выбор зоны осу-
ществляется с помощью алгоритмов оптимизации, позволяющих опре-
делить наилучшее сочетание каналов в наихудших условиях, т.е. на
границах зоны.
16.4. Частотное разделение каналов
Наиболее важный фактор, который следует учитывать при планиро-
вании системы ЦНТВ, — это прежде всего возможность совместной и
одновременной работы системы ЦНТВ со стандартными аналоговыми
вещательными системами. В некоторых странах ощущается недоста-
ток частотного спектра, пригодного для полномасштабного разверты-
вания службы ЦНТВ.
Одной из систем ЦНТВ, рассмотренных при работе ЦГ 11/3, являет-
ся система передачи с сегментированием полосы частот ISDB-T (схема
модуляции BST-OFDM, рассмотренная в гл. 12). В системе предусмат-
ривается деление полосы 6, 7 или 8 МГц на частотные сегменты, число
которых зависит от требуемой пропускной способности. В качестве ме-
тодов модуляции несущей были выбраны DQPSK и QAM. Система по-
зволяет выделить каждому сегменту индивидуальный набор парамет-
ров, включая вид системы, метод модуляции, механизм перемежения
и методы исправления ошибок. Система BST-OFDM разработана так,
чтобы быть частотно расширяемой путем увеличения числа сегментов
и обеспечивать прием всех передаваемых сигналов на интегрирован-
ный приемник с одним преобразователем БПФ большого объема.
Система ЦНТВ может работать в режиме совместного использова-
ния частотного спектра с существующей аналоговой системой вещания
или для нее должен выделяться "свободный” доступный спектр. При
совместном использовании спектра мощность передачи и зона действия
цифровой системы ограничены интерференционными помехами между
цифровым и аналоговым радиовещанием. В связи с этим для обеспече-
ния заданной зоны покрытия приходится уменьшать скорость переда-
чи информации. Во многих странах Районов 1 и 3 загруженность су-
ществующих полос передачи имеет тенденцию к уменьшению
пропускной способности и уровней мощности, допустимых для цифро-
вых систем. Это ограничивает зону действия, качество изображения
или число каналов, которые можно использовать для цифровых сис-
тем.
Если выделить спектр только для цифрового вещания, то характе-
ристики цифровых систем будут существенно улучшены и обеспечат
более высокое качество изображения и большее число ТВ каналов. Од-
нако возможны ограничения из-за помех пограничного характера, ког-
да в одной стране спектр используется лишь для цифрового радиове-
щания, а в другой — для аналоговых служб. В таких случаях может
16.5 Качество обслуживания
463
потребоваться новый частотной план. По сравнению с системой с раз-
делением спектра для цифрового радиовещания, основанного на сво-
бодном спектре, потребуется намного большее время внедрения (этот
большой период необходим для ликвидации существующего аналого-
вого радиовещания).
16.5. Качество обслуживания
Некоторые системы ЦНТВ обеспечивают только один уровень каче-
ства изображения и звука, в то время как другие направлены на фор-
мирование иерархических сигналов, обеспечивающих различные уров-
ни качества изображения, соответствующего ТВЧ, стандартному
телевидению, телевидению пониженного качества или различной поме-
хоустойчивости в зависимости от условий приема. Все эти уровни каче-
ства можно реализовать с помощью одного и того же сигнала вещания,
принимаемого приемниками различных типов (стационарными, под-
вижными, портативными и т.п.).
Некоторые решения ориентируются на многопрограммную переда-
чу, при которой канал может использоваться для переноса комбина-
ции сигналов различных уровней (одного сигнала ТВЧ, сигналов стан-
дартного телевидения нескольких или большого числа сигналов
телевидения пониженного качества) одновременно либо в разное вре-
мя. В ряде предложений реконфигурирование предусматривается для
того, чтобы спустя некоторое время после начала действия цифровой
службы обеспечить переход от соответствующей цифровой системы к
системе ТВЧ.
Другие решения обеспечивают преимущества наземного цифрового
вещания в сравнении с альтернативными спутниковыми или кабель-
ными системами, особенно, в портативности или местном вещании. Для
уменьшения расходов пользователей в некоторых случаях можно ис-
пользовать мачты существующих передатчиков. Это сокращает началь-
ные затраты и позволяет принимать сигналы цифровой системы на
обычные аналоговые антенны.
Если частотный спектр используется цифровым вещанием совмест-
но с существующими аналоговыми ТВ системами, то возникает задача
согласования зон действия аналоговых и цифровых систем с защитой
действующей аналоговой системы от помех. В этом случае зона дей-
ствия цифровой системы может быть сокращена, возможно до разме-
ров, в пределах которых будет охвачено только 70-80% населения.
Основной вопрос в том, должны ли цифровые каналы использоваться
для одновременной передачи нескольких аналоговых программ повы-
шенного качества или для передачи отдельных программ.
Важное значение имеет выбор методов модуляции, способных про-
тивостоять искажениям из-за многолучевого распространения. В сис-
темах с одиночной несущей обычно применяют схемы адаптивной кор-
рекции, в то время как в системах OFDM в дополнение к более длинному
периоду символов, улучшающему помехоустойчивость, используют за-
464
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
щитный интервал, снижающий при демодуляции воздействие многолу-
чевости. Там, где позволяют инфраструктура вещания и методы моду-
ляции, потенциальное преимущество в оптимизации использования
спектра имеет одночастотная сеть.
Системы с многоуровневой модуляцией могут повысить помехоус-
тойчивость важных компонентов сигнала за счет применения симво-
лов с различной энергией. Альтернативный подход состоит в применении
к различным частям сигнала различных уровней защиты от ошибок.
Комбинированные методы типа модуляции с решетчатым кодированием
могут обеспечивать очень высокий уровень помехоустойчивости сигнала.
16.6. Требования к помехоустойчивости систем ЦНТВ
Очень важно, что новые цифровые службы обеспечивают надежную
передачу и что интересы зрителей не страдают из-за непредсказуемых
потерь качества обслуживания вследствие изменений условий распрос-
транения, связанных со временем или местной топографией. Полагая,
что системы ЦНТВ будут использовать один и тот же диапазон частот
совместно с существующими аналоговыми системами, необходимо ог-
раничить мощность, излучаемую новыми цифровыми системами с це-
лью предотвращения интерференционных помех для существующих
систем NTSC, PAL, SEC AM. Это создает тяжелую помеховую обстанов-
ку для новой цифровой системы, и любой цифровой сигнал должен
быть очень устойчивым по отношению к помехам от передатчика в со-
вмещенном канале. Другими факторами, влияющими на уровень радио-
частотного сигнала на антенном входе приемника, являются многолуче-
вость, помехи по совмещенному и смежным каналам и промышленные
помехи. Эти факторы изменяются в зависимости от местоположения
точки приема и от времени и не могут быть точно предсказаны даже
для стационарного приемника. Наиболее трудно обеспечить прием сиг-
налов ЦНТВ на портативные приемники в жилых помещениях. Уро-
вень радиочастотного сигнала на входе портативного приемника более
изменчив и менее предсказуем, чем для стационарного приемника.
При проектировании цифровой системы для работы в указанных
ранее условиях, важно ясно представлять тракт прохождения сигна-
лов, включая кодирование источника, мультиплексирование и модуля-
цию. Между этими процессами существуют прочные зависимости, и
поставленная цель создания достаточно эффективной и надежной сис-
темы ЦНТВ требует интегрального подхода. Комбинация неблагопри-
ятных условий приема и пороговых свойств большинства цифровых
систем передачи предъявляет особые требования к частотному плани-
рованию. Необходимо обеспечить надежную защиту от интерференци-
онных помех большинства пунктов приема, и минимальный уровень
сигнала в течение длительного времени. При сопоставлении результа-
тов исследований следует учитывать различие подходов к определению
зон покрытия в разных странах.
16.7. Методы частотного планирования систем ЦНТВ
465
16.7. Методы частотного планирования систем ЦНТВ
В большинстве исследований цифрового наземного телевидения в
диапазоне УВЧ используются методы предсказания напряженности
поля, учитывающие только одно лучевой прием. Методы основываются
на Рекомендации 370 МСЭ-Р или на модели распространения радио-
волн над местностью. Отраженные сигналы могут быть приняты во
внимание или не учитываться. Для предсказания напряженности поля
выполняют большое число выборочных измерений в узких полосах
частот и моделируют физическое распространение радиоволн, учиты-
вая дифракцию, затухание и т.д. При этом нельзя точно предсказать
когерентные эффекты, подобные селективному замиранию. Отметим,
что напряженность поля в каждой точке приема зависит от некоторого
времени и статистики местных условий.
Планирование для систем как с OFDM, так и с одиночной несущей
отличается от обычных методов аналогового планирования. Необходи-
мость сосуществования в течение переходного периода и использова-
ния одних и тех же полос частот, выделенных для стандартного анало-
гового телевидения, требует объединения существующих методов и
критериев с новой информацией, соответствующей службам цифрово-
го телевидения.
Характерные особенности цифровых систем — пороговое ухудшение
или потеря изображения — резко контрастируют с постепенным ухуд-
шением качества изображения в аналоговых системах. Поэтому при
проектировании цифровых систем требуются более точные методы пла-
нирования. Модели распространения радиоволн должны учитывать
данные о местности (ее рельефе, растительности, деревьях, зданиях и
т.д.). Требуются также уточненные статистические сведения о местопо-
ложении приемников и времени вещания.
Задачей проектирования систем с OFDM является обеспечение ус-
тойчивого приема сигналов в условиях многолучевости и работы мно-
гих передатчиков. При этом учитывается зависимость потенциальной
интерференции OFDM сигналов в совмещенном канале от временных
различий всех сигналов, доставленных к месту установки приемника.
Эти сигналы могут искажаться из-за работы нескольких синхронизи-
рованных передатчиков в одночастотной сети или под влиянием много-
лучевых (т.е. отраженных) сигналов одного и того же передатчика.
16.8. Планирование сетей ЦНТВ, интегрированных в сети
аналогового ТВ вещания
В Великобритании введение крупномасштабных служб цифрового
наземного телевидения началось в 1997 г. Технические стандарты от-
вечают спецификациям DVB. Техническим стандартам DVB также со-
ответствуют Рекомендации МСЭ-Р по ЦНТВ, разработанные Целевой
группой 11/3.
Существующий в Швеции План предусматривает четыре аналого-
вых канала в диапазоне УВЧ. Он составляет основу всестороннего пла-
466
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
на, который включает каналы цифровых служб. Каналы с номерами
выше 60, 36 и 38 для цифровых сетей не используются. Из-за высоко-
го уровня интерференции от аналоговых передатчиков, предсказанная
зона покрытия в большей мере ограничена действием помех, нежели
шумом (ограничена предполагаемым значением напряженности поля).
В Швеции исследования по планированию сетей цифрового телевиде-
ния показывают, что к аналоговым сетям можно добавить, по крайней
мере, одну новую цифровую сеть с четырьмя программами SDTV [13].
Во Франции были измерены защитные отношения для стандарта
L-SECAM с системой COFDM (STERNE 1) в качестве источника по-
мехи. Они использовались для оценки различных сценариев охвата
населения цифровым ТВ. В одном из сценариев предполагалось ис-
пользование существующей передающей сети без каких-либо изме-
нений частот передатчиков. Другой сценарий предусматривал измене-
ние частот передатчиков и закрытие некоторых маломощных станций
[14].
В Канаде в ходе предварительного исследования проблем реализа-
ции системы с одиночной несущей моделировался случай предоставле-
ния услуг цифрового телевидения с помощью УВЧ канала, эквивалент-
ного каналу 4 для обслуживания действующей ОВЧ станции. Для
обеспечения реального покрытия 90% территории в течение 95% вре-
мени в процессе исследований использовалась компьютерная програм-
ма прогнозирования зоны покрытия, которая включала топографичес-
кую базу данных [15].
В качестве типичного примера приема телевизионных программ в
диапазоне ОВЧ может рассматриваться городская зона среднего разме-
ра. В других столичных зонах ожидаются похожие ситуации. В неко-
торых местностях, в частности, в горных районах ожидаются большие
проблемы, связанные с обеспечением хорошей зоны покрытия. Таким
образом, если для службы цифрового телевидения необходимо покры-
тие порядка 90% и это сочетается с желанием дублировать в диапазоне
ОВЧ существующую зону покрытия NTSC, то использование одного
передатчика, обеспечивающего в диапазоне УВЧ зону покрытия 90%,
может потребовать очень высоких уровней излучаемой мощности. Раз-
работка планирования и исследование альтернативных подходов к мето-
дам модуляции и излучения, оптимизирующих условия и возможности
реализации службы цифрового телевидения, нуждаются в дальнейшем
изучении.
16.9. Одночастотные сети на базе систем с OFDM
В одночастотной сети свойства системы ЦНТВ зависят от требуемо-
го отношения несущая/шум (C/7V), длительностей символа и защитно-
го интервала. Скорость передачи данных, которая может быть уста-
новлена при эксплуатации, связана с достижимым отношением С/N и
длительностью защитного интервала. Защитный интервал должен быть
небольшим для экономичного использования пропускной способности
канала.
16.10. Планирование региональной сети ЦНТВ
467
Приемная антенна для системы ЦНТВ с модуляцией OFDM может
быть направленной или ненаправленной. В частях зоны обслуживания
с низкой плотностью населения, могут быть использованы направлен-
ные антенны.
В условиях одночастотных сетей с OFDM некоторые приемники мо-
гут получать несколько сигналов от различных передатчиков (актив-
ное эхо) либо в условиях многолучевого приема. Это ведет к двум эф-
фектам. Во-первых, к потере ортогональности между модулированными
несущими, что вызывает межсимвольные искажения, и, во-вторых, к
частотным селективным замираниям.
Первый механизм устраняется полностью, если активное эхо короче
длительности защитного интервала. Если эхо не превышает время,
выделенное для защитного интервала, приемник всегда может найти
окно, в котором не происходят никакие переходные процессы в симво-
лах, что гарантирует ортогональность между принятыми несущими.
Когда задержка эхосигнала превышает длительность защитного ин-
тервала, эффект межсимвольных искажений увеличивается по сравне-
нию с длительностью символа. Когда задержка эхосигнала превышает
результирующую длительность символа (длительность защитного ин-
тервала плюс длительность символа), эхо добавляется к сигналу и ис-
кажает его.
Вторым механизмом является селективное частотное замирание, при
котором эхо-сигналы добавляют мощность в большей степени конст-
руктивно, нежели разрушительно. Степень увеличения результирую-
щего коэффициента усиления системы за счет конструктивного добав-
ления мощности зависит от оценки канала и выбора методов прямого
исправления ошибок в системе. Для систем, использующих код со ско-
ростью 1/2, селективное замирание может быть положительным фак-
тором. Для систем цифрового телевидения, использующих более высо-
кие кодовые скорости, будут требоваться соответственно более высокие
значения отношения С/N. В каждом конкретном районе требуемое зна-
чение отношения С/N будет зависеть от относительных уровней и за-
держек сигнала.
Специальные свойства систем OFDM позволяют реализовать одноча-
стотные сети различной топологии. Каждый выбор имеет индивиду-
альные особенности с точки зрения технологии и экономики.
16.10. Планирование региональной сети ЦНТВ
В ФРГ моделировали зависимости зоны покрытия существующей
региональной вещательной одночастотной сети от параметров системы
OFDM и свойств декодера-приемника [15]- Эта зона охватывала центр
Берлина, а также периферийные и пригородные районы, что позволи-
ло проводить измерения при различных условиях. Моделируемая сеть
состояла из пяти передатчиков, расположенных в виде почти ромби-
ческой структуры и работающих в УВЧ канале 59. Среднее расстояние
между передатчиками было 30 км, что соответствовало времени рас-
пространения радиоволн около 100 мкс.
468
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
Исследовались системы OFDM с защитными интервалами, меньши-
ми, равными и большими средней задержки распространения (DSFN).
Прием осуществлялся на всенаправленную антенну, приемник уста-
навливал начало преобразования БПФ для декодирования сигнала в
момент достижения максимальной напряженности поля.
При исследованиях использовался алгоритм предсказания двумер-
ной топографической напряженности поля. Результаты моделирования
были получены с помощью карт покрытия и приведены в табл. 16.1.
Таблица 16.1. Результаты исследования системы OFDM
Случай*) Длительность защитного интервала TG, мкс Общая длительность символа Ts, мкс Примечание
I 30 150 7M<DSFN
II 100 500 TM=DSFN
III 170 850 7M>DSFN
Примечания:
*) I — "субоптимальный", II — "разумный", III — "чрезмерный";
• при исследовании отношение С/N устанавливалось равным 8; 14; 20; 26 дБ;
• эффективная излучаемая мощность (Effective Radiated Power, ERP) изменялась в
пределах 5 кВт ± 12 дБ.
В случае I при увеличении отношения С/N покрытие ограничено
небольшим районом вокруг пунктов расположения передатчиков. Ре-
зультирующий сигнал определяется в основном рассматриваемым пе-
редатчиком и почти не зависит от других передатчиков одночастотной
сети. Случаи II и III характеризуются меньшей чувствительностью к
значениям С/N. Покрытие в пределах зоны обслуживания начинает
ухудшаться при С/N больше 20 дБ.
Результаты показали, что при уменьшении отношения С/N до 6 дБ
сохраняется покрытие территории за счет эффекта суммирования сиг-
налов всех передатчиков и соответствующих напряженностей поля.
Оказалось, что для маломерных одночастотных сетей с OFDM тре-
буется кодирование, обеспечивающее прием сигналов при небольших
значениях отношения С/N. Это приводит к более низким скоростям
передачи данных из-за непроизводительного увеличения длины заго-
ловка, требующегося для исправления ошибок.
Если в одночастотной сети защитный интервал равен или больше вре-
мени распространения радиоволн для среднего расстояния между пере-
датчиком и приемником, то система становится менее чувствительной к
отношению С/N. Если размеры системы рассчитаны правильно, то за
счет усиления одночастотной сети и снижения значения интерференци-
онных помех от других передатчиков можно снизить уровень излучае-
мой мощности с сохранением покрытия в заданной зоне обслуживания.
При планировании сети часто используют трехмерные модели по-
крытия системы с OFDM. При неблагоприятных условиях распростра-
нения радиоволн применяют модели для систем с COFDM.
16.11. Планирование сети ЦНТВ большой протяженности
469
16.11. Планирование сети ЦНТВ большой протяженности
Концепция одночастотной сети бесконечной протяженности изуча-
лась в Швеции. Средняя вероятность покрытия была рассчитана для
нескольких комбинаций длительности символа (200-1600 мкс) и за-
щитного интервала (0-200 мкс). Система цифрового телевидения явля-
ется неиерархической системой OFDM с тремя режимами работы, со-
ответствующими четырем, двум или одному сигналу телевидения
стандартной четкости в канале с полосой 8 МГц.
Вероятность покрытия территории каждым передатчиком рассчи-
тана методом моделирования Монте Карло. Для моделируемой сети
вычислен вклад каждого из 19 передатчиков в напряженность поля.
Принято, что передатчики должны быть расположены в регулярной тре-
угольной решетчатой структуре с разделительным расстоянием 60 км.
Номинальная зона обслуживания передатчика представляет собой ше-
стиугольник.
Все передатчики имеют одну и ту же эффективную излучаемую мощ-
ность, всенаправленные антенны высотой 300 м и работают синхрон-
но, т.е. они передают символ одновременно. Модель распространения
радиоволн соответствует Рекомендации 370 МСЭ-Р. Средние значения
распределения напряженности поля соответствуют 50%-й концентра-
ции приемников в пределах зоны в диапазоне УВЧ. Стандартное сред-
неквадратическое отклонение напряженности поля принималось рав-
ным 9,6 дБ. Диаграмма направленности приемной антенны отвечает
Рекомендации ВТ.419 МСЭ-Р [16].
Для передатчика одночастотной сети покрытие ограничено интерфе-
ренцией в пределах сети, и как только эффективная излучаемая мощ-
ность превысит некоторый уровень, вероятность покрытия достигает
уровня насыщения.
В табл. 16.2 приведены результаты вычислений вероятности покры-
тия для трех режимов модуляции и различных активных длительнос-
тей символа.
Заметим, что при нормальных атмосферных условиях вероятность
покрытия может превышать значения, указанные в табл. 16.2. Охват
Таблица 16.2. Средняя вероятность покрытия зоны в 99% времени эксплуа-
тации сети
Длитель- ность символа данных, мкс Длитель- ность защитного интервала, мкс Четыре сигнала SDTV (С/Л/=17 дБ) Два сигнала SDTV (C/N=TO дБ) Один сигнал SDTV (C/N=4 дБ)
Направлен- ная антенна Ненаправлен- ная антенна Направлен- ная антенна Ненаправлен- ная антенна Ненаправлен- ная антенна
200 25 76 % 30% 95 % 55% 83 %
200 50 78 % 35 % 95% 60% 87 %
400 50 83 % 40% 96 % 69 % 95 %
400 100 88 % 49 % 98 % 78 % 97%
800 100 93 % 59 % 99% 87 % 99 %
800 200 98 % 75 % 99,5 % 93 % 99 %
470
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
населения, вероятно, будет больше покрытия зоны. Важный вывод ис-
следования в том, что покрытие одночастотной сети зависит не только
от длительности защитного интервала, но и в значительной мере от
длительности активного символа системы. Для фиксированной длины
защитного интервала намного лучшее покрытие обеспечивают боль-
шие длительности символа.
Исследования практической реализации технологии одночастотной
сети, использующей имеющуюся инфраструктуру телевизионных пере-
датчиков и ретрансляторов, проведены в Австралии [17]. Для обеспе-
чения совместимости с существующими в Австралии передатчиками
одночастотная сеть должна справляться с различиями во времени за-
держки приема многолучевых сигналов, равными примерно 300 мкс.
В случае одночастотной сети, использующей ретрансляторы с малой
зоной покрытия, станции для перекрытия теневых зон или расширите-
ли покрытия в зоне интерференционной полосы, пониженные значе-
ния различия времени задержки характерны для микроволновых се-
тей в большей степени, чем для спутниковых сетей или наземного
синхронного возбуждения ретрансляторов. В микроволновых сетях мож-
но применять радиолинии СВЧ диапазона или наземные радиолинии
при условии малой задержки распространения радиоволн.
Для ретрансляторов с большой зоной покрытия оптимальный метод
возбуждения, минимизирующий различия задержек, зависит от место-
положения ретранслятора и формы его диаграммы направленности.
Однако почти во всех изучаемых случаях микроволновое возбуждение
обеспечивает меньшие различия времени задержки тракта, чем синх-
ронное возбуждение.
Теоретические исследования были предприняты в Канаде и показа-
ли, что передатчики, эксплуатируемые в одночастотной сети, имеют
ряд взаимосвязанных характеристик: длину защитного интервала, рас-
стояние между передатчиками, эффективную излучаемую мощность
передатчика и параметры приемной системы.
Для оптимизации системы с COFDM требуется компромисс по та-
ким параметрам, как защитный интервал, пропускная способность дан-
ных, разнос несущих, устойчивость к динамическим искажениям из-за
многолучевого распространения, время захвата, фазовый шум. Перед
проектированием конкретной системы, работающей в режиме одночас-
тотной сети, важно четко определить интересы радиовещательного со-
общества, включая вещателей и регулирующие организации. Эти тре-
бования будут существенны при выборе параметров передающей
системы наземного телевизионного вещания.
В Канаде в Научно-исследовательском центре связи решили опреде-
лить зону покрытия для некоторых Североамериканских городов [18,19].
Исследования были выполнены для системы COFDM с полосой канала
6 МГц, имеющей защитный интервал 64 мкс. Для каждого передатчи-
ка, добавленного в сеть, синхронизация и согласование времени задер-
жки были оптимизированы для специфических региональных требова-
ний с целью максимизировать выигрыш, получаемый при исследовании
16.11. Планирование сети ЦНТВ большой протяженности
471
с каждого дополнительного передатчика, и минимизировать помехи в
сети из-за многолучевости.
При моделировании не учитывались какие-либо помехи за исключе-
нием помех из-за многолучевости от эксплуатируемых вещательных
передатчиков.
Для этих исследований использовался набор параметров, приведен-
ных ниже для опытного образца системы COFDM-6. При моделирова-
нии применялась направленная приемная антенна высотой 10 м за ис-
ключением ситуаций, где использовалась всенаправленная антенна
высотой 1,5 м. Применение в большинстве случаев моделирования ан-
тенны высотой 10 м облегчает сравнение с результатами других иссле-
дований, в большинстве которых используют антенну именно такой
высоты. Моделирования были выполнены для вероятностей покрытия
50% зоны в 90% времени.
Для исследования было выбрано несколько пунктов. Так Лос-Анд-
желес (Калифорния) и Майами (Флорида) выбрали потому, что их ре-
льеф дает возможность реализовать преимущества от использования
многих передатчиков для оптимизации покрытия; Реддинг (Калифор-
ния), Нэйшвилл (Теннеси) и Нью-Йорк (Нью-Йорк) — потому, что спе-
цифические характеристики отличаются от двух предыдущих городов.
Были отобраны телевизионные станции стандарта NTSC, вещающие
в диапазоне ОВЧ, и все они могли использовать УВЧ каналы для соот-
ветствующей службы ЦНТВ. Из-за различия в распространении ра-
диоволн в диапазонах ОВЧ и УВЧ дублирование покрытия представля-
ло сложную задачу.
Итак, Лос-Анджелес — это населенная гористая зона. Для исследо-
вания была отобрана NTSC станция KNBC, работающая по ОВЧ кана-
лу 4 с эффективной излучаемой мощностью (ERP) 43,7 кВт. Соответ-
ствующая ATV станция для работы по УВЧ каналу 32 требовала бы
эффективную излучаемую мощность (ERP) 1025 кВт.
Передатчик с эффективной излучаемой мощностью (ERP) 1025 кВт
со всенаправленной антенной охватывает большую часть зоны вокруг
Лос-Анджелеса, но оставляет теневые пятна в покрытии, в частности,
зону, расположенную к северо-востоку от передатчика позади цепи гор.
Добавление вторичного передатчика позволяет уменьшить мощность ERP
основного передатчика до 250 кВт. Станция для перекрытия теневых
зон со всенаправленной диаграммой направленности (1,8 кВт—20 м)
восстанавливает зону покрытия в юго-восточном направлении. Место-
положение дополнительного передатчика той же рабочей частотой выб-
рано примерно в 25 км к северо-востоку от основного передатчика, для
радиовещания используется антенна с направленной диаграммой. Для
вторичного передатчика используются следующие параметры: эффек-
тивная излучаемая мощность (ERP) 1 кВт, высота опоры 20 м и антен-
на с направленной диаграммой.
Исследования в Лос-Анджелесе показывают преимущество форми-
рования определенной зоны покрытия и применения станции для пере-
крытия теневых зон.
Майами расположен на равнинной местности. Однако из-за специ-
472
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
фического рассредоточения населения здесь может быть полезно рас-
пределенное покрытие. Населенные зоны находятся в узкой полосе, ог-
раниченной, с одной стороны, Атлантическим океаном, а с другой —
болотами Эверглэйдса. Станция NTSC WTVJ, которой выделен канал 4,
работает с эффективной излучаемой мощностью (ERP) 100 кВт. Для
соответствующей ATV станции канала 38 потребовалась бы эффектив-
ная излучаемая мощность 3360 кВт.
Возможный сценарий состоит в уменьшении эффективной излучае-
мой мощности (ERP) основного передатчика до 25 кВт и в установке
по побережью двух расширителей зоны покрытия. Основной передат-
чик имеет эффективную излучаемую мощность (ERP) 25 кВт, вторич-
ный передатчик на юге имеет эффективную излучаемую мощность (ERP)
1 кВт, а вторичный передатчик на севере — эффективную излучаемую
мощность (ERP) 4 кВт. Оба вторичных передатчика имеют антенну с
направленной диаграммой и синхронизированы с основным передатчи-
ком методами соответствующего регулирования задержки. С помощью
двух вторичных передатчиков и основного передатчика, населенные
зоны на восточном побережье охвачены полностью, а потери покрытия
ограничены малонаселенной зоной Эверглэйдса. Есть также улучшен-
ное покрытие островов во Флориде.
В России в соответствии с принятой концепцией внедрения цифро-
вого ТВ вещания как системы массового многоцелевого информацион-
ного обслуживания созданы опытные зоны этого вида вещания в Ниж-
нем Новгороде и Санкт-Петербурге [20]. В конце 2001 г. начнет работу
опытная зона в Москве. Разработаны и испытаны первые комплексы
передающего и приемного оборудования для цифрового ТВ вещания
[21, 22].
Список литературы
1. ITU-R. Doc.11-3/37, Annex 11, 12.04.1996. — Digital Terrestrial
Television Broadcasting Service Coverage Studies and Field Trials.
2. ITU-R. Doc.11-3/37, Annex 8, 12.04.1996. — Status of Studies on
the Physical Layer for Digital Terrestrial Television Broadcasting.
3. МККР. Отчет 624-4. Характеристики телевизионных систем. — В
кн.: Отчеты МККР, 1990 г. (Включая решения). Приложение к
т. XI — ч. 1. Радиовещательная служба (Телевизионная).
4. Krivocheev M.I. International trends in HDTV. — 27th Electronic
Industry Technical Conference. Tokyo. Japan. 5 October 1990.
5. Mark Krivocheev suggest a new system to deal with different
international bandwidths. — Television (The Journal of the Royal
Television Society). — April 1991.
6. CCIR. Doc. 11/122, 31.03.1992. — Report of Chairman.
Список литературы
473
7. European Standard (Telecommunications series) EN 300 468 VI.3.1
(1998-02). — Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service
Information (SI) in DVB systems. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
8. European Standard (Telecommunications series) EN 300 429 VI.2.1
(1998-04). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for cable systems. — EBU/CENELEC/
ETSI JTC.
9. European Standard (Telecommunications series) EN 300 421 VI. 1.2
(1997-08). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services. —
EBU/CENELEC/ETSI JTC.
10. ETSI Technical Report ETR 154 (September 1997), Third Edition. —
Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation Guidelines for the
use of MPEG-2 Systems, Video and Audio in Satellite, Cable and
Terrestrial Broadcasting Applications. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
11. ITU-R. Doc.lO-llS/TEMP/26 (Rev.2), 28.11.1994. (Reply to Liaison
Statement from Working Party 11B). — Digital Multiprogramme
Television Broadcast by Satellite.
12. ITU-R. Doc.11-3/37, Annex 9, 12.04.1996. — Progress Report on
Planning Factors and Implementation Strategies.
13. ITU-R. Doc.11-3/107, 1993. (Teracom Svensk Rundradio). —
Preliminary Planning Criteria for Digital Terrestrial Television
Services.
14. ITU-R. Doc.11-3/13, 1994. (France). — Main results of protection
ratios for L-SECAM system distributed by a digital COFDM system.
15. ITU-R. Doc.11-3/48, 1994. (Canada). — Implementation of ATV
service in Canada.
16. ITU-R Recommendation ВТ.419-3. Directivity and Polarization
Discrimination of Antennas in the Reception of Television Broadcasting.
17. ITU-R. Doc.11-3/20, 1994. (Australia). — Path delay considerations
in the design of single frequency networks.
18. COFDM-6 System Technical Description. — COFDM Evaluation Project,
submitted to ACATS. July 1995.
19. ITU-R. Doc.11-3/23, 1996. (Canada). — Single Frequency Network
Coverage Studies.
20. Кукк К.И. Первый опыт испытания российского оборудования
цифрового телерадиовещания в г. Нижний Новгород//Материалы
Международного конгресса HAT. Москва. 17—20 октября 2000 г.
TRBE‘2000. М.: Прогресс технологий телерадиовещания. 2001.
21. Артамонов А.А., Погорельцев Ю.Н., Протопопов Л.Н. Радиопе-
редающее оборудование АООТ «МАРТ» для цифрового ТВ веща-
ния//Материалы Международного конгресса HAT. Москва. 17—20
октября 2000 г. TRBE‘2000. М.: Прогресс технологий телерадио-
вещания. 2001.
474
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового наземного ТВ вещания
22. Ануфриев И.К., Соколов В.В., Быструшкин К.Н. Комбинирован-
ные телевизоры CDTV/DVB — универсальная платформа для циф-
рового телевидения и интерактивных служб// Техника кино и теле-
видения. 2000. №12.
17. Принципы построения и основные параметры
терминалов и декодеров систем цифрового ТВ
вещания
17.1. Основные тенденции в разработке терминалов для систем
цифрового ТВ вещания
Разработка методов и аппаратуры цифрового ТВ вещания на пер-
вых порах была связана преимущественно с передающей частью систе-
мы: с выбором структуры и параметров подсистемы адаптации к кана-
лу, режима мультиплексирования различных служб в общий поток,
частотного планирования и т.п. При этом предполагалось, что в при-
емной части сигнал должен быть соответствующим образом обработан
и выдан абоненту в формате одной или нескольких ТВ программ. По
сути дела такая схема по своей функциональной нагрузке мало чем
отличается от традиционного аналогового вещания, добавляя, в основ-
ном, многопрограммность и некоторый дополнительный сервис. Або-
нентские терминалы при этом представляют собой интегрированные в
один конструктив приемник и декодер (IRD), к которому в качестве
устройства отображения подключен телевизор. Такие IRD массово вы-
пускаются для спутниковых систем цифрового вещания и во многих
случаях вполне обеспечивают запросы пользователя. Однако по мере
совершенствования средств доставки цифрового потока, бурного разви-
тия Интернет-технологий, унификации систем передачи по различным
физическим средам, прогресса в области микроэлектроники изменялись
и подходы к обслуживанию абонентов и соответственно к построению
абонентских терминалов. Из сетей кабельного телевидения пришла и
закрепилась идеология интерактивной цифровой приставки — STB, ко-
торая обладает функциями обмена информацией с провайдером инте-
рактивных услуг и обеспечивает контроль и управление многими или
всеми устройствами абонентского комплекса аппаратуры. Выбор IRD
или STB в качестве абонентского терминала определяется в первую
очередь предпочтениями пользователей.
Помимо выбора типа декодера имеет место выбор манеры использо-
вания принятой информации, в связи с чем четко оформились две ха-
рактерные группы пользователей. Первая группа — это "традицион-
ные" телезрители, для которых основной функцией является прием
видеоинформации или некоторых видов мультимедийной информации
с отображением ее на большом ТВ экране. Вторая группа — это "про-
двинутые" пользователи сети Интернет, заинтересованные в получении
в интерактивном режиме разнообразных компьютерных услуг и дан-
ных. Для них основным оконечным устройством является персональ-
ный компьютер, используемый, в том числе, и для просмотра ТВ про-
грамм. Нередки случаи, когда оба этих подхода сливаются воедино,
т.е. абонент предпочитает комплексное обслуживание. Согласно суще-
476
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
ствующим представлениям, через несколько лет будет доминировать
именно такой единый тип информационного обслуживания, но пока
приходится считаться с имеющимися различиями.
Существующие тенденции построения и использования абонентских
терминалов являются объектом пристального внимания производите-
лей конечного оборудования и, в частности, производителей интеграль-
ных схем для абонентских приемников и декодеров. Очевидно, что мас-
совое внедрение абонентского оборудования систем цифрового ТВ
вещания будет определяться, в первую очередь, его стоимостью и мно-
гофункциональностью. Но эти два показателя противоречат друг дру-
гу. Найти удачное компромиссное решение возможно только на основе
высокотехнологичного производства сверхбольших интегральных схем
(СБИС), когда весь абонентский терминал состоит из считанного числа
сравнительно недорогих СБИС, каждая из которых воплощает опреде-
ленную субсистему и обеспечивает все необходимые функции. При этом
в приемнике сигнала вещательного канала обычно выделяют пять ха-
рактерных субсистем представленных на структурной схеме рис. 17.1.
Назначение и место каждой из субсистем однозначно определяется ее
названием и не требует дополнительных комментариев [1].
Радиосигнал
Видео
аудио
Рис. 17.1. Структурная схема приемника-декодера на уровне его субсистем
Подход к сверхбольшой интегрализации микроэлектронной "начин-
ки” абонентских терминалов сегодня уже воплощается в реальность.
Ведущие мировые производители электронных компонентов выпускают
в виде одной СБИС не только отдельные субсистемы систем цифрового
ТВ вещания, но и сочетания субсистем цифрового приемника-декодера:
однокристальные приемники-демодуляторы, демодуляторы-декодеры
представлены на рынке и составляют основу устройств IRD и STB [2-4].
Известны и более сложные СБИС, включающие до двух трактов при-
ема и декодирования информации вещательного канала, модем инте-
рактивного канала и управляющий процессор [5].
17.2. Принципы построения приемников сигналов цифрового телевидения...
477
17.2. Принципы построения приемников сигналов цифрового
телевидения, передаваемых по различным системам доставки
17.2.1. Необходимость универсального приемника
При разработке приемников сигналов цифрового ТВ вещания боль-
шие усилия направляются на создание некоторого универсального уст-
ройства, способного принимать сигналы, передаваемые по различным
средам: по спутниковым, кабельным и наземным системам доставки.
Сегодня решение этой задачи в полном объеме представляется неосу-
ществимым по причине больших разбросов мощностей и полос сигна-
лов, схем модуляции, шумовых характеристик и т.п. Кроме того, не-
которые вещатели могут использовать собственные операционные
системы, системы ограничения доступа, другие широко известные и
стандартизированные компоненты и подсистемы. Цифровое телевиде-
ние, в отличие от аналогового, может иметь много переменных: скоро-
сти передачи, системная информация, синтаксис потока битов и т.д.
Однако приемники, принимающие сигналы более чем из одной систем
доставки, могут быть реализованы.
Разносигнальные приемники должны, естественно, иметь элементы,
специфические для каждой из сред доставки, но определенная часть
элементов может быть общей, относящейся, например, к области транс-
портного декодирования и демультиплексирования в основной полосе,
декодирования и восстановления источников информации видео/аудио/
данных. Тот факт, что единые принципы транспортной и декодирую-
щей субсистем, основанные на стандартах MPEG-2, действуют не толь-
ко в системах вещания для разных сред, но и в системах различных
национальных стандартов (DVB, ATSC, ISDB), позволяет рассматри-
вать вопрос о разработке универсального приемника, принимающего
сигналы различных стандартов из разных сред. Наибольшие отличия
структурной схемы такого приемника от канонической, показанной на
рис. 17.1, будут связаны с подсистемой демодуляции, которая должна
включать элементы для всех возможных видов сигналов (рис. 17.2).
Хотя приемники для какой-либо одной системы доставки могут быть
оптимизированы по своим техническим и массогабаритным парамет-
рам, а также могут иметь низкую стоимость благодаря использованию
распространенных интегральных схем, они могут применяться только
в конкретной системе со специфическими характеристиками. Разно-
сигнальные приемники из-за гибкости их использования предоставля-
ют пользователю дополнительные преимущества и услуги. Все сказан-
ное не означает, что право на жизнь имеют только разносигнальные
приемники, что они должны быть единственными доступными на рын-
ке. Но следует учитывать, что в перспективе через какое-то время сни-
жение цен на интегральные схемы сделает их экономически выгодны-
ми, а рационализация операционных систем сделает их менее
сложными.
Даже какая-либо одна система доставки может иметь разнообраз-
ные воплощения. Например, в США действуют 10 крупных кабельных
478
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
Рис. 17.2. Структурная схема подсистемы демодуляции универсального приемника
компаний и 100 малых, и все они могут иметь свой собственный син-
таксис потока битов, параметры согласования сигнала с каналом и т.д.
Применительно к универсальному приемнику это означало бы, что все
поставщики услуг должны были бы раскрыть свои протоколы, но та-
кая ситуация сегодня не реальна [1].
17.2.2. Требования к универсальному приемнику
Для того, чтобы приемник стал действительно универсальным, при
его разработке должны учитываться следующие параметры и факторы.
Система электропитания может иметь такие варианты: 220В/50Гц,
ИОВ/бОГц, 15В/постоянный ток.
Существуют три возможные значения полосы частот радиокана-
ла: 8; 7; 6 МГц в пределах доступного выделенного радиоспект-
ра, изменяющегося от региона к региону.
Могут применяться несколько схем модуляции: все варианты
VSB, QAM и QPSK, все опции OFDM (OFDM, COFDM, BST-OFDM).
17.2. Принципы построения приемников сигналов цифрового телевидения...
479
Все системы доставки имеют различный синтаксис потока битов.
В то время как стандарт MPEG-2 (с ограничениями и без них)
является общепринятой основой для сжатия видеосигнала, раз-
личные радиосистемы доставки не имеют действительно общего
синтаксиса. Так звуковая информация распределяется с исполь-
зованием трех различных схем сжатия данных.
Управляющая информация не является совместимой среди раз-
личных реализаций систем.
Доставка содержательных данных, анонсирование служб, огра-
ничения, налагаемые протоколами загрузки DSM-CC, отличают-
ся от системы к системе.
Находятся в эксплуатации и планируются к вводу различные
схемы ограничения доступа. Число возможных опций велико и
зависит от специфических требований провайдера. В одних схе-
мах используются обратные каналы, а в других — различные
типы смарт/сменных карт.
Параметры программного интерфейса приложений API, служа-
щего для загрузки программного обеспечения, изменяются от си-
стемы к системе.
Требования к исполнительным устройствам и устройствам пред-
ставления данных изменяются от одной системы доставки к дру-
гой, включая вариации в инструментальных средствах разработ-
ки интерактивных мультимедийных приложений.
Имеются региональные ограничения на таблицы рейтинга про-
грамм (используются для родительского контроля).
Некоторые ведомства согласны с программой сертификации сис-
темы.
Стыковочные элементы на задней панели приемника различают-
ся от региона к региону.
Виды соединений в домашней сети, физические и программные
протоколы различаются от региона к региону.
Этот далеко не полный список показывает, что полностью универ-
сальные аппаратная и программная реализации приемника потребуют
высокого технологического уровня. Кроме того, универсальный прием-
ник должен будет отслеживать региональные поправки к любой систе-
ме, а также потенциальное появление новых систем. Во всяком случае
приемники, пригодные, если не для всех, то хотя бы для нескольких
систем, будут пропорционально более практичными [1, 6].
17.2.3. Структурная схема универсального приемника
Функциональная схема высокоуровневого представления структуры
потенциально возможного универсального приемника показана на
рис. 17.3. Цель этой схемы — продемонстрировать общее число про-
граммных и аппаратных модулей, которые могут потребоваться для
480
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
ВЧ эквалайзеры / фильтры
Фильтры ПО
MPEG декодеры /
обработка сигнала
Аналоговый
РЧ выход
Рис. 17.3. Функциональная схема универсального приемника
реализации универсального приемника. Чтобы быть универсальным,
приемник должен поддерживать около 1000 различных вариантов про-
граммного обеспечения, особенно выделения информационного содер-
жания из принимаемых данных, их обработки для электронных путе-
водителей по программам EPG и поддержки протоколов обратного
канала. Разработка единого программного обеспечения для интерфей-
са приемника API, способного поддерживать протоколы различных по-
ставщиков услуг, сегодня представляется маловероятной. Так же про-
блематична международная стандартизация соединителей на задней
панели и стыковочных узлов абонентской домашней сети.
17.2. Принципы построения приемников сигналов цифрового телевидения...
481
Экранное меню для настройки универсального приемника по слож-
ности будет превышать аналогичное меню для загрузки программного
обеспечения персонального компьютера.
Хотя на функциональной схеме рис. 17.3 показан только один пакет
программ операционной системы (ОС), в действительности может иметь-
ся до трех ОС, работающих в параллельном режиме. В некоторых слу-
чаях вторая или третья ОС в приемнике не будут использоваться, но
для универсальности все они должны быть резидентными.
В перспективе изготовители микросхем смогут разработать СБИС с
очень сложной функциональной нагрузкой, осуществляющие многие
функции и снижающие стоимость изделия (уже сейчас ведутся разра-
ботки СБИС, например, реализующие на одном кристалле несколько
различных схем модуляции/демодуляции). Эти улучшенные СБИС в
сочетании со снижением цены универсального приемника, в свою оче-
редь, будут побудительным мотивом для дальнейшего увеличения слож-
ности передаваемого потока битов за счет предоставления провайдера-
ми новых служб.
Промышленность, производящая потребительские устройства, все-
гда стремилась снизить затраты и создать интерфейсы, дружественные
к пользователю. Возможность создания универсальных приемников
влечет неприятный аспект — заметное увеличение сложности ТВ при-
емника. Стоимость будет выражаться в двух формах: затратах на раз-
работку и затратах конечного пользователя. И как следствие, универ-
сальные приемники имеют недостатки.
1. Очень немногие из конечных пользователей будут способны по-
лучить максимальное преимущество от такого приемника.
2. Небольшие региональные изготовители обычных приемников бу-
дут вынуждены покинуть рынок из-за отсутствия универсальнос-
ти, т.е. повсеместной применимости их приемников.
3. Задача хранения всего комплекса программного обеспечения на
сегодня близка к невозможной.
4. В течение обозримого будущего многие страны не предполагают
иметь службы ТВЧ, поэтому универсальный приемник не смо-
жет принимать незапланированные службы.
5. Существует множество региональных законодательных актов, ре-
гулирующих процесс вещания. В некоторых регионах не поощ-
ряется взаимный прием сигналов из-за границ соседних зон ве-
щания, и в универсальный приемник должны быть заложены
соответствующие инструкции. В некоторых регионах провайдер
системы наделен правом поставлять свой собственный приемник,
и отсутствуют какие-либо пути решения этого вопроса.
Таким образом, концепция универсального приемника может небла-
гоприятным образом затрагивать интересы многих изготовителей, а
создание такого Приемника заняло бы много времени [1].
Этот анализ показывает, что создать универсальный приемник тех-
482
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
нически возможно, однако доминирующие коммерческие вопросы мо-
гут сделать его реализацию в ближайшей перспективе чрезвычайно
затруднительной. Более вероятно, что будут создаваться приемники с
пониженной универсальностью. Внедрение таких приемников нужда-
ется в региональном сотрудничестве поставщиков услуг. В этом случае
ценовые вопросы и вопросы, связанные со сложностью внедрения, мог-
ли бы решаться в пользу потребителя. Важная роль в планировании
создания таких приемников принадлежит МСЭ-Р, который организует
сотрудничество региональных организаций. Практическим достижением
МСЭ-Р является разработка рекомендаций по общим функциональным
элементам для декодеров спутникового вещания, которые рассматри-
ваются далее.
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового много-
программного ТВ вещания
17.3.1. Стратегия применения декодеров
В основу стратегии и тактики международных исследований по со-
зданию единого общемирового стандарта спутниковых систем МПТВ
на базе объединения спецификаций Систем А, С, В и D положен следу-
ющий подход [7, 8]:
Допускается возможность создания единого стандарта с включе-
нием в него значений параметров, специфических для каждой из
Систем А, С, В и D.
Исследования фокусируются на изучении принципов построения
интегрального декодера, встроенного в домашний спутниковый
приемник, и определении функциональных требований, общих
для всех систем.
Приемник должен быть универсальным и иметь все или почти
все элементы аппаратного и программного обеспечения, необхо-
димые для демодуляции и декодирования сигналов различных
систем.
Таким образом, единый общемировой стандарт цифровых спутнико-
вых систем МПТВ допускает одновременное применение нескольких
видов цифровых систем и предусматривает использование универсаль-
ного приемника на основе функциональных требований, общих для
всех четырех используемых Систем А, С, В и D. В связи с этим возни-
кает вопрос о стратегии применения интегральных декодеров сигналов
МПТВ, встроенных в домашние спутниковые приемники, с учетом раз-
личных вариантов их исполнения и местных условий регионов.
В некоторых странах Системы А, С, В и D уже эксплуатируются, в
других — их предполагается внедрить. Может сложиться так, что в
одной и той же стране или одном и том же регионе будут использовать-
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового...
483
ся несколько таких систем одновременно, и их сигналы потребуется
принимать с помощью многостандартных домашних приемников. По-
этому возможны следующие основные конфигурации декодера для при-
емника.
Конфигурация А — универсальные элементы.
Набор микросхем для приемника учитывает общие функциональ-
ные требования к декодеру, обеспечивающие максимальную экономию
номенклатуры радиоэлементов. Однако декодер, построенный на таких
микросхемах, может обрабатывать сигналы лишь одной из систем. При
оценке целесообразности реализации односистемных декодеров на уни-
версальных элементах следует учитывать ее экономические аспекты, в
частности, увеличение стоимости по сравнению со стоимостью декоде-
ра в нестандартном исполнении.
Конфигурация В — универсальный интегральный декодер.
Декодер выполняют с помощью набора микросхем в соответствии с
конфигурацией А и дополняют вспомогательными функциями. Как и в
предыдущем случае, важное значение имеет стоимость декодера при
его реализации на универсальных элементах. Данная конфигурация
может применяться в районах, где существуют или будут существо-
вать одновременно несколько различных спутниковых систем МПТВ.
Конфигурация С — многостандартный интегральный декодер.
Рекомендуется для тех районов, где в силу определенных условий
стремятся к экономии используемой номенклатуры микросхем и эксп-
луатируют или будут эксплуатировать одновременно несколько спут-
никовых систем МПТВ.
Анализ этих конфигураций позволяет сделать вывод о том, что при-
менение общих функциональных требований к интегральным декоде-
рам целесообразно лишь в районах, где существует или будут суще-
ствовать несколько различных цифровых спутниковых систем МПТВ.
17.3.2. Обобщенная эталонная модель декодера
Согласно Рекомендации МСЭ-Р ВО. 1294, системы многопрограмм-
ного цифрового спутникового ТВ вещания, стандартизированные в Ре-
комендации МСЭ-Р ВО. 1211, должны иметь максимально возможную
общность, основывающуюся на эталонной функциональной модели и
универсальных элементах различных подсистем [9]. Там же рекомен-
дуются единые функциональные требования к интегрированному при-
емнику-декодеру IRD цифрового спутникового сигнала. Соблюдение этих
требований позволяет создать универсальный абонентский многостан-
дартный приемник-декодер сигналов различных спутниковых систем.
На профессиональные приемники-декодеры требования Рекомендации
ВО. 1294 не распространяются.
484
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
В Рекомендации ВО. 1294 вопросы унификации встроенного в при-
емник декодера рассматриваются, основываясь на стеке протоколов и
обобщенной эталонной модели типового декодера IRD. Стек протоко-
лов типового декодера IRD, показанный на рис. 17.4, охватывает сле-
дующие уровни:
физический и канальный уровни, охватывающие такие типич-
ные элементы и функции высокочастотной части, как тюнер,
QPSK-демодулятор, сверточный декодер, деперемежитель, деко-
дер RS-кода и устранение дисперсии энергии;
транспортный уровень, обеспечивающий как демультиплекси-
рование сигналов различных программ и компонентов, так и де-
пакетирование разнообразных видов информации (видео, звук и
данные);
уровень ограничения доступа, управляющий функциями внеш-
него декодера или единого интерфейса;
сетевой уровень, обеспечивающий декодирование звуковых и ви-
деосигналов, а также управляющий функциями электронного пу-
Прикладной уровень Представитель- ный уровень Сетевой уровень Подуровни ограничения доступа Т ранспортный уровень Канальный уровень Физический уровень Видео Аудио Данные •- — Пользова- тельские телевизор, компьютер и т.п.
Выходные каскады
Интерфейс
пользователя —•— Дистан- ционное управление
• Электронный путеводитель по программам • Сервисная информация • Прочие сетевые службы
Декодирование видеоданных Декодирование аудиоданных Декодирование данных
Управление ограничением доступа
Дешифрование
Пакеты видеоданных Пакеты аудиоданных Пакеты данных
Удаление дисперсии энергии
Декодирование кода Рида-Соломона
Сверточное декодирование / деперемежение
Демодуляция сигнала QPSK
Коаксиальная линия (L-диапазон)
Антенна / МШУ / Конвертер
Рис. 17.4. Стек протоколов типового декодера IRD
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового...
485
теводителя по программам, системы сервисной информации и
альтернативно декодированием данных;
представительный уровень, ответственный, в частности, за ин-
терфейсы пользователей, функционирование системы дистанци-
онного управления и т.п.;
прикладной уровень, охватывающий различные информацион-
ные приложения, основывающиеся на изображениях, звуке и дан-
ных.
Эталонная модель типового спутникового декодера IRD, основанная
на рассмотренном стеке протоколов, показана на рис. 17.5. Эта модель
определят как базисные, так и дополнительные существенные функ-
ции IRD, но относится лишь к декодерам для бытовых приемников и
не учитывает функций, требуемых в профессиональных декодерах.
Рис. 17.5. Эталонная модель типового спутникового декодера
486
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
Базисные функции IRD определяют систему цифрового ТВ веща-
ния. Они распространяются на следующие основные операции:
демодуляция и декодирование сигналов;
транспортировка и демультиплексирование данных;
декодирование для источников видео, звука и данных.
Дополнительные функции IRD требуются для осуществления эксп-
луатации системы и ее модернизации, придавая ей дополнительные
свойства. Эти функции тесно связаны с предоставляемыми услугами и
могут отличаться в каждом конкретном декодере. К числу дополни-
тельных существенных функций относятся:
спутниковый тюнер;
интерфейсы на выходе IRD;
операционная система и прикладные программы;
электронный путеводитель по программам;
сервисная информация;
ограничение доступа;
отображение, дистанционное управление и система команд;
память типа ПЗУ, ОЗУ и ППЗУ;
интерактивный модуль;
микроконтроллер;
прочие функции (телетекст, субтитры и т.п.).
Дополнительные функции индивидуальны для аппаратуры различ-
ных фирм-изготовителей и поэтому не могут быть реализованы на уни-
версальных элементах декодеров.
В зависимости от своей конфигурации интегрированный приемник-
декодер IRD должен обеспечивать декодирование сигналов какой-либо
одной системы или всех систем МПТВ и иметь соответствующие харак-
теристики. Допускается также возможность использования декодера
не только для спутникового МПТВ, но и для других служб, если это
предусмотрено.
В цифровых спутниковых системах МПТВ качество декодирования
сигналов изображения, звука и данных определяется коэффициентом
ошибок при приеме и обработке информации. Квазибезошибочному
декодированию соответствует поток ошибок с вероятностью 10 10-10 11
на выходе внешнего RS-декодера или с вероятностью не более 2-104 на
его входе, т.е. на выходе внутреннего сверточного декодера.
Оценка стоимости универсального интегрированного декодера сиг-
налов спутникового цифрового МПТВ, встроенного в бытовой прием-
ник, основана на результатах консультаций, в которых участвовало
около 25 ведущих фирм-изготовителей микросхем и интегральных де-
кодеров.
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового...
487
Большинство изготовителей считает, что применение универсальных
элементов в многостандартном декодере для декодирования сигналов
любой МПТВ-Системы А, В, С и D мало скажется на его стоимости.
Отмечено, что при включении в микросхемы для системы DVB-S функ-
ций системы DSS стоимость декодера увеличивается незначительно по
сравнению с включением функций системы GI-MPEG-2. Ожидается, что
использование универсальных элементов увеличит стоимость декодера
в среднем на 7% или 22% в зависимости от выбранной конфигурации
(одностандартный интегрированный декодер на универсальных элемен-
тах или многостандартный универсальный декодер). Эту стоимость
можно снизить за счет минимизации номенклатуры микросхем.
Декодеры, используемые во многих действующих цифровых систе-
мах МПТВ, построены так, что могут декодировать любой поток дан-
ных, совместимый со стандартом MPEG-2. Они смогут работать даже
после создания кодеров на базе новых, более эффективных алгоритмов
кодирования.
17.3.3. Универсальные элементы декодера
Большое сходство архитектур спутниковых Систем А, В, С и D по-
зволило выявить универсальные, общие для всех систем элементы де-
кодеров МПТВ. Декодеры предназначены для применения в бытовых
интегральных приемниках-декодерах и могут быть как одностандарт-
ными, так и многостандартными. В последнем случае декодер должен
обеспечивать прием сигналов любой из указанных выше систем.
Функциональная схема демодулятора и декодера для канала спутни-
кового IRD в виде цепочки универсальных элементов показана на
рис. 17.6, где входом приемника является физический интерфейс по ПЧ.
Универсальный элемент демодулятор сигнала QPSK осуществля-
ет квадратурную когерентную демодуляцию и аналого-цифровое пре-
образование сигнала с целью получения мягкого решения о синфазной
и квадратурной сигнальных составляющих I и Q для внутреннего деко-
дера. Предполагается, что входной сигнал модулирован данными с ис-
пользованием абсолютного кода Грея (без применения дифференциаль-
ного кодирования).
Универсальный элемент согласованный фильтр осуществляет по-
давление помех и окончательное формирование спектра импульсов в
соответствии с заданным коэффициентом скругления. Использование
цифрового фильтра с конечным импульсным откликом позволяет од-
новременно производить коррекцию линейных искажений канала и ус-
транение межсимвольных искажений. Поскольку форма спектра сиг-
нала на выходе модулятора в Системах А, В, С и D различается, то
этот универсальный элемент IRD должен быть способен обрабатывать
сигнал с законом скругления спектра "корень из приподнятого косину-
са" с альтернативными значениями коэффициента скругления спектра
а=0,35 или а=0,2. Характеристика фильтра должна отвечать структу-
ре стандартного или усеченного по спектру фильтру Баттерворта 4-го
порядка.
488
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
От спутникового тюнера
К подсистеме транспортировки
и демультиплексирования
Рис. 17.6. Структурная схема тракта декодера на универсальных элементах
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового...
489
Универсальный элемент внутренний сверточный декодер обеспе-
чивает первый уровень защиты от ошибок. Он должен обрабатывать
входной поток данных от демодулятора с жестким решением при коэф-
фициенте ошибок между 10 1 и 102 (в зависимости от выбранной кодо-
вой скорости). Если есть такая возможность, то декодер должен ис-
пользовать информацию мягкого решения демодулятора. Коэффициент
ошибок на выходе сверточного декодера должен быть не более 2-104,
что соответствует квазибезошибочному приему после всех ступеней кор-
рекции ошибок. В режиме установленной синхронизации декодер дол-
жен декодировать сигнал с любой из допустимых кодовых скоростей и
конфигураций выкалывания. Более того, он должен устранять сбои,
связанные с неопределенностью фазы на п/2 при демодуляции сигнала.
Во внутреннем декодере используются алгоритм декодирования Ви-
терби выколотых кодов при длине кодового ограничения К=7. Полный
набор декодируемых выколотых кодов основывается на двух сверточ-
ных кодах с базовыми кодовыми скоростями 1/2 или 1/3.
• Скорости кода при базовой скорости 1/2: R = 1/2; 2/3; 3/4; 5/6;
6/7 и 7/8.
• Скорости кода при базовой скорости 1/3: R = 5/11; 1/2; 3/4; 2/3;
3/5; 4/5; 5/6 и 7/8.
Универсальный элемент декодер байта синхронизации восстанав-
ливает инвертированные на передаче синхробайты и обеспечивает син-
хронизацию данных для последующего их деперемежения. Он также
устраняет сбои из-за перескока фазы сигналов на л в QPSK-демодуля-
торе, которые не обнаруживаются декодером Витерби. После восста-
новления цикловой синхронизации производится разделение потока на
информационные данные и сигналы синхронизации. Выходной сигнал
синхродекодера используется также для запуска тактового и синхроге-
нераторов, обеспечивающих синхронизацию приемника и восстановле-
ние несущей.
Универсальный элемент сверточный деперемежителъ преобразует
пакеты ошибок на выходе внутреннего сверточного декодера в одиноч-
ные ошибки для улучшения исправляющей способности внешнего де-
кодера. Он может обрабатывать сигналы систем, в которых применя-
ются алгоритмы перемежения Рэмси типа II (7V1=13, N2=146) и Рэмси
типа III (метод Форни, 1=12, М=17 и 19).
Универсальный элемент внешний декодер кода Рида-Соломона обес-
печивает второй уровень защиты от ошибок. Его выходной сигнал дол-
жен отвечать условию квазибезошибочного приема, т.е. коэффициент
ошибок на выходе должен быть равен 10 10-10 11 при коэффициенте
пакетированных ошибок на входе около 7-104 или менее, если глубина
перемежения бесконечна. В случае глубины перемежения /=12 вероят-
ность ошибок на входе, не превышающая значения 2-104, соответству-
ет квазибезошибочному приему информации.
490
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
Основные характеристики декодера RS-кода:
• исходный код: RS(255,239,A^8);
• генераторный полином RS-кода:
(х+ос°)+(х+ос1)+...+(х+ос15) (17.1)
или
(х+осг)+(х+ос2)+...+(х+ос16), (17.2)
где а=02 (шестнадцатиричное число);
• генераторный полином поля RS-кода:
Xs + х4 +х3 + х2+ х. (17.3)
Параметры декодера определяются типом системы МПТВ.
Рис. 17.7. Структурная схема тракта транспортировки и демультиплексирования
на универсальных элементах
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового...
491
Рис. 17.8. Структурная схема декодера источников
Универсальный элемент устройство, устраняющее дисперсию энер-
гии, осуществляет дерандомизацию сигнала удалением рандомизирую-
щей последовательности. Эта операция может производиться как до,
так и после декодера RS-кода. Предусматривается возможность вклю-
чения устройства дерандомизации в режим обхода в связи с тем, что в
Системе В дисперсия энергии на передаче не применяется.
Структурная схема включения универсальных функциональных эле-
ментов для транспортировки и демультиплексирования данных пока-
зана на рис. 17.7. Устройство обеспечивает прием и демультиплексиро-
вание пакетов данных, сформированных в транспортном мультиплексоре
по стандарту MPEG-2 (Системы А, С и D), и транспортных потоков,
используемых в Системе В,
Структурная схема декодера источников сигналов изображения, звука
и данных приведена на рис. 17.8. Это устройство декодирует видеосиг-
налы, соответствующие, как минимум, основным профилю и уровню
стандарта MPEG-2 (ISO/IEC 13818-2), звуковые сигналы, отвечающие
уровням I и II стандарта MPEG-2 (ISO/IEC 18818-3) и стандарту ATSC-
А/53 (Annex В), и другие внешние данные.
492
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
17.4. Принципы построения декодеров распределительной ТВ
сети, обеспечивающих переход к цифровому ТВ вещанию
17.4.1. Предварительные замечания
Прием программ цифрового ТВ вещания осуществляется с помо-
щью абонентской приставки цифрового ТВ вещания, так называемого
Set-Top Box (STB), обеспечивающей декодирование сигнала многопрог-
раммного цифрового ТВ вещания и отображение сигналов ТВ программ
на экране имеющихся у населения аналоговых телевизоров. При этом,
учитывая, что значительная часть телевизоров, используемых в насто-
ящее время в России, не имеет НЧ входа, отечественный STB должен
обеспечивать выдачу как низкочастотного демодулированного, так и
амплитудно-модулированного ТВ сигнала, с соответствующими сигна-
лами звука и дополнительной информации [11], что сделает его совме-
стимым со всеми видами телевизоров, используемых населением. Дру-
гой особенностью, которая должна быть учтена при переходе к
цифровому ТВ вещанию в отечественных условиях, является наличие
у населения большого количества телевизоров, обеспечивающих прием
и воспроизведение ТВ программ только в системе SECAM. Это означа-
ет, что в отечественном STB должны быть реализованы методы и алго-
ритмы непосредственного цифрового формирования сигнала SECAM,
без транскодирования PAL/SECAM. Это позволит избежать потерь ка-
чества изображения при получении сигнала SECAM методом транско-
дирования (большинство зарубежных STB не обеспечивает выдачи сиг-
нала SECAM, либо формируют его транскодированием из сигнала PAL).
Отечественный STB должен также иметь полностью русифицирован-
ные интерфейсы управления и экранные диалоговые системы.
Параллельно с выпуском STB, работающих совместно с имеющими-
ся у населения телевизорами, целесообразным является освоение про-
изводства так называемых аналого-цифровых (гибридных) телевизо-
ров, обеспечивающих прием программ как аналогового, так и цифрового
ТВ вещания. Такие телевизоры, включающие встроенную плату при-
ема программ цифрового ТВ вещания, т.е. практически, встроенный
STB, будут производиться на базе серийных моделей аналоговых теле-
визоров, что позволит организовать их производство по существующей
технологии, с минимальными дополнительными затратами. Данный
подход позволит обеспечить плавный, эволюционный, а значит, низко-
затратный переход к приемному оборудованию цифрового ТВ вещания
[21].
17.4.2. Предтрансляционная обработка цифрового ТВ сигнала
Введение цифрового ТВ вещания сопровождается увеличением чис-
ла программ, передаваемых по распределительной сети. Это требует
перевода существующей аналоговой распределительной сети в режим
цифровой передачи за счет установки цифровых ТВ кодеров в пунктах
формирования программ и цифровых декодеров в пунктах выделения.
Установка цифровых декодеров в пунктах выделения сопровождается
17.4. Принципы построения декодеров распределительной ТВ сети, обеспечивающих...
493
соответствующим увеличением числа ТВ передатчиков, что требует су-
щественных затрат от предприятий, осуществляющих ТВ вещание.
Для снижения этих затрат было выгодно проводить пред трансляци-
онную цифровую обработку ТВ программ, включающую формирова-
ние в цифровом виде AM сигнала изображения с частично подавленной
боковой полосой, а также ЧМ сигнала звука. Подача этих сигналов на
вход устройства переноса сигнала в частотную полосу канала вещания
позволяет увеличить отношение сигнала к шуму и повысить четкость и
контрастность изображения. Кроме того, это позволит упростить и уде-
шевить передатчики, уменьшить энергопотребление и повысить надеж-
ность их работы [11].
Решение данной проблемы требует оснащения распределительной ТВ
сети цифровыми декодерами, в которых будут совмещены функции
декодирования цифрового ТВ сигнала и формирования аналоговых AM
сигналов системы SEC AM, ЧМ сигналов звука и данных для аналогово-
го, а затем и цифрового передатчика. Цифровые декодеры на трассах
линий связи содержат цепи и алгоритмы цифровой обработки, при этом
в составе передатчика должен остаться только ВЧ усилитель мощнос-
ти, на который будут подаваться сформированные декодером AM сиг-
налы изображения, ЧМ звука и данных.
Такой подход является одним из технических решений, соответству-
ющих принятому МСЭ-Р по инициативе России [18, 19] Вопросу изуче-
ния по стратегии внедрения наземного цифрового ТВ вещания [20].
Требованиям данного Вопроса также отвечает разработанный отече-
ственной промышленностью вариант гибридного ТВ передатчика, при-
годного как для аналогового, так и для цифрового ТВ вещания [22].
Поскольку по предложенной схеме основные функции обработки осу-
ществляются в цифровом декодере, то в варианте аналогового вещания
от предприятий-вещателей требуется лишь установка блока переноса
сигнала в требуемый частотный диапазон, а в цифровом варианте —
решающего аналогичную задачу блока переноса цифрового потока.
Таким образом, ближайшей задачей является разработка и изготов-
ление достаточного числа блоков цифрового формирования AM ТВ сиг-
нала с частично подавленной боковой полосой и ЧМ сигналов звука
для декодеров распределительной ТВ сети.
17.4.3. Принцип работы устройства цифрового декодирования
Преобразование цветового телевизионного сигнала в устройстве циф-
рового декодирования увеличивает отношение сигнала к шуму и повы-
шает четкость и контрастность изображения. Этот результат не может
быть достигнут в существующих цифровых декодерах, компрессиро-
ванных цифровыми методами цветового телевизионного сигнала. Фор-
мируемый ими аналоговый телевизионный сигнал не может быть сразу
перенесен передатчиком в частотную полосу канала вещания и передан
в эфир, а требует предварительной амплитудной модуляции и частич-
ного подавления одной из получаемых в результате указанной модуля-
ции боковых полос аналоговой фильтрацией, что приводит к сниже-
494
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
нию отношения сигнала к шуму в формируемом телевизионным пере-
датчиком сигнале и вследствие этого к снижению четкости и контраст-
ности изображения. Цель предлагаемого устройства — обеспечить фор-
мирование телевизионного сигнала, который может быть сразу, без
дополнительных преобразований, перенесен передатчиком в частотную
полосу канала вещания и передан в эфир.
Для решения этой задачи в состав цифрового декодера вводятся до-
полнительные элементы цифровой обработки цветового телевизионно-
го сигнала [10], выполняющие следующие операции.
Обозначим цветовой ТВ сигнал, формируемый типовым цифровым
декодером, через A(£)sin(co£). Соответствующий этому сигналу AM сиг-
нал на выходе модулятора ТВ передатчика будет иметь вид
A(£)[sin(coc — со)£ + sin( со, + со)Ц, (17.4)
где сос — промежуточная несущая частота телевизионного передатчика.
Данный сигнал является амплитудно-модулированным и содержит верх-
нюю и нижнюю боковые полосы.
С выхода амплитудного модулятора сигнал в ТВ передатчике посту-
пает на вход аналогового фильтра, производящего частичное подавле-
ние нижней боковой полосы. При этом подавление нижней боковой
полосы AM сигнала в соответствии с действующими стандартами ТВ
вещания осуществляется фильтром в диапазоне частот от (со,—6) МГц
до (сос—0,75) МГц. Таким образом, амплитудно-модулированный ТВ
сигнал с частично подавленной боковой полосой на выходе фильтра
имеет вид:
A(£)[sin(coc — сонч)^ + sin( сос + со)£], (17.5)
где со имеет диапазон изменения значений от 0 до 6 МГц; а сонч — изме-
нения значений от 0 до 0,75 МГц.
Данный сигнал может быть также записан в виде:
A(£)[sin(coc — сонч)£ + sin( сос + со)£+ sin(coc+ совч)£], (17.6)
где совч имеет диапазон изменения значений от 0,75 до 6 МГц,
или
A(£)[sin(coc — сонч)^ + sin(coc+ сонч)Ц + A(£)[sin(coc + совч)£]. (17.7)
Отметим, что A(£)[sin(coc — сонч)£ + sin(coc + сонч)£] представляет собой
сигнал несущей изображения промежуточной частоты, амплитудно-мо-
дулированный сигналом, имеющим частотную полосу от 0 до 0,75 МГц,
т.е. низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала.
Одновременно A(£)[sin(coH4 + совч)£ представляет собой верхнюю боко-
17.4. Принципы построения декодеров распределительной ТВ сети, обеспечивающих... 495
вую полосу сигнала несущей изображения промежуточной частоты,
амплитудно-модулированного сигналом, имеющим частотную полосу
от 0,75 до 6 МГц, т.е. высокочастотной составляющей цветового теле-
визионного сигнала.
Очевидно, что
A(O[sin(coc + совч)Л = A(Osin(cofOcos(coB40 + A(Ocos(cocOsin(coB40. (17.8)
Таким образом, на выходе устройства должен быть сформирован
сигнал
A(f)[sin(coc—ф1ЧХ + sin(coc + сонч)£] + A(^)sin(cocOcos(coB40 + A(£)cos(cocOsin(coB4£).
(17.9)
Реализация математических зависимостей (17.5) — (17.9) осуществ-
ляется в устройстве цифрового декодирования ТВ сигнала (рис. 17.9),
которое работает следующим образом.
Цифровой поток
Рис. 17.9. Структурная схема устройства цифрового декодирования
компрессированного ТВ сигнала
496
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
Входной сигнал, содержащий компрессированный цифровыми мето-
дами цветовой ТВ сигнал и данные дополнительной информации (теле-
текст, сигналы точного времени и т.д.), поступает на вход АЦП 1, пре-
образующего сигнал в цифровой поток. Этот цифровой поток поступает
на вход цифрового демультиплексора 2, выделяющего из его состава
цифровой ТВ сигнал, который далее поступает на вход цифрового де-
кодера коэффициентов дискретного косинусного преобразования (ДКП)
3, производящего вычисление указанных коэффициентов, содержащих
информацию для формирования декодированного (декомпрессирован-
ного) цифрового ТВ сигнала. Цифровой сигнал, содержащий указан-
ные коэффициенты, поступает на вход цифрового блока обратного ДКП
и компенсации движения 4, осуществляющего формирование декоди-
рованного цифрового ТВ сигнала (цифровую декомпрессию телевизи-
онного сигнала). Указанный цифровой сигнал, содержащий информа-
цию о составляющей яркости и двух цветоразностных составляющих
цветового телевизионного сигнала, поступает на вход цифрового блока
формирования цветового ТВ сигнала 5, осуществляющего формирова-
ние цветового аналогового ТВ сигнала систем PAL, SECAM или NTSC.
Цифровой цветовой ТВ сигнал A(£)sin(atf) поступает на вход цифрового
фильтра 6, формирующего цифровой сигнал НЧ составляющей цвето-
вого ТВ сигнала A(f)sin(a) ч£), а также на первый вход цифрового вычи-
тателя 7, на второй вход которого поступает указанный цифровой сиг-
нал НЧ составляющей цветового ТВ сигнала. На выходе цифрового
вычитателя 7 таким образом формируется цифровой сигнал ВЧ со-
ставляющей цветового ТВ сигнала A(£)sin((OB t).
Указанный цифровой сигнал поступает на вход цифрового фильтра
8, осуществляющего преобразование Гильберта и формирующего циф-
ровой сигнал A(£)cos(cdb40. Этот сигнал поступает на второй вход циф-
рового умножителя 10, на первый вход которого поступает сигнал с
выхода цифрового формирователя периодической биполярной последо-
вательности импульсов 9, обеспечивающего формирование цифровых
сигналов с амплитудами 0, 1, 0, -1, следующих с частотой сигнала
несущей изображения промежуточной частоты, т.е. цифрового сигна-
ла sin(co t). Таким образом, на выходе цифрового умножителя 10 фор-
мируется цифровой сигнал A(f)sin(cocf)cos(coB40> который поступает на
первый вход цифрового сумматора 13. Одновременно с выхода циф-
рового формирователя периодической биполярной последовательнос-
ти импульсов 9 цифровой сигнал sin(coct) поступает на вход цифрового
элемента задержки на три тактовых интервала И, формирующего циф-
ровой сигнал cos(coct). Этот цифровой сигнал поступает на первый вход
цифрового умножителя 12 на второй вход которого поступает цифро-
вой сигнал высокочастотной составляющей цветового ТВ сигнала
A(f)sin(coB4£) с выхода цифрового вычитателя 7. На выходе цифрового
умножителя 12 формируется цифровой сигнал A(^)cos(cocf)sin(coB4^), ко-
торый поступает на второй вход цифрового сумматора 13, где и форми-
руется цифровой сигнал
A(^)sin(cocOcos(wB40 + A(f)cos(cocOsin(coB40, (17.10)
17.5. Особенное™ реализации интегрированных приемников-декодеров...
497
т.е. цифровой сигнал верхней боковой полосы сигнала несущей изобра-
жения промежуточной частоты, амплитудно-модулированный ВЧ со-
ставляющей цветового ТВ сигнала. Сигнал (17.10) подается на первый
вход цифрового сумматора 15. Одновременно с выхода цифрового филь-
тра 6 цифровой сигнал НЧ составляющей цветового ТВ сигнала посту-
пает на первый вход цифрового умножителя 14, на второй вход кото-
рого поступает цифровой сигнал sin(co t) с выхода цифрового
формирователя периодической биполярной последовательности импуль-
сов 9. На выходе цифрового умножителя 14 формируется цифровой
сигнал
A(O[sin(coc — сопч)£ + sin(coc + юнч)£],
(17.11)
т.е. цифровой сигнал несущей изображения промежуточной частоты,
амплитудно-модулированный НЧ составляющей цветового ТВ сигна-
ла. Сигнал (17.11) поступает на второй вход цифрового сумматора 15,
где формируется цифровой сигнал
A(0[sin(coc—сон )t + sin(co + сонч)£] + A(t) sinc(cof) cos(coB40 +
+ A(Ocos(G)c£)sin(coB4£),
(17.12)
т.е. цифровой амплитудно-модулированный ТВ сигнал с частично по-
давленной боковой полосой, который далее поступает на вход ЦАП 16,
преобразующего его в аналоговый вид.
Таким образом рассмотренное устройство увеличивает отношение
сигнала к шуму в ТВ сигнале и повышает четкость и контрастность
изображения, воспроизводимого на ТВ приемнике. Промышленное при-
менение данного устройства позволит удалить из состава серийно вы-
пускаемых ТВ передатчиков блоки и узлы, выполняющие амплитуд-
ную модуляцию и частичное подавление боковой полосы, тем самым
упростив их конструкцию, что приведет к уменьшению себестоимости
их изготовления, снижению энергопотребления и повышению надеж-
ности работы.
17.5. Особенности реализации интегрированных приемников-
декодеров на основе комплектов специализированных СБИС
17.5.1. Типовые структуры приемников в микроэлектронном исполнении
В настоящее время на рынке имеются ИС с различной степенью
интеграции для построения системы адаптации к каналу. Типичный
приемный тракт адаптации к спутниковому каналу начинается со вхо-
да радиосигнала первой ПЧ 950-2150 МГц и заканчивается выходом
сигнала транспортного потока. Основные субсистемы тракта спутнико-
вого приемника-декодера показаны на рис. 17.10. В их число входят
ВЧ узлы (тюнер и преобразователь частоты, выделяющий сигналы квад-
498
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
Т юнер, преобразователь частоты квадратурных каналов / Демодулятор, декодер канала, схемы АРУ, фильтрации и коррекции TS Демультиплексор, MPEG декодер, синхронизатор, выходные ЦАП
О ► Видео
1-я ПЧ 950 — 2150 МГц ► аудио данные
Рис. 17.10. Основные субсистемы тракта спутникового приемника-декодера
ратурных каналов I и Q), демодулятор (со схемами регулировки усиле-
ния, фильтрации и коррекции) и декодер канала, а также узлы цифро-
вой обработки и восстановления информации (демультиплексор, MPEG
декодер, синхронизатор и выходные ЦАП).
Рассмотрим современный подход к интегрализации приемного трак-
та на примере разработки фирмы Inf inion, которая включает две СБИС:
тюнер TUA 6100 и демодулятор SQP 6186 [5]. Упрощенная структур-
ная схема тракта показана на рис. 17.11. Входной радиосигнал посту-
пает на усилитель с АРУ в составе TUA 6100, нагрузкой которого яв-
ляются два балансных смесителя с квадратурными опорными несущими,
вырабатываемыми генератором с АПЧ схемы восстановления несущей.
На выходах балансных смесителей формируются сигналы квадратур-
ных информационных каналов I и Q в виде аналоговых импульсов
(номинально 4 уровня) в основной полосе частот. Для их фильтрации
используются внешние кварцевые ФНЧ, включаемые в разрыв между
смесителем и выходным усилителем. Еще одна пара ФНЧ устанавлива-
ется между выходом тюнера TUA 6100 и входом демодулятора SQP
6186. Таким образом, ИС тюнера TUA 6100 совместно с внешними
фильтрами выполняет функцию демодулятора радиосигнала с квадра-
турной фазовой модуляцией QPSK.
Демодулятор SQP 6186 работает в основной полосе частот на скоро-
стях от 1 до 45 Мсимв/с. Он выполняет функции АРУ и АЦП сигналов
I и Q, их аналоговой фильтрации для защиты от наложения спектров
при дискретизации и коррекции. Основная обработка производится в
цифровой форме после 6-и разрядного АЦП каждого из многоуровне-
вых сигналов I и Q. Преобразованные в цифровую форму сигналы I и Q
анализируются в схеме управления АРУ, которая вырабатывает управ-
ляющие сигналы для регуляторов в обеих ИС TUA 6100 и SQP 6186.
Автоматическое обнаружение переменных скоростей передачи сим-
волов и больших сдвигов несущей выполняется петлевыми схемами
восстановления тактовой и несущей частот, которые управляют филь-
трами восстановления дискретизированного сигнала и фазовращате-
лем. Эти петли оптимизированы для быстрого захвата после измене-
ний в канале и для поддержания высоких характеристик режима
слежения. Микросхема осуществляет демодуляцию как в режиме "много
несущих на канал" (МСРС), так и в режиме "одна несущая на канал"
(SCPC). Все требуемые тактовые сигналы получаются от одного квар-
цевого генератора, находящегося в режиме свободных колебаний.
Рис. 17.11. Архитектура тракта спутникового приемника-декодера
.5. Особенности реализации интегрированных приемников-декодеров... 499
500
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
Конфигурирование и получение статуса БИС SQP 6186 доступны через
интерфейс шины 12С. Рассмотренная субсистема ИС SQP 6186 являет-
ся фактически решающим устройством цифрового демодулятора с мяг-
ким решением по 3-м битам.
Вторая субсистема, входящая в состав ИС SQP 6186, — это каскад-
ный декодер, соответствующий требованиям стандарта EN 300 421. Он
содержит декодеры Витерби и Рида-Соломона, цепи дерандомизации и
деперемежения. Выходным сигналом демодулятора SQP 6186 являет-
ся поток транспортных пакетов длиной 188 байт, который может быть
демультиплексирован транспортным демультиплексором и декодиро-
ван в любом декодере MPEG-2. Транспортный поток TS выдается из
БИС через конфигурируемый параллельный интерфейс совместно с до-
полнительными сигналами управления TS.
Тракт приема цифрового спутникового сигнала со схожей архитек-
турой может быть построен, например, на СБИС фирмы Philips [2]. В
качестве преобразователя частоты сигнала QPSK вниз на нулевую не-
сущую применимы микросхемы TDA8042M или TDA8060TS, содержа-
щие квадратурный демодулятор, входные и выходные усилители с под-
ключаемыми внешними фильтрами и генератор ортогональных несущих
с фазовой автоподстройкой. Для СБИС TDA8060TS входной сигнал ПЧ
конвертера должен находиться в диапазоне 920-2200 МГц, при этом
выходные сигналы I и Q в основной полосе имеют полосу пропускания
60 МГц по уровню -1 дБ. Входной усилитель АРУ имеет диапазон регу-
лировки 30 дБ. К выходам TDA8060TS подключается цифровой демо-
дулятор — каскадный декодер, роль которого могут выполнять следу-
ющие СБИС: TDA8043, TDA8083, VES1993, TDA10085.
Полностью типовой спутниковый тракт реализуется, например, на:
TDA8042M — тюнер;
TDA8043 — демодулятор-декодер (SDD);
SAA7205 — демультиплексор;
S А А7206 — дескремблер;
SAA7201 — декодер потока MPEG-2;
SAA7183 — формирователь сигналов RGB из транспортного по-
тока.
Возможно несколько иное решение демодулятора транспортного по-
тока:
TDA8060TS — тюнер;
TDA8083 — демодулятор-декодер-дескремблер (SDD3).
В табл. 17.1 приведены основные параметры альтернативных СБИС
демодуляторов-декодеров фирмы Philips [2].
Широкую номенклатуру СБИС для систем цифрового ТВ вещания
17.5. Особенности реализации интегрированных приемников-декодеров...
501
Таблица 17.1. СБИС демодуляторов-декодеров фирмы Philips
Тип СБИС АЦП Скорость символов, Мсимв/с Рабочая частота, МГц Частота кварца, МГц Мягкое решение, бит BER в канале Назначение
TDA8043 7 3(0,5) —32 — 65 4 Ю-2—10-8 DVB
TDA8083 7 12 — 30 — 4 4 Ю-2— 10’8 DVB
VES1993 6 1 —45 <100. 4 — — DVB, DSS
TDA10085 6 1 —45 <91 — — — DVB,DSS
выпускает также фирма LSI Logic [3]. Набор микросхем для приемни-
ка-декодера сигналов DVB-S состоит из:
L64724— однокристального демодулятора-декодера сигналов
BPSK/QPSK;
L64008— транспортного демультиплексора MPEG-2;
L64105— MPEG-2 декодера сигналов аудио/видео;
L64767— однокристального преобразователя транспортного потока
MPEG-2 в сигналы с модуляцией QAM для трактов ка-
бельного распределения в спутниковых системах с кол-
лективной антенной SMATV.
Архитектура этой линейки очень близка к рассмотренным выше на-
борам СБИС фирм Inf inion и Philips. Абонентский терминал на микро-
схемах LSI Logic позволяет работать во всех типовых режимах DVB-S
при скоростях передачи символов от 1 до 45 Мсимв/с.
17.5.2. Микроэлектронная реализация кодеров и декодеров Рида-Соломона
Аппаратная реализация. Во многих существующих системах при
аппаратной реализации кодеков используют "имеющиеся в наличии"
интегральные схемы, которые кодируют и декодируют коды Рида-Со-
ломона. Эти ИС поддерживают некоторый уровень программируемос-
ти, например, позволяют получать коды типа RS(255, А), где k = 1—16
символов. В последнее время все большее применение получают схемы
на программируемых логических вентилях. Разработка конкретной
функциональной структуры логического ядра микросхемы осуществ-
ляется программно на специализированных языках высокого уровня
VHDL или Verilog. Такие ИС имеют преимущества перед стандартны-
ми, поскольку логические ядра нескольких компонентов могут быть
интегрированы друг с другом. При таком подходе становятся возмож-
ными разработки типа "Система на чипе", когда многочисленные моду-
ли могут быть объединены в единственной ИС. В зависимости от про-
мышленных объемов логические ядра могут зачастую приводить к
существенно сниженным системным затратам, нежели "стандартные"
502
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
ИС. Используя логические ядра, проектировщик избегает потенциаль-
ной потребности закупать ИС кодеков Рида-Соломона впрок [4].
Программная реализация. До недавнего времени программные реа-
лизации "в реальном масштабе времени" требовали очень большой вы-
числительной мощности для всех кодов Рида-Соломона, кроме самых
простых (т.е. кодов с маленькими значениями k). Главная трудность
программной реализации кодов Рида-Соломона состоит в том, что уни-
версальные процессоры не поддерживают арифметические операции в
поле Галуа. Однако тщательная разработка алгоритмов совместно с
увеличением производительности процессора показывает, что программ-
ные реализации могут работать и при относительно высоких скорос-
тях передачи данных [4, 12].
17.5.3. Микроэлектронная реализация турбокодеков
Турбокодеки являются новым классом устройств кодовой защиты,
позволяющие вплотную приблизиться к границе Шеннона (см п. 4.9).
Пока они не стандартизированы для систем DVB, хотя уже использова-
ны в экспериментальной китайской системе [13]. Представляя хоро-
шую альтернативу каскадным кодекам типа RS-Витерби, они находят
применение в системах передачи данных специального назначения.
Поэтому некоторые фирмы выпускают микросхемы турбокодеков раз-
личного типа и модемы на их основе. В табл. 17.2 приведены парамет-
ры СБИС турбокодеков.
Таблица 17.2. Параметры СБИС турбокодеков
Фирма, изделие Скорость, Мбит/с Скорость кода, R Размер блока, бит Число итераций на блок Мягкое решение, бит Модуля- ция в канале
в канале полезной нагрузки
АНА4501 (Astro) [11] 50 36 0,2—0,793 256—4096 <32 6
АНА4540 (Astro-ОСЗ) [14] 300 155 0,25-0 98 256—16К <256 4x4 BPSK, QPSK, 8-PSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM,
Comatlas CAS5093 [15] — 40 0,5 — — 4 BPSK, QPSK
SICAN,Turbo Decoder Design Object1” (программн- ая структура для ПЛМ [16] 10 0,5 1000 6
Список литературы
503
Список литературы
1. ITU-R. Document 6S/3-E, 4.07.2000. (Appendix 8 to Doc. 11A/135.)
— Attachment: Digital Television Receivers for Multiple Physical
Delivery Systems.
2. http://www.semiconductors.com/products/
3. http://www.lsilogic.com
4. http://www.4i2i.com/reed_solomon_ip_cores.htm
5. http://www.infineon.com
6. ITU-R Recommendation ВТ.1299. The Basic Elements of a Worldwide
Family of Systems for Digital Terrestrial Television Broadcasting. —
ITU-R Recommendations. — ВТ Series. Broadcasting Service
(Television).
7. ITU-R Recommendation BO. 1211. Digital Multi-Programme Emission
Systems for Television, Sound and Data Services Operating in the 11/
12 GHz Frequency Range. — ITU-R Recommendations. — BO Series.
Broadcasting Satellite Service (Sound and Television).
8. ITU-R. Proposal for a Preliminary Draft New Recommendation
Concerning Digital Multiprogramme Broadcasting-Satellite Systems.
— Doc. 10-11S/TEMP/105-E. 22 October 1999.
9. ITU-R Recommendation BO. 1294. Common Functional Requirements
for the Reception of Digital Multiprogramme Television Emissions by
Satellites Operating in the 11/12 GHz Frequency Range. — ITU-R
Recommendations. — BO Series. Broadcasting Satellite Service (Sound
and Television).
10. Патент РФ №2158061 от 20.10.2000. Устройство цифрового деко-
дирования компрессированного цифровыми методами цветового те-
левизионного сигнала/ Ю.Б. Зубарев, М.И. Кривошеев, С.И. Лопа-
то, А.А. Плотников // Открытия. Изобретения.
11. Зубарев Ю.Б. и др. Новые технические средства передачи сигна-
лов для внедрения цифрового ТВ-вещания // Материалы Междуна-
родного конгресса HAT. Москва, 17 — 20 октября 2000 г.,
TRBE’2000. М: Прогресс технологий телерадиовещания. 2001.
12. http://www.support.xilinx.com/support/techsup/tappinfo.htm
13. ITU-R. Doc. 6E/50-E, 20.02.2001 (China). Terrestrial Digital
Multimedia/Television Broadcasting System Development in China.
14. http://www.aha.com
15. http://www.comatlas.fr/products.htm
16. http://www. sican-micro.com/_vti_bin/shtml.exe/index.html
17. Кукк К.И. Первый опыт испытания российского оборудования
цифрового телерадиовещания в г. Нижний Новгород//Материалы
Международного конгресса HAT. Москва. 17—20 октября 2000 г.
TRBE‘2000. М.: Прогресс технологий телерадиовещания. 2001.
504
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и декодеров...
18. ITU-R. Member of Steering Committee, Honorary Chairman of Study
Group 6. Proposals to third meeting of the Steering Committee.
Doc. 6SCOM/32. 26 March 2001.'
19. ITU-R. Russin Federation. The appropriate strategy for introduction
and implementation of digital terrestrial TV broadcast service taking
account of existing terrestrial broadcast service. — Doc. 6E/57, 6P/41.
12 March 2001.
20. ITU-R. Working Party 6E. Draft new Question [Doc. 6/113]. Universal
transmitters and retransmitters for both analogue and digital terrestrial
TV broadcasting. — Doc. 6/113. 29 March 2001.
21. Ануфриев И.К., Соколов В.В.,. Быструшкин К.Н. Комбинирован-
ные телевизоры CDTV/DVB — универсальная основа для цифрово-
го телевидения и интерактивных служб// Техника кино и телевиде-
ния. 2000. №12.
22. Артамонов А.А., Погорельцев Ю.Н., Протопопов Л.Н. Радиопе-
редающее оборудование АООТ «МАРТ» для цифрового ТВ веща-
ния//Материалы Международного конгресса HAT. Москва. 17—20
октября 2000 г. TRBE‘2000. М.: Прогресс технологий телерадио-
вещания. 2001.
Приложение 1
Перечень рекомендаций МСЭ-Р
Приведены действующие Рекомендации Сектора радиосвязи Между-
народного союза электросвязи (МСЭ-Р) по вопросам спутникового (се-
рия ВО), наземного (серия ВТ) и цифрового ТВ вещания [1—3].
Действующие Рекомендации МСЭ-Р серий ВО и ВТ
Номер рекомен- дации Название рекомендации Область действия рекомендации
Цифровое спутниковое ТВ вещание
ВО.1211 Digital multi-prog ram me emission systems for television, sound and data services for satellites opera- ting in the 11/12 GHz frequency range Цифровые спутниковые много- программные системы передачи телевидения, звука и данных в диапазоне 11/12 ГГц
ВО.1293-1 Protection masks and associated calculation methods for interfe- rence into broadcast satellite sys- tems involving digital emissions Защитные маски и связанные с ними методы вычисления помех в широковещательных спутнико- вых системах
ВО.1294 Common functional requirements for the reception of digital multi- programme television emissions by satellites operating in the 11/12 GHz frequency range. Общие функциональные требова- ния для приема цифровых много- программных ТВ передач со спут- ников, работающих в диапазоне 11/12 ГГц
ВО.1408 Transmission system for advanced multimedia services provided by in- tegrated services digital broadcast- ing in a broadcasting-satellite channel Система передачи передовых служб мультимедиа, предостав- ляемых цифровым спутниковым вещанием с интеграцией служб
Цифровое наземное ТВ вещание
ВТ. 1206 Spectrum shaping limits for digital terrestrial television broadcasting Границы формирования спектра для цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ.1207-1 Data access methods for digital terrestrial television broadcasting Методы доступа к данным для цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ.1208-1 Video coding for digital terrestrial television broadcasting Кодирование видеосигнала для цифрового наземного телевизионного вещания
506
t
Приложение 1
BT.1209-1 Service multiplex methods for digital terrestrial television broadcasting Методы мультиплексирования служб для цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ. 1299 The basic elements of a worldwide common familyof systems for digital terrestrial television broadcasting Основные элементы всемирно распространенных систем цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ. 1300-1 Service multiplex, transport and identification methods for digital terrestrial television broadcasting Методы мультиплексирования служб, транспортировки и идентификации для цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ.1301 Data services in digital terrestrial television broadcasting Службы передачи данных в цифровом наземном телевизионном вещании
ВТ.1306-1 Error-correction, data framing, modulation and emission methods for digital terrestrial television broadcasting Методы исправления ошибок, цикловой синхронизации данных, модуляции и излучения для цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ.798-1 Digital terrestrial television broadcasting in the VHF/UHF bands Цифровое наземное телевизионное вещание в диапазонах ОВЧ / УВЧ
Планирование ТВ вещания
ВТ. 1125 Basic objectives for the planning and implementation of digital terrestrial television broadcasting systems Основные цели при планировании и воплощении систем цифрового наземного телевизионного вещания
ВТ. 1368-2 Planning criteria for digital terrestrial television services in the VHF/UHFtelevision bands Критерии планирования служб цифрового наземного телевидения в телевизионных диапазонах ОВЧ / УВЧ
Интерактивные и мультимедийные ТВ системы
ВТ. 1369 Basic principles for a worldwide common family of systems for the provision of interactive television services Основные принципы организации интерактивных телевизионных служб для всемирно распространенных систем
ВТ. 1378 Basic requirements for multimedia- hypermedia broadcasting Основные требования при вещании служб мульти медиа- гипермедиа
ВТ. 1434 Network independent protocols for interactive system Сетенезависимые протоколы для интерактивной системы
ВТ. 1435 Digital sound and television broadcasting interaction channel through the PSTN/ISDN Канал взаимодействия через сети ТФОП / ЦСИС при цифровом телевизионном и звуковом вещании
Действующие Рекомендации МСЭ-Р серий ВТ и ВО
507
ВТ. 1436 Transmission systems for interactive cable television services Системы передачи для интерактивных служб кабельного телевидения
Цифровое телевидение
ВТ.1121-1 User requirements for the transmission through contribution and primary distribution network of digital HDTV signals Требования пользователей к передаче цифровых сигналов ТВЧ через репортажные и первичные распределительные сети
ВТ.1122-1 User requirements for emission and secondary distribution systems for SDTV, HDTV and hierarchical coding schemes Требования пользователей к излучению и системам вторичного распределения сигналов SDTV, ТВЧ, а также к иерархическим схемам кодирования
ВТ. 1199 Use of bit-rate reduction in the HDTV studio environment Использование сокращения скорости битов при студийном кодировании ТВЧ
ВТ.1200-1 Target standard for digital video systems for the studio and for international programme exchange Целевой стандарт для цифровых студийных видеосистем и для международного обмена программами
ВТ. 1203 User requirements for generic bit- rate reduction coding of digital TV signals (SDTV, EDTV and HDTV) for an end-to-end television system Требования пользователей к основополагающему сокращению скорости битов при кодировании сигналов цифрового телевидения (SDTV, EDTV и ТВЧ) для сквозной телевизионной системы
ВТ. 1367 Serial digital fibre transmission system for signals conforming to ITU-R BT.656, ITU-R BT.799 and ITU-R ВТ.1120 Цифровая последовательная система передачи по оптоволокну сигналов, соответствующих рекомендациям МСЭ-Р ВТ.656, ВТ.799 и ВТ.1120
ВТ.601-5 Studio encoding parameters of digital television for standard 4:3 and wide-screen 16:9 aspect ratios Параметры кодирования цифрового телевидения для студий: стандарты форматов 4:3 и широкоэкранного 16:9
ВТ.709-4 Parameter values for the HDTV standards for production and international programme exchange Значения параметров стандартов ТВЧ для студий и международного обмена программами
ВТ.711-1 Synchronizing reference signals for the component digital studio Синхронизация опорных сигналов для цифровых студий с компонентными видеосигналами
ВТ.800-2 User requirements for the transmission through contribution and primary distribution networks of digital television signals defined according to the 4:2:2 standard of Recommendation ITU-R ВТ.601 (Part A) Требования пользователей к передаче по сетям сбора информации и первичного распределения цифровых телевизионных сигналов, определенных стандартом 4:2:2 Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (Часть А)
508
Приложение 1
ВТ.803 The avoidance of interference generated by digital television studioequipment Исключение радиопомех, создаваемых цифровым телевизионным студийным оборудованием
Цифровые интерфейсы
ВТ. 1120-3 Digital interfaces for HDTV studio signals Цифровые интерфейсы для студийных сигналов ТВЧ
ВТ. 1302 Interfaces for digital component videosignals in 525-line and 625- line television systems operating at the 4:2:2 level of Recommendation ITU-R BT.601 (PartB) Интерфейсы для цифровых компонентных видеосигналов в телевизионных системах с 525 и 625 строками, работающих на уровне 4:2:2 согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (Часть В)
ВТ. 1303 Interfaces for digital component videosignals in 525-line and 625- line television systems operating at the 4:4:4 level of Recommendation ITU-R BT.601 (PartB) Интерфейсы для цифровых компонентных видеосигналов в телевизионных системах с 525 и 625 строками, работающих на уровне 4:4:4 согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (Часть В).
ВТ. 1304 Checksum for error detection and status information in interfaces conforming with Recommendations ITU-R BT.656 and ITU-R BT.799 Контрольная сумма для обнаружения ошибок и информация статуса в интерфейсах, соответствующих Рекомендациям МСЭ-Р ВТ.656 и ВТ.799
ВТ. 1305 Digital audio and auxiliary data as ancillary data signals in interfaces conforming to Recommendations ITU-R BT.656 and ITU-R BT.799 Цифровой звук и вспомогательные данные в виде сигналов дополнительных данных в интерфейсах, соответствующих Рекомендациям МСЭ-Р ВТ.656 и ВТ.799
ВТ. 1362 Interfaces for digital component video signals in 525- and 625-line progressive scan television systems Интерфейсы для цифровых компонентных видеосигналов в системах телевидения с 525 и 625 строками прогрессивной развертки
ВТ. 1364 Format of ancillary data signals carried in digital component studio interfaces Формат сигналов дополнительных данных, переносимых через студийные интерфейсы для цифровых компонентных сигналов
ВТ. 1365 24-bit digital audio format as ancillary data signals in HDTV serial interfaces Формат цифрового звука с 24 битами в качестве сигналов дополнительных данных в последовательных интерфейсах ТВЧ
Действующие Рекомендации МСЭ-Р серий ВТ и ВО
509
ВТ.656-4 Interfaces for digital component video signals in 525-line and 625- line television systems operating at the 4:2:2 level of Recommendation ITU-R ВТ 601 (Part A) Интерфейсы для цифровых компонентных видеосигналов в телевизионных системах с 525 и 625 строками, работающих на уровне 4:2:2 согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (Часть А)
ВТ.799-3 Interfaces for digital component videosignals in 525-line and 625- line television systems operating at the 4:4:4 level of Recommendation ITU-R BT.601 (Part A) Интерфейсы для цифровых компонентных видеосигналов в телевизионных системах с 525 и 625 строками, работающих на уровне 4:4:4 согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (Часть А)
Вещание данных
ВТ. 1126 Data transmission protocols and transmission control scheme for data broadcasting systems using a data channel in satellite television broadcasting Протоколы передачи данных и схема управления передачей для систем вещания данных, использующих канал передачи данных спутникового ТВ вещания
ВТ. 1366 Transmission of time code and control code in the ancillary data space of a digital television stream according to ITU-R ВТ.656, ВТ.799 and ВТ. 1120 Передача кода времени и кода управления в промежутках дополнительных данных цифрового ТВ потока согласно Рекомендациям МСЭ-Р ВТ.656, ВТ.799 и ВТ.1120
ВТ.807 Reference model for data broadcasting Эталонная модель вещания данных
ВТ.810 Conditional-access broadcasting systems Вещательные системы с условным доступом
Измерения и оценка качества
ВТ.1129-2 Subjective assessment of standard definition digital television (SDTV) systems Субъективная оценка систем цифрового телевидения стандартной четкости (SDTV)
ВТ. 1204 Measuring methods for digital video equi pment with analogue input/output Методы измерений для цифрового видеооборудования с аналоговыми входом / выходом
ВТ. 1205 User requirements for the quality of baseband SDTV and HDTV signals when transmitted by digital satellite news gathering (SNG) Требования пользователей к качеству сигналов основной полосы SDTV и ТВЧ, передаваемых по каналам цифрового спутникового сбора новостей (SNG)
510
Приложение 1
ВТ. 1363-1 Jitter specifications and methods for jitter measurements of bit-serial signals conforming to Recommendations ITU-R ВТ.656, BT.799 and ВТ. 1120 Спецификации на фазовое дрожание и методы измерении фазового дрожания в последовательностях битов, соответствующих Рекомендациям МСЭ-Р BT.656, ВТ.799 и ВТ. 1120
ВТ.801-1 Test signals for digitally encoded colour television signals conforming with Recommendations ITU-R BT.601 (Part A) and ITU-R BT.656 Испытательные сигналы для цифровых кодированных сигналов цветного телевидения, соответствующих Рекомендациям МСЭ-Р ВТ.601 (Часть А) и ВТ.656
ВТ.802-1 Test pictures and sequences for subjective assessments of digital codecs conveying signals produced according to Recommendation ITU-R BT.601 Испытательные изображения и последовательности для субъективных оценок цифровых кодеков для передачи сигналов, получаемых согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601
ВТ.813 Methods for objective picture quality assessment in relation to impairments from digital coding of television signals Методы объективной оценки качества изображения при его ухудшении вследствие цифрового кодирования телевизионных сигналов
Список литературы
1. ITU-R. Doc.ll/1002-Е, 5.04.2000. (Radiocommunication Study Group
11). - Broadcasting Service (Television). List of Recommendations. -
ITU Radiocommunication Assembly. Istambul. 1—5 May 2000.
2. List of ITU-R Recommendations. Edition 2000. — ITU. January 2000.
3. ITU-R Recommendations on CD-ROM. — March 2001. — English
edition.
4. Информация доступна по адресам:
http://www.itu.int/itudoc/itu-r/rec/bt/index.html
http:/ / www. itu. int/itudoc/itu-г/гес/bo/index. html
Приложение 2
Перечень рекомендаций МСЭ-Т
Служебные обязанности Сектора стандартизации электросвязи Меж-
дународного союза электросвязи (МСЭ-Т) заключаются в изучении тех-
нических, эксплуатационных и тарифных вопросов, относящихся к
службам и оборудованию электросвязи, и в издании по ним рекоменда-
ций с целью стандартизации электросвязи на международной основе,
включая рекомендации по сопряжению систем радиосвязи с сетями
электросвязи общего пользования и на характеристики, требуемые для
этих межсоединений. Перечень действующих Рекомендаций МСЭ-Т се-
рии J приведен ниже [1].
Действующие Рекомендации МСЭ-Т серии J
Номер рекомен- дации Название рекомендации Область действия рекомендации
Цифровая передача сигналов
J.1 Terminology for new services in television and sound-programme transmission Терминология для новых служб в составе передаваемых теле- визионных и звуковых программ
J.80 Transmission of component-coded digital television signals for contribution-quality applications at bit rates near 140 Mbit/s Передача компонентно-кодиро- ванных цифровых телевизионных сигналов в системах репортажного качества при скоростях передачи около 140 Мбит/с
J.81 Transmission of component-coded digital television signals for contribution-quality applications at the third hierarchical level of ITU-T Recommendation G 702 Передача компонентно-кодиро- ванных цифровых телевизионных сигналов в системах репортажного качества при скоростях третьего уровня иерархии согласно Рекомендации МСЭ-Т G.702
J.82 Transport of MPEG-2 constant bit rate television signals in B-ISDN Транспортировка ТВ сигналов MPEG-2 с постоянной скоростью битов в ЦСИС-Ш
J.85 Digital television transmission over long distances - General principles Передача сигналов цифрового телевидения на большие расстояния. Общие принципы
J.86 Mixed analogue-and-digital transmission of analogue composite television signals over long distances Смешанная аналоговая и цифровая передача аналоговых композитных телевизионных сигналов на большие расстояния
512
Приложение 2
J.91 Technical methods for ensuring privacy in long-distance international television transmission Технические методы обеспечения секретности при международной телевизионной передаче на большие расстояния
J.92 Recommended operation guidelines for point-to-point transmission of television programmes Рекомендуемые эксплуатационные принципы при передачах ТВ программ типа "точка - точка"
J.131 Transport of MPEG-2 signals in PDH networks Транспортировка сигналов MPEG-2 в сетях ПЦИ
J.132 Transport of MPEG-2 signals in SDH networks Транспортировка сигналов MPEG-2 в сетях СЦИ
Цифровые системы ТВ
J.83 Digital multi-programme systems for television, sound and data services for cable distribution Цифровые многопрограммные системы кабельного распре- деления служб телевидения, звука и данных
J.87 Use of hybrid cable television links for the secondary distribution of television into the user's premises Использование гибридных кабель- ных телевизионных цепей для вторичного распределения телевидения в помещения пользователей
J.90 Electronic programme guides for delivery by digital cable television and similar methods Доставка электронных путеводи- телей по программам цифровыми ТВ кабельными системами и подобными методами
J.93 Requirements for conditional access in the secondary distribution of digital television on cable television systems Требования по ограничению доступа при вторичном распреде- лении цифрового телевидения кабельными ТВ системами
J.94 Service information for digital broadcasting in cable television systems Сервисная информация для цифрового радиовещания по кабельным ТВ системам
J.140 Subjective picture quality assessment for digital cable television systems Субъективная оценка качества изображения в цифровых кабель- ных телевизионных системах
Интерактивные системы
J.110 Basic principles for a worldwide common family of systems for the provision of interactive television services Основные принципы построения всемирного семейства интер- активных телевизионных систем
J.111 Network independent protocols for interactive systems Сетенезависимые протоколы для интерактивных систем
J.112 Transmission systems for interactive cable television services Системы передачи для интерактивных кабельных ТВ служб
Действующие Рекомендации МСЭ-Т серии J
513
J.113 Digital video broadcasting interaction channel through PSTN/ISDN Канал взаимодействия через сети ТФОП / ЦСИО в системах цифро- вого телевизионного вещания
Многоканальные распределительные ТВ системы
J.84 Distribution of digital multi- programme signals for television, sound and data services through SMATV networks Распределение цифровых многопрограммных сигналов служб телевидения, звука и данных по сетям SMATV
J.150 Operational functionalities for the deliveryof digital multi programme television, sound and data services through multichannel, multipoint distribution systems (MMDS) Эксплуатационные функциональные возможности доставки цифровых много- программных сигналов служб телевидения, звука и данных по многоканальной, многоточечной распределительной системе (MMDS)
Литература
1. Информация доступна по адресу:
http: // www.itu.int/ itudoc/itu-t/ гее/ j / index.html
Приложение 3
Перечень стандартов DVB
Ниже приведен аннотированный перечень стандартов DVB, подготовлен-
ных комитетом JTC Broadcast и опубликованных институтом ETSI [1].
Перечень стандартов DVB
Номер стандарта Название стандарта Аннотация стандарта
EN 300 421 V1.1.2 (08/1997) Структура цикловой синхронизации, методы кодирования для канала и модуляции для спутниковых служб в диапазоне 11/12 ГГц (DVB-S) Основополагающая система цикловой синхронизации, модуляции и канального кодирования для служб спутникового первичного и вторичного распределения сигналов цифрового многопрограммного телевизионного вещания DVB-S предназначена для обеспечения непосредственного приема на домашние интегрированные приемники-декодеры IRD, на станции коллективного приема с общей антенной SMATV и на головные станции кабельного телевидения с возможностью ремодуляции. В системе используется 4-позиционная относительная фазовая модуляция QPSK и каскадное кодирование для защиты от ошибок на основе сверточного кода и укороченного кода Рида-Соломона. Система пригодна для использования транспондерами с различными полосами пропускания. Обеспечивается совместимость с ТВ службами, кодированными по стандарту MPEG-2 и имеющими структуру передачи,синхронную с мультиплексированными пакетами данных. Все компоненты служб мультиплексируются с разделением во времени (TDM) и передаются на единственной цифровой несущей
EN 300 429 V1.2.1 (04/1998) Структура цикловой синхронизации, методы кодирования для канала и модуляции для систем кабельного телевидения (DVB-C) Основополагающая система цикловой синхронизации, модуляции и канального кодирования для цифрового многопрограммного кабельного телевидения. Этот гармонизированный стандарт передачи по кабельным и спутниковым трактам основан на системном уровне MPEG-2 с добавлением прямого исправления ошибок. Стандарт совместим с системой модуляции / кодирования для канала, используемой для цифрового многопрограммного спутникового телевидения DE/JTC- DVB-6. Система основывается на использовании квадратурной амплитудной модуляции типа 16-, 32,- 64-, 128- или 256-QAM. Система защиты от ошибок улучшает коэффициент ошибок по битам с 10 4 до Ю10— 10 11, т.е. обеспечивает квазибезошибочный прием сигнала
Перечень стандартов DVB
515
EN 300 468 V1.3.1 (02/1998) Спецификация сервисной информации (SI) в системах цифрового ТВ вещания (DVB-SI) Стандарт распространяется на системы цифрового телевизионного вещания DVB и специфицирует данные сервисной информации SI, которые составляют часть цифрового потока системы DVB. При наличии данных SI пользователь может быть обеспечен информацией, помогающей в выборе услуг и программных сюжетов из общего потока битов, а интегрированный приемник- декодер IRD может автоматически, самоконфигурироваться под выбранную службу Сервисная информация SI определена в стандарте ISO/IEC 13818-1 как специфическая информация о программе PSI. В данном стандарте введены дополнения спецификации на PSI за счет описания данных, облегчающих автоматическую настройку IRD, и дополнительной информации, предназначенной для показа пользователю, главным образом, в форме текста. Способ представления информации не определен, и изготовителям IRD дана свобода выбора соответствующих методов ее представления. Предполагается, что в будущем данные SI составят основу электронного путеводителя по программам EPG. В нормативном Приложении А приведены принципы кодирования текстовых знаков и кодовые таблицы знаков латинского и других алфавитов. Кодовая таблица знаков латиницы/кириллицы в части русского алфавита соответствует отечественной кодировке КОИ-8
EN 300 472 V1.2.2 (08/1997) Спецификация передаваемых сигналов телетекста системы В МСЭ-Р в потоках цифрового ТВ вещания (DVB-TXT) Описываемый метод позволяет передавать сигналы телетекста Системы МСЭ-Р типа В в потоках цифрового ТВ вещания DVB. Транспортный механизм обеспечивает: - поддержку транскодирования данных телетекста в кадровый гасящий интервал аналогового ТВ сигнала; - максимальную скорость передачи данных для каждой службы телетекста, соответствующую 16 строкам кадрового гасящего интервала; - передачу субтитров с точными временными соотношениями с видеосигналом. Указанный в стандарте синтаксис транспортного уровня может быть адаптирован для передачи данных иного вида
EN 300 473 V1.1.2 (08/1997) Спутниковые распреде- лительные ТВ системы с коллективной антенной (SMATV) (DVB-CS) Система передачи сигналов цифрового многопрограммного телевидении для спутниковых распределительных ТВ систем с общей антенной SMATV. Этот стандарт дополняет стандарт ETS 300 429 (кабельный) и стоит в одном ряду со стандартом ETS 300 421 (спутниковый). Система SMATV совместима с подсистемами модуляции и кодирования для канал а, используемыми для цифрового многопрограммного кабельного телевидения и спутникового вещания. Система основана на системном уровне MPEG-2, с добавлением соответствующих методов прямого исправления ошибок
ETS 300 743 ed.1 (09/1997) Системы субтитрирова- ния (DVB-SUB) Стандарт специфицирует метод, с помощью которого субтитры, логограммы и другие графические элементы могут быть кодированы и переданы в составе цифрового потока системы DVB. Для определения цветов графических элементов в системе используются цветные поисковые таблицы GLUT. Приведено подробное описание модели декодера субтитров, принципов использования таблиц CLUT и их структуры. Значительная часть стандарта содержит семантические определения
516
Приложение 3
EN 300 744
V1.2.1
(07/1999)
EN 300 748
V1.1.2
(08/1997)
Стандарт распространяется на тракты передачи сигналов
базовой системы цифрового наземного ТВ вещания DVB-T
и определяет структуру цикловой синхронизации, методы
кодирования для канала и модуляции для цифрового
наземного телевидения
Система предназначена для работы по существующим
каналам, выделенным для аналогового телевидения,с
возможностью построения одночастотных сетей. Для
наибольшей унификации с системами передачи по
спутниковым и кабельным каналам используются
цикловом однотипные методы внешнего кодирования кодами Рида-
синхронизации, Соломона и сверточного перемежения.
методы
кодирования
для канала и
модуляции
для цифрового
Многоточеч-
ные видео -
распреде-
лительные
системы
(MVDS)
в диапазоне
1 ОГГц и выше
(DVB-MS)
В системе используется многочастотная схема модуляции
OFDM в режимах с 2к или 8к несущими, при этом
допускается несколько вариантов первичной модуляции
типа 4-QPSK и 1 6-,32-,64-QAM с соответствующим
изменением скорости внутреннего сверточного кода,что
обеспечивает нисколько уровней помехоустойчивости в
зависимости от свойств радиоканала. Стандарт допускает
иерархическое кодирование информации при трех видах
сигнальных созвездий: равномерного и двух
неравномерных, что позволяет осуществлять приоритетный
прием заданных служб
Подробно описаны алгоритмы скремблирования,
перемежения, кодирования цифровых потоков и синтеза
сигнально-кодовых конструкций, сочетающих решетчатое
кодирование с модуляцией QAM. Детально представлены
характеристики и форматы группового вещаемого сигнала
с множеством несущих OFDM.
Описаны модуляция и канальное кодирование для
распределения цифрового многопрограммного
телевидения (МПТВ) /телевидения высокой четкости (ТВЧ)
с помощью систем MVDS диапазона 40 ГГц
Система основана на описанной в стандарте ETS 300 421
системе для спутниковых служб диапазона 11/12 ГГц. Это
позволяет потребителю использовать тот же самый
интегрированный приемник декодер IRD для любой службы
при наличии блока МШУ-конвертера "вниз " (LNВ) для
соответствующего диапазона частот.
Полоса частот от 40,5 до 42,5 ГГц была согласована с
нормами СЕРТ согласно Рекомендации T/R 52-01
Система применима и к другим диапазонам частот свьн
10 ГГц.
В системе используется модуляция QPSK и каскадная
защита от ошибок на основе сверточного кода и
укороченного кода Рида-Соломона.
52-01
частот свыше
каскадная
Систему можно использовать при различных полосах частот
передатчика MVDS. Обеспечена совместимость с ТВ
службами, удовлетворяющими стандарту MPEG-2 (ISO/IEC
13818-1) и имеющими структуру передачи, синхронную с
мультиплексированным потоком пакетов данных. Все
компоненты службы мультиплексируются с временным
разделением и передаются на единственной цифровой
несущей
Стандартизируются структура цикловой синхронизации,
методы канального кодирования и модуляции в цифровых
распределительных системах MMDS в диапазонах частот
ниже ЮГГц. В системе применяются те же методы
цикловой синхронизации,кодирования для канала и
модуляции,что и в системе передачи по кабелю,описанной
в стандарте ETS 300429. В основной части стандарта кратко
Перечень стандартов DVB
517
EN 300 749 V1.1.2 (08/1997) Микро- волновые много- точечные распреде- лительные системы (MMDS) в диапазоне ниже 10 ГГц (DVB-MC) Стандартизируются структура цикловой синхронизации, методы канального кодирования и модуляции в цифровых распределительных системах MMDS в диапазонах частот ниже 10 ГГц. В системе применяются те же методы цикловой синхронизации, кодирования для канала и модуляции, что и в системе передачи по кабелю, описанной в стандарте ETS 300 429. В основной части стандарта кратко изложены методы помехоустойчивого кодирования кодом Рида-Соломона, сверточного перемежения и формирования решетчатых сигнально- кодовых конструкций с использованием модуляции 16-, 32- и 64-QAM. Система подходит для использования при различных полосах частот передатчика MMDS. Система MMDS осуществляет сопряжение цифрового потока ТВ программы, выдаваемого в основной полосе частот в стандарте транспортного потока MPEG-2 из спутниковых, кабельных и программно-распределительных трактов, с параметрами вещательного канала СВЧ диапазона
ES 200 800 V1.2.1 (04/2000) Интер- активный канал для кабельных распреде- лительных ТВ систем (DVB-RCC) Это основополагающий стандарт, распространяющийся на интерактивную кабельную систему DVB с асимметричными интерактивными каналами. Приведены эталонная модель интерактивной системы цифрового ТВ вещания, модель стека протоколов для интерактивного обмена и их описание. Подробно нормированы структура и параметры обратного канала в цифровой кабельной системе. Описаны протоколы цифровой абонентской приставки
ETS 300 800 ed.1 (07/1998) Интер- активный канал для кабельных распреде- лительных ТВ систем (DVB-RCC) В стандарте приведено описание параметров интерактивного канала в системе кабельного распределения сигналов цифрового ТВ вещания DVB. Стандарт не специфицирует параметры и варианты использования обратного канала, ассоциированного с какой-либо конкретной вещательной системой, поскольку желательно иметь взаимодействие по универсальному обратному каналу, не зависящему от среды передачи. Описаны физический и транспортный уровни системы доставки ТВ программ на дом, имеющей узкополосный обратный канал. В стандарте освещаются специфические аспекты использования коммутируемой телефонной сети общего пользования ТФОП и цифровой сети с интеграцией служб ЦСИС
ETS 300 801 ed.1 (08/1997) Интер- активный канал, организуемый по коммути- руемой телефонной сети общего пользования (ТФОП) или по цифровой сети с интеграцией служб (ЦСИС) (DVB-RCP) Стандарт распространяется на узкополосные обратные каналы систем цифрового телевизионного вещания (DVB), организуемые в ТФОП или в ЦСИС. Стандарт не специфицирует параметры и варианты использования обратного канала, ассоциированного с какой-либо конкретной вещательной системой, поскольку желательно иметь взаимодействие по универсальному обратному каналу, не зависящему от среды передачи. Представленные решения основываются на обратных каналах через сеть ТФОП /ЦСИС и являются частью более широкого набора альтернатив для интерактивных служб в системах DVB . Узкополосные обратные каналы в системах DVB реализуют интерактивный режим, с помощью которого пользователь, посылая запросы поставщику услуг или отвечая на вопросы, может определять вид и форму получаемой информации. Предлагаемое техническое решение пригодно для различных систем DVB, обеспечивающих вещание по наземным, спутниковым, кабельным каналам, включая непосредственное вещание и распределение по MMDS/MVDS
518
Приложение 3
ETS 300 802 ed.1 (11/1997) Независящие от сети протоколы для интерактивных служб цифрового ТВ вещания (DVB-NIP) Стандарт специфицирует стержневые требования к стеку сетенезависимых протоколов для систем DVB, поддерживающих службы интерактивного вещания с узкополосными обратными каналами. Система протоколов задает комплекс требований для разнообразных будущих интерактивных служб с узкополосными обратными каналами. Интерактивные услуги реализуются в системах, имеющих высокоскоростной нисходящий канал от поставщиков услуг до потребителей (вплоть до максимальной скорости канала вещания), и низкоскоростные интерактивные каналы (со скоростями битов до 150 кбит/с). Поставщики служб радиовещания и интерактивных услуг не связаны необходимостью работать в одном месте. Интерактивный канал позволяет потребителю реагировать путем голосования, заказывать некоторые группы программ или выбирать кино- и видеофильмы по запросу. Также возможно поставлять текстовые и графические материалы, аудиопрограммы и неподвижные изображения, включая электронную почту, хотя это может потребовать интерактивный канал с более высокими скоростными характе ристи кам и. Возможны разные конфигурации сети, охватывающие известные в настоящее время виды вещания, включая спутниковое, наземное, кабельное, SMATV и MMDS в комбинации с интерактивными каналами в ТФОП, ЦСИС, кабельных сетях и др. Зависящие от сети протоколы определены в стандартах ETS 300 800, ETS 300 801 и ETS 300 803.
ETS 300 813 ed.1 (12/1997) Интерфейсы систем цифрового ТВ вещания с сетями плезио- хронной цифровой иерархии (ПЦИ) (DVB-PDH) Стандарт специфицирует структуру и характеристики сетевого адаптера, обеспечивающего согласование кодированных кодом Рида-Соломона транспортных потоков MPEG-2 системы DVB с интерфейсами сетей плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) со скоростями от 1544 кбит/с до 139264 кбит/с. Основные параметры интерфейсов и нормы для сетей PDH соответствуют Рекомендациям ITU-T G.702, G.703, G.704, G.804 .G.832. Подробно описаны параметры интерфейсов различных типов для сопряжения систем, а также методы обработки ' сигналов в передатчике и приемнике звена ПЦИ для различных применимых скоростей передач
ETS 300 814 ed.1 (03/1998) Интерфейсы систем цифрового ТВ вещания с сетями синхронной цифровой иерархии (СДИ) (DVB-SDH) В стандарте специфицируется передача транспортных потоков MPEG-2 между двумя интерфейсами систем цифрового телевизионного вещания DVB по сетям синхронной цифровой иерархии (СЦИ), работающим с иерархическими скоростями передачи 155520 кбит/с или 51840 кбит/с согласно Рекомендации ITU-T G.707. Использование любой из этих скоростей передачи битов осуществляется по выбору. Подробно рассматривается сетевой адаптер, т.е. оборудование, позволяющее осуществлять сопряжение между транспортными пакетами MPEG-2 и интерфейсами сетей СЦИ. Техническое решение передачи транспортных пакетов MPEG-2, кодированных, в частности, кодом Рида-Соломона, по сетям СЦИ основывается на асинхронном методе передачи ATM. Сетевой адаптер предоставлен как группа функциональных блоков, для каждого из которых определены принципы действия и взаимодействия с другими блоками
Перечень стандартов DVB
519
EN 301 192 V1.2.1 (06/1999) Спецификация вещания данных по системе цифрового ТВ вещания (DVB-DATA) Стандарт специфицирует основные положения службы вещания данных в системе цифрового телевизионного вещания DVB. Вещание данных как расширение стандартов по DVB, основанных на протоколе MPEG-2. Определяются прикладные зоны в области вещания данных, а именно: протокол туннелирования Интернета (IP tunnelling), конвейерная обработка данных (Data piping) и доставка потоков данных (Data streaming) по различным средам передачи.
EN 301 193 V1.1.1 (07/1998) Интер- активный канал через цифровую усовершен- ствованную беспроволоч- ную систему связи (DECT) (DVB-RCD) Стандарт представляет собой базовую спецификацию двустороннего интерактивного канала между абонентом и провайдером услуг системы DVB, организованного с помощью цифровой усовершенствованной беспроволочной системы связи DECT. Концепция интерактивного канала соответствует эталонной модели интерактивной системы DVB, основанной на асимметричной архитектуре: узкополосный интерактивный канал - широкополосный канал трансляции программы. Затронуты вопросы физического и транспортного уровней модели взаимодействия открытых систем. Приводятся принципы организации и нормы для физического и транспортного уровней асимметричного интерактивного канала
EN 301 195 V1.1.1 (02/1999) Интер- активный канал через Глобальную систему мобильной связи (GSM) (DVB-RCG) Стандарт представляет собой основную спецификацию на интерактивный канал, организуемый по системе GSM, для системы цифрового ТВ вещания DVB. Интерактивный канал на основе GSM применим для спутникового, кабельного, наземного вещания, распределительных сетей MATV и SMATV, а также для любых перспективных распределительных или вещательных систем. Технические решения, сформулированные для интерактивного канала через GSM, являются частью более широкого набора альтернатив, реализующих интерактивные службы для систем цифрового ТВ вещания. Инфраструктура GSM позволяет организовать двусторонний интерактивный канал между зрителем и провайдером системы DVB. Описана общая структурная схема модели комбинированной системы DVB-GSM применительно к физическому и транспортному уровням
EN 301 199 V1.2.1 (06/1999) Интер- активный канал для локальных многоточечных распредели- тельных систем (LMDS) (DVB-RCL) Стандарт распространяется на параметры и свойства интерактивного канала, используемого в локальных многоточечных распределительных системах LMDS Стандарт не предназначен для специфицирования параметров обратного канала, поскольку такие каналы могут различаться в зависимости от архитектуры конкретной системы. Приводятся нормы для физического и транспортного уровней асимметричного интерактивного канала системы LMDS. Нормы согласуются с положениями стандарта ETS 300 800, специфицирующего параметры обратного канала для кабельных систем цифрового телевидения
520
Приложение 3
EN 301 210 V1.1.1 (03/1999) Структура цикловой синхронизации, методы кодирования для канала и модуляции для цифровых спутниковых служб сбора новостей (DSNG) и других спутниковых систем первичного распределения (DVB-DSNG) Проект стандарта определяет систему кодирования для канала и модуляции для цифровых спутниковых систем сбора новостей DSNG и других спутниковых систем первичного распределения Система представляет собой функциональный блок оборудования, осуществляющий адаптацию ТВ сигнала в основной полосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2 с характеристиками спутникового канала Поддерживается максимальная унификация со стандартом EN 300 421 по таким механизмам, как мультиплекси- рование транспортного потока, скремблирование для рассеивания энергии, каскадная защита от ошибок, основанная на внешнем кодировании кодом Рида - Соломона, сверточном перемежении и внутреннем сверточном кодировании Совместимость системы основана на поддержке (как поднабора) всех форматов передачи, указанных в стандарте EN 300 421 и использующих 4-фазовую модуляцию QPSK, подходящую как для служб DSNG, так и для других спутниковых систем первичного распределения Вместе с тем, для удовлетворения некоторых специфических требований спутниковых систем первичного распределения добавлены другие опции режимов передачи, использующих 8-фазовую манипуляцию (8PSK) и квадратурную амплитудную модуляцию 16QAM
EN 301 222 V1.1.1 (07/1999) Каналы координации, соответствую- щие системам спутникового сбора новостей (DSNG) (DVB-DSNG) В стандарте зафиксированы сценарии возможного использования каналов координации между репортажными станциями и вещателем или оператором сети. Нормируются скорости передачи данных кодированных речевых сигналов, параметры подсистемы сопряжения, мультиплексирования, кодирования и модуляции В нормативных приложениях к стандарту определены частотные характеристики сигнала и даны примеры возможного использования системы
Список литература
1. DVB CD-ROM Version 30. — Standarts and Specifications.
2. Информация доступна по адресу: http://www.etsi.org/eds/eds.htm
Приложение 4
Основные положения проекта базового стандарта цифрового
ТВ вещания в России
Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев, И.Н.Красносельский. — НИИР. Москва.
Доложено на Международном конгрессе HAT, Москва, 17-20 октября 2000 г., TRBE'2000.
Введение
Проект базового стандарта цифрового наземного ТВ вещания (ЦНТВ)
был разработан по заданию Министерства связи России в преддверии
запланированных испытаний системы цифрового наземного ТВ веща-
ния в опытных зонах. Проект базового стандарта отражает социальный
заказ и острую необходимость подготовки технических и нормативных
основ для реализации возможности создания опытных участков. Базо-
вый стандарт служит цели упорядочения процесса внедрения цифрово-
го ТВ вещания в России, он интегрирует технические требования и
подходы к внедрению цифрового наземного ТВ вещания с детализаци-
ей по отдельным его компонентам.
Основные положения проекта базового стандарта отражают, в пер-
вую очередь, разработанные в России с учетом международного опыта
подходы к многоцелевой мультимедийной системе ТВ вещания.
Разработанный проект базового стандарта цифрового ТВ вещания
основывается на параметрах каналов и трактов действующей ТВ сети
России и учитывает специфику переходного периода от аналогового к
цифровому вещанию, в течение которого будет осуществляться комби-
нированное вещание в аналоговом и цифровом форматах.
Принципиальное значение имеет Постановление Правительства Рос-
сийской Федерации от 26 мая 2000 г. № 413 "О сближении распределе-
ния и условий использования полос радиочастот в Российской Федера-
ции с международным распределением полос радиочастот", в
соответствии с которым на территории России предпочтительно при-
менять системы цифрового ТВ вещания общеевропейских стандартов
DVB-T, DVB-S, DVB-С, включая распределительные системы типа
MMDS, MVDS, LMDS и т.п., обеспечивающие оптимальное сопряжение
опытных участков цифрового вещания с пограничными странами.
Поэтому проект стандарта ориентирован на принципы и характери-
стиках системы цифрового наземного ТВ вещания DVB-Т, принятой в
качестве национальных стандартов в странах Европейского Союза и
включенной в Рекомендацию МСЭ ВТ. 1306 в качестве одной из трех
возможных альтернатив для принятия в мировом масштабе. Он полу-
чил также широкую международную поддержку (информация доступ-
на в Интернете по адресу: http://www.dvb.org). Основанием для прове-
522
Приложение 4
дения первоочередных испытаний в опытных зонах и соответственно
стандартизации являются: Постановление коллегии Госкомсвязи Рос-
сии от 26 марта 1999 г. "О концепции внедрения наземного цифрового
телевизионного и звукового вещания в России", Постановление колле-
гии Минсвязи России от 10 декабря 1999 г. "О стратегии перехода от
аналогового к цифровому телевизионному вещанию в России" и Реше-
ния Межведомственного конструктората по цифровому телевидению.
В связи с тем, что опытные зоны цифрового ТВ вещания только
начали создаваться, стандартизацию системы цифрового ТВ вещания
было решено вести в два этапа: на первом этапе предусматривалось
формирование общих технических требований к системам, используе-
мым на создаваемых опытных участках, а на втором — их уточнение и
выработка окончательных норм.
Форма разработанного проекта стандарта с отсылкой к основопола-
гающим международным документам соответствует подходам, исполь-
зованным при разработке национальных стандартов на цифровое на-
земное ТВ вещание в Австралии и спутниковое вещание в США, а
именно:
Draft Australian Standard for Comment: DR 99047. Digital
television-Terrestrial broadcasting. Date of Issue: 1 February 1999.
ATSC Standard. Modulation and Coding Requirements for Digital
TV (DTV) Applications over Satellite: Doc. A/80, 17 July 1999.
Смысл такого подхода в том, что за основу взяты Стандарты MPEG-2
(ISO/IEC 13818-1, 13818-2, 13818-3, 13818-6), Рекомендации МСЭ-Р и
необходимая гамма европейских стандартов DVB. Поскольку полная
совокупность используемых положений этих стандартов весьма объем-
на, то нет необходимости прибегать к их прямому цитированию. Вмес-.
то этого в проекте стандарта сформулированы основные определения и
нормы, на которые даются отсылки на оригинальные тексты.
Разработанный проект базового стандарта цифрового наземного ТВ
вещания для России является первой попыткой нормирования струк-
туры и параметров тракта адаптации к каналу одной из систем цифро-
вого телевидения. По всей видимости, в последующие годы число зон
цифрового вещания, их география и номенклатура используемых циф-
ровых систем будут расширяться. Поэтому проект базового стандарта
цифрового наземного ТВ вещания может и должен уточняться с уче-
том накопленного опыта, чтобы служить основой разработки в буду-
щем комплекса стандартов систем и методов цифрового вещания по
каналам действующей ТВ сети.
Ниже приводится текст проекта базового стандарта цифрового теле-
визионного вещания.
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
523
Проект базового стандарта цифрового телевизионного вещания
Область действия и структура стандарта
Область действия. Проект базового стандарта цифрового телевизи-
онного вещания определяет структуру и основные параметры системы
цифрового наземного телевидения, которая будет использоваться в Рос-
сии при организации вещания в опытных зонах.
Проект стандарта распространяется на методы канального кодиро-
вания, мультиплексирования и модуляции в системе наземного веща-
ния, определяет методы и протоколы вещания независимых данных,
ограничения доступа, транспортировки информации телетекста и суб-
титров, специфицирует характеристики транспортного потока и слу-
жебной сервисной информации.
Структура стандарта. Проект стандарта перечисляет основные
элементы системы цифрового наземного ТВ вещания (ЦНТВ) с привяз-
кой их к конкретным международным стандартам, рекомендациям и
руководящим техническим материалам, которые детализируют мето-
ды и параметры применительно к цифровому наземному телевидению.
Разделы и пункты, носящие принципиальный характер, цитируются
полностью, для остальных приводится ссылка на первоисточник. Для
удобства этот стандарт разбит на части, характерные для полной сис-
темы ЦНТВ. Следует учитывать, что некоторые части проекта стан-
дарта связаны более чем с одним документом, на который имеется ссыл-
ка, в то время как некоторые документы относятся к более чем одной
части стандарта.
Во время подготовки проекта стандарта многие из международных
документов, положенных в его основу и определяющих контуры систе-
мы цифрового ТВ вещания, уточнялись и пересматривались. Поэтому
разделы данного проекта, содержащие ссылки на значения парамет-
ров, взятые из датированных версий международных документов, дос-
тупных на момент составления стандарта, могут быть подвергнуты в
будущем адекватной коррекции.
Содержание
1. Общие сведения
2. Кодирование для канала и модуляция
2.1. Рандомизация и перемежение
2.2. Внешнее кодирование
2.3. Внутреннее кодирование
2.4. Сигнальные созвездия и отображение битов
2.5. Структура кадра OFDM
2.6. Сигнализация о параметрах передачи
2.7. Защитные интервалы
524
Приложение 4
2.8. Характеристики спектра и маска спектра
3. Структура мультиплексирования и транспортного потока
3.1. Взаимосвязь со стандартами MPEG-2
3.2. Уровень пакетированного элементарного потока (PES)
3.2.1. Пакетированный элементарный поток (PES)
3.2.2. Поле streamid
3.2.3. Поле PESpacket length
3.2.4. Поля ESCR и ES rate
3.2.5. Поле PESpriority
3.3. Уровень пакета транспортного потока (TS)
3.3.1. Заголовок транспортного пакета
3.3.2. Поле transport error indicator
3.3.3. Поле transport priority
3.3.4. Поле transport scrambling control
3.3.5. Значения идентификатора пакета (PID) для таблиц сер-
висной информации (SI)
3.4. Поле адаптации
3.4.1. Эталонные метки времени программы (PCR)
3.4.2. Необязательные поля
3.5. Сервисная информация
3.6. Таблицы сервисной информации (SI)
3.6.1. Таблицы специальной информации о программах (PSI)
3.6.1.1. Таблица взаимосвязи программы (РАТ)
3.6.1.2. Таблица ограниченного доступа (CAT)
3.6.1.3. Таблица структуры программы (РМТ)
3.6.1.4. Таблица сетевой информации (NIT)
3.6.2. Таблицы сервисной информации (SI)
3.6.2.1. Таблица группы служб (ВАТ)
3.6.2.2. Таблица описания службы (SDT)
3.6.2.3. Таблица информации о событиях (EIT)
3.6.2.4. Таблица текущего статуса (RST)
3.6.2.5. Таблица времени и даты (TDT)
3.6.2.6. Таблица смещения времени (ТОТ)
3.6.2.7. Таблица стаффинга (ST)
3.6.2.8. Таблица выбираемой информации (SIT)
3.6.2.9. Таблица неоднородности информации (DIT)
4. Структура элементарных потоков
4.1. Элементарный поток видеоданных
4.2. Синтаксис и семантика потока видеоданных
4.3. Элементарный поток аудиоданных
4.4. Синтаксис и семантика потока аудиоданных
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
525
5. Вещание данных
5.1. Конвейерная пересылка данных
5.1.1. Определение транспортировки данных
5.1.2. Требования к специальной информации о программах
(PSI) и сервисной информации (SI)
5.1.2.1. Дескриптор data_broadcast_descriptor
5.1.2.2. Поле streamtype
5.2. Асинхронная поточная передача данных
5.2.1. Определение транспортировки данных
5.2.2. Требования к специальной информации о программах
(PSI) и сервисной информации (SI)
5.2.2.1. Дескриптор databroadcastdescriptor
5.2.2.2. Поле stream type
5.3. Синхронная и синхронизированная поточная передача дан-
ных
5.3.1. Определение транспортировки данных
5.3.2. Требования к специальной информации о программах
(PSI) и сервисной информации (SI)
5.3.2.1. Дескриптор data broadcast descriptor
5.3.2.2. Поле stream type
5.4. Карусели данных
5.4.1. Определение транспортировки данных
5.4.2. Требования к специальной информации о програм-
мах (PSI) и сервисной информации (SI)
5.4.2.1. Дескриптор data broadcast descriptor
5.4.2.2. Поле stream_type
5.5. Объектные карусели данных
5.5.1. Определение транспортировки данных
5.5.2. Требования к специальной информации о программах
(PSI) и сервисной информации (SI)
5.5.2.1. Дескриптор data_broadcast_descriptor
5.5.2.2. Поле stream type
5.6. Субтитрирование
5.6.1. Определение службы
5.6.2. Иерархия данных и терминология субтитрирования
5.6.3. Модель декодера субтитров
5.6.4. Формат PES-пакета
5.7. Передача телетекста Системы В МСЭ-Р
5.7.1. Определение службы
5.7.2. Ввод телетекста в транспортный поток MPEG-2
6. Ограничение доступа
6.1. Определение службы
526
Приложение 4
6.2. Алгоритм скремблирования
6.3. Использование алгоритма скремблирования в потоках MPEG-2
6.4. Данные ограниченного доступа
Список документов, составляющих основу стандарта
В основу проекта стандарта положены и использованы в системе
ссылок следующие документы:
1. International Standard ISO/IEC 13818-1: 1996 (Е) // ITU-T
Recommendation H.222.0 (07/1995 E). Transmission of Non-Telephone
Signals. Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures
and Associated Audio Information: Systems.
2. International Standard ISO/IEC 13818-2: 1996 (E) // ITU-T
Recommendation H.262 (07/1995 E). Transmission of Non-Telephone
Signals. Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures
and Associated Audio Information: Video.
3. International Standard ISO/IEC 13818-6. — Information Technology
— Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio: Digital
Storage Media Command and Control. — ISO/IEC JTC1/SC29/WG11
MPEG96/N1300pl. July. 1996.
4. ETSI Technical Report ETR 154 (September 1997), Third Edition. —
Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation Guidelines for the
use of MPEG-2 Systems. Video and Audio in Satellite, Cable and
Terrestrial Broadcasting Applications. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
5. ETSI Technical Report ETR 289 (October 1996). — Digital Video
Broadcasting (DVB); Support for Use of Scrambling and Conditional
Access (CA). — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
6. ETSI Technical Report Working Draft ETR 162, SI-DAT 378 Rev.5j
(7-th April 1999). — Digital Broadcasting Systems for Television,
Sound and Data Services; Allocation of Service Information (SI) Codes
for Digital Video Broadcasting (DVB) Systems. — EBU/ETSI JTC.
7. European Standard (Telecommunications series) Draft EN 300 744
VI.2.1 (1999-01). — Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial
Television (DVB-T). — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
8. European Standard (Telecommunications series) Draft EN 301 192
VI.2.1 (1999-01). — Digital Video Broadcasting (DVB); DVB
Specification For Data Broadcasting. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
9. European Standard (Telecommunications series) EN 300 468 VI.3.1
(1998-02). — Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service
Information (SI) in DVB systems. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
527
10. European Standard (Telecommunications series) EN 300 472 VI.2.2
(1997-08). — Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for
Conveying ITU-R System В Teletext in DVB bitstreams.
11. European Telecommunication Standard ETS 300.743 (September 1997).
— Digital Video Broadcasting (DVB); Subtitling System. — EBU/
CENELEC/ETSI JTC.
12. European Telecommunication Standard ETS 300 802 (November 1997).
Digital Video Broadcasting (DVB); Network-independent protocols for
DVB interactive services. — EBU/CENELEC/ETSI JTC.
13. Recommendation ITU-R ВТ.653-3 (1998). — Teletext Systems. —
ITU-R Recommendations on CD-ROM — March 1999.
1. Общие сведения
Система цифрового наземного ТВ вещания (Система ЦНТВ) опреде-
ляется как функциональный блок оборудования, обеспечивающий адап-
тацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной полосе частот
на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2, с характеристиками
стандартного наземного радиоканала вещания, имеющего ширину по-
лосы частот 8 МГц.
Поскольку система ЦНТВ использует существующие частотные пла-
ны и в течение достаточно длительного переходного периода должна
обеспечивать вещание наряду с действующими аналоговыми ТВ систе-
мами Стандарта D, К/SECAM, то она должна обладать требуемой по-
мехозащищенностью со стороны аналоговых систем и не создавать не-
допустимых помех для этих систем.
Система ЦНТВ должна обладать широкими возможностями адапта-
ции своих параметров к различным условиям вещания в различных
зонах и обеспечивать такие системные требования, как:
организация одночастотных сетей вещания;
возможность приема на комнатные антенны;
возможность приема на подвижные приемники;
интерактивность по любым доступным каналам;
универсальность и мультимедийность при передаче видео, звука,
данных и другой информации;
обеспечение специфических протоколов вещания данных;
обеспечение приоритетного иерархического приема;
возможность сопряжения с широкополосными цифровыми сетя-
ми SDH, PDH, ATM.
528
Приложение 4
2. Кодирование для канала и модуляция
2.1. Рандомизация и перемежение
Рандомизация и перемежение должны соответствовать требованиям
Стандарта EN 300 744, и. 4.3.1.
Входящий поток битов системы цифрового вещания должен быть
организован в виде транспортных пакетов фиксированной длины 188
байт, а каждый транспортный поток содержать 1 байт слова синхрони-
зации и 187 байтов мультиплексированных данных. Байты данных
следуют старшим разрядом вперед. Байт синхронизации не скрембли-
руется, его значение (01000111) инвертируется в каждом восьмом транс-
портном пакете.
Чтобы обеспечить рассеивание энергии и близкую к случайной ста-
тистику переходов между битами потока, входной системный поток
MPEG-2 должен быть рандомизирован. Генератор псевдослучайной дво-
ичной последовательности должен иметь следующий порождающий
многочлен:
1 + X14 + X15.
2.2. Внешнее кодирование
Внешнее кодирование системы защиты от ошибок должно соответ-
ствовать требованиям Стандарта EN 300 744, п. 4.3.2.
Внешнее кодирование должно быть применено к потоку входящих
рандомизированных транспортных пакетов. Для внешнего кодирова-
ния используется укороченный код Рида-Соломона (204, 188, t=8), по-
лученный из первоначального систематического кода Рида-Соломона
(255, 239, t=8).
Порождающий многочлен РС-кода:
g(x) = (х + Х°)(х + 2J)(x + Х2)...(х + ос15), где X=02hex.
Примитивный многочлен конечного поля Галуа GF(28):
р(х) = х8 + х4 + х3 + х2 + 1.
Параметры внешнего перемежения по байтам должны соответство-
вать требованиям Стандарта EN 300 744, п. 4.3.2.
2.3. Внутреннее кодирование
Внутреннее кодирование системы защиты от ошибок должно соот-
ветствовать требованиям Стандарта EN 300 744, п. 4.3.3.
Система ЦНТВ должна использовать набор из пяти выколотых свер-
точных кодов, производных от базового сверточного кода со скоростью
1/2 с 64 состояниями. Это позволит выбирать наиболее подходящие
уровни исправления ошибок для конкретной службы или скорости пе-
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
529
редачи данных в неиерархическом или иерархическом режиме переда-
чи. Выколотый сверточный код должен иметь параметры, указанные в
табл. 2 Стандарта EN 300 744, в частности, кодовые скорости 1/2, 2/3,
3/4, 5/6, 7/8.
Параметры внутреннего перемежения по битам и символам должны
соответствовать приведенным в стандарте EN 300 744, п. 4.3.4.
2.4. Сигнальные созвездия и отображение битов
Сигнальные созвездия и отображение битов в точки созвездия долж-
ны соответствовать требованиям Стандарта EN 300 744 п. 4.3.5.
В системе ЦНТВ используется передача сигналов по многочастотной
схеме модуляции с частотным распределение ортогональных несущих
(OFDM). Возможен выбор одного из двух режимов вещания: режима
2k с общим числом 1705 ортогональных несущих или режима Sk с
общим числом 6817 ортогональных несущих в одном символе OFDM.
В качестве методов первичной модуляции каждой из множества несу-
щих OFDM используется 4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ с равномерными со-
звездиями или 16-КАМ и 64-КАМ с неравномерными созвездиями. Ото-
бражение битовых комбинаций в точки сигнального созвездия
осуществляется с использованием кода Грея применительно к старшим
разрядам.
2.5. Структура кадра OFDM
Структура кадра OFDM должна соответствовать требованиям Стан-
дарта EN 300 744, п. 4.4.
В процессе модуляции кодированный транспортный поток битов
преобразуется в символы сигнала OFDM, которые организуются в кад-
ры. Каждый кадр состоит из 68 символов с номерами от 0 до 67, кото-
рые содержат полезные данные и служебную информацию, необходи-
мые для обеспечения правильного декодирования в приемнике. Четыре
кадра образуют один суперкадр.
Каждый символ OFDM содержит 6817 несущих в режиме %k и 1705
несущих в режиме 2k, Число несущих полезных данных неизменно от
символа к символу и за вычетом служебных несущих составляет 6048
несущих в режиме Sk и 1512 несущих в режиме 2k,
Структура кадра данных системы ЦНТВ с модуляцией COFDM
должна соответствовать требованиям Стандарта EN 300 744, п. 4.5.3,
рис. 11.
Передаваемая в пределах кадра служебная информация содержит
(Стандарт EN 300 744, п. 4.5):
• несущие рассредоточенных пи лот-сигнал ов;
• несущие непрерывно повторяющихся пилот-сигналов;
• несущие сигнализации о параметрах передачи (TPS).
Перечисленные пилот-сигналы используются для кадровой, частот-
530
Приложение 4
ной, временной синхронизаций, оценивания канала, идентификации
режима передачи, компенсации фазового шума и пр. С помощью рас-
средоточенных и непрерывно повторяющихся пилот-сигналов переда-
ется опорная информация, параметры которой априорно известны в
приемнике. Эти несущие передаются с повышенной мощностью в соот-
ношении 16/9 мощности несущих полезных данных. Каждый непре-
рывно повторяющийся пилот-сигнал совпадает с рассредоточенными
пилот-сигналами в каждом четвертом символе. Численные значения
основных параметров кадра OFDM приведены в табл.П.4.1.
Таблица П.4.1. Значение основных параметров кадра OFDM
Параметр Значение в режиме
8к 2к
Число несущих в символе OFDM 6817 1705
Число несущих полезных данных в символе OFDM 6048 1512
Число рассредоточенных пилот-сигналов в кадре OFDM 524 131
Число непрерывно повторяющихся пилот-сигналов в кадре OFDM 177 45
Число несущих сигнализации о параметрах передачи в кадре OFDM 68 17
Длительность полезной части символа OFDM, мкс 896 224
Разнос соседних несущих, Гц 1116 4464
Разнос между крайними несущими в символе OFDM, МГц 7,608258 7,611607
2.6. Сигнализация о параметрах передачи
Сигнализация о параметрах передачи должна соответствовать тре-
бованиям Стандарта EN 300 744, п.4.6.
Несущие сигнализации о параметрах передачи переносят информа-
цию о параметрах, связанных со схемой передачи, а именно:
вид первичной модуляция, включая значение коэффициента не-
равномерности созвездия КАМ;
информация об уровнях иерархии и приоритетах передаваемых
программ;
значение защитного интервала (требуется при реконфигурирова-
нии приемника);
Основные положения проекта базового станд арта цифрового ТВ вещания в России
531
значения скоростей внутреннего кодирования;
режим передачи (2k или 8/?);
номер кадра в суперкадре.
Сигнализация о параметрах передачи передается параллельно на 17
TPS-несущих в режиме 2k и на 68 TPS-несущих в режиме 8k, Индексы
несущих указаны в табл. 8 Стандарта EN 300 744. В каждом символе
OFDM передается одна несущая TPS и один бит TPS; в каждом кадре
OFDM передаются 68 бит TPS, распределенных следующим образом:
• 1 бит инициализации;
• 16 бит синхронизации;
• 37 бит информации;
• 14 бит кодовой защиты.
При неполном использовании всех 37 битов информации оставшая-
ся часть должна быть установлена в значение 0.
2.7. Защитные интервалы
Защитные интервалы должны соответствовать требованиям Стан-
дарта EN 300 744 п. 4.4.
Символ OFDM состоит из двух частей: полезной части длительнос-
тью Tv и защитного интервала TG. Защитный интервал предшествует
полезной части и является циклическим префиксом адекватной по дли-
тельности последней части символа.
Согласно табл. 5 Стандарта EN 300 744 могут быть использованы
четыре значения защитных интервалов.
Допустимые значения защитных интервалов указаны в табл.П.4.2.
Таблица П.4.2. Значение защитных материалов
Параметр Длительность фрагментов символа OFDM в режимах
8к 2к
Относительный защитный интервал Тс/Ти 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32
Длительность полезной части символа Ти, мкс 896 224
Длительность защитного интервала TG, мкс 224 112 56 28 56 28 14 7
Длительность символа TQ = Т„ + Т.„ мкс о О U 1120 1008 952 924 280 252 238 231
532
Приложение 4
2.8. Характеристики спектра и маска спектра
Характеристики спектра и маска спектра должны соответствовать
требованиям Стандарта EN 300 744, п. 4.8.
Полная спектральная плотность мощности модулируемых несущих
OFDM является суммой спектральных плотностей мощности всех этих
несущих. Шаблон теоретического спектра сигнала OFDM с защитным
интервалом TG = Ти /к для канала с полосой 8 МГц должен соответ-
ствовать Стандарту EN 300 744, п. 4.8.1, рис. 12.
Уровень спектра на частотах вне номинальной полосы 7,61 МГц мо-
жет быть снижен с помощью соответствующей фильтрации.
Маска спектра для случаев, когда передатчик системы ЦНТВ веща-
ния расположен в одном месте с передатчиком аналогового телевидения
и использует смежный канал, должна соответствовать Стандарту
EN 300 744, п. 4.8.2, рис. 13, табл. 18. При этом маска спектра (рис. 13
Стандарта EN 300 744), предоставляет минимальную защиту, необхо-
димую для аналогового телевидения, если аналоговый и цифровой те-
левизионные передатчики расположены в одном месте и применимы
для случаев, когда:
— не используется никакая поляризационная развязка между циф-
ровым и аналоговым телевидением;
— излучаемая мощность обоих передатчиков одинакова (мощность
аналогового передатчика, измеряемая в пике синхроимпульса
строк, равна полной мощности цифрового передатчика).
Если излучаемые мощности этих двух передатчиков неодинаковы,
применяется пропорциональная коррекция в соответствии с п. 4.8.2
Стандарта EN 300 744.
3. Структура мультиплексирования и транспортного потока
3.1. Взаимосвязь со стандартами MPEG-2
Взаимосвязь со Стандартами MPEG (ISO/IEC 13818-1, 13818-2) ус-
тановлена в Отчете ETR 154. Стандарт MPEG-2 (ISO/IEC 13818-1) на
уровне системного кодирования определяет два вида мультиплексиро-
ванного потока данных: транспортный поток (TS) и программный поток
(PS). И тот и другой потоки логически формируются из пакетированных
элементарных потоков (PES) кодируемых источников информации. В
данном проекте стандарта, регламентирующем процессы передачи ин-
формации, в качестве мультиплексированной структуры рассматрива-
ется исключительно транспортный поток (TS).
3.2. Уровень пакетированного элементарного потока (PES)
Пакетированный элементарный поток битов (PES-поток) (Стандарт
ISO/IEC 13818-1, секция 0.4) должен соответствовать требованиям От-
чета ETR 154, п. 4.1.2.
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
533
3.2.1. Пакетированный элементарный поток (PES)
При аналогово-цифровом преобразовании сигналов изображения и
звука (элементарных источников информации) на выходе АЦП обра-
зуются элементарные потоки битов.
При сокращении избыточности (сжатии) элементарных потоков би-
тов и любых других внешних данных (при кодировании со сжатием в
соответствии с требованиями Стандартов ISO/IEC 13818-2 и ISO/IEC
13818-3) на выходах кодеров формируются сжатые элементарные по-
токи битов. На следующем этапе обработки они подвергаются преобра-
зованию в пакеты, т.е. формированию пакетированных элементар-
ных потоков (PES) битов. Каждый PES-пакет содержит заголовок в
виде полей данных служебной информации и полезную нагрузку в виде
битов одного и только одного элементарного потока. Непрерывная пос-
ледовательность PES-пакетов, относящихся к одному элементарному
источнику и имеющих одинаковый идентификатор streamid, образует
поток PES-пакетов, который должен содержать в заголовке поля эта-
лонных меток времени элементарного потока ESCR и скорости элемен-
тарного потока ESrate.
PES-пакеты могут использоваться самостоятельно или для форми-
рования транспортных (TS) и программных (PS) потоков, а также для
взаимного преобразования последних.
3.2.2. Поле stream Jd
Идентификатор PES-потока streamid — поле длиной 8 бит, опреде-
ляющее тип и номер элементарного потока.
Кодирование — в пределах программы никакие два элементарных
потока не должны иметь одинаковых полей stream id.
3.2.3. Поле PES_packetjength
Длина PES-пакета — поле длиной 16 бит, указывающее число бай-
тов содержимого пакета (т.е. байтов, остающихся в пакете непосред-
ственно после этого поля). Значение 0 показывает, что длина PES-паке-
та не определена и не ограничена. Это допускается только для
PES-пакетов, в которых полезная нагрузка состоит из байтов элемен-
тарного потока видеоданных, содержащегося в пакетах транспортного
потока.
3.2.4. Поля ESCR и ES_rate
Эти поля содержат сигналы синхронизации, относящиеся к последо-
вательности PES-потоков. Поле ES rate представляет целое число без
знака длиной 22 бита, определяющее скорость, с которой системный
декодер получает байты PES-пакета из PES-потока.
Кодирование — создание кодером физического пакетированного эле-
ментарного потока (PES) не требуется. Поля ESCR и ES rate не долж-
ны кодироваться.
Декодирование — поля ESCR и ES rate не должны декодироваться.
534
Приложение 4
3.2.5. Поле PES_priority
Приоритет PES-пакета — поле длиной 1 бит, указывающее приори-
тет полезной нагрузки в данном PES-пакете. Значение 1 указывает на
более высокий приоритет полезной нагрузки данного PES-пакета, чем у
полезной нагрузки PES-пакета, у которого это поле установлено в 0.
Мультиплексор может использовать бит PES_priority, чтобы располо-
жить входящие данные в пределах элементарного потока согласно их
приоритетам. Это поле не должно изменяться механизмом транспорти-
ровки.
Декодирование — поле PES_priority может быть игнорировано при
обработке в декодере IRD.
3.3. Уровень пакета транспортного потока (TS)
Уровень пакета транспортного потока (Стандарт ISO/IEC 13818-1,
п. 2.4.3.2) должен соответствовать требованиям Отчета ETR 154, п. 4.1.4.
3.3.1. Заголовок транспортного пакета
Заголовок транспортного пакета должен соответствовать требовани-
ям Отчета ETR 154, п. 4.1.4.2.
3.3.2. Поле transport_errorjndicator
Кодирование: рекомендуется, чтобы любое устройство, обнаруживаю-
щее ошибки в тракте передачи, при обнаружении неисправимых ошибок
устанавливало в активное состояние бит флага transport error indicator.
Декодирование: в случае, если в переданном потоке установлен флаг
transport—err or indicator, рекомендуется, чтобы IRD вводил в действие
соответствующие механизмы исправления или маскирования ошибок.
3.3.3. Поле transport-priority
Декодирование: бит поля transport priority не имеет значения для
IRD и может быть игнорирован.
3.3.4. Поле transport_scrambling_control
Кодирование: в соответствии с Отчетом ETR 289 биты поля
transport scrambling control должны быть установлены согласно
табл.П.4.3.
Таблица П.4.3. Кодирование поля transport_scrambling_control
00 Полезная нагрузка пакета транспортного потока не скремблируется
01 Зарезервирован на будущее для использования в системе DVB
10 Пакет транспортного потока скремблирован с ключом Even
11 Пакет транспортного потока скремблирован с ключом Odd
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
535
Декодирование: биты этого поля должны читаться приемником-де-
кодером IRD, и IRD должен реагировать в соответствии с табл.П.4.3.
3.3.5. Значения идентификатора пакета (PID) для таблиц сервисной ин-
формации (SI)
Кодирование: присвоение значений идентификатора пакета PID дан-
ным сервисной информации SI приведено в табл.П.4.4 (см. Стандарт
EN 300 468 п. 5.1.3).
Таблица П.4.4. Значение идентификатора пакета PID
Таблица Значение PID
РАТ 0x0000
CAT 0x0001
резерв 0x0002— OxOOOF
NIT, ST 0x0010
SDT, ВАТ, ST 0x0011
EIT, ST 0x0012
RST, ST 0x0013
TDT, TOT, ST 0x0014
резерв на будущее 0x0015 —0x001 F
3.4. Поле адаптации
Поле адаптации (Стандарт ISO/IEC 13818-1, п. 2.4.3.4) должно со-
ответствовать требованиям Отчета ETR 154, п. 4.1.5.
Семантика поля адаптации должна соответствовать Стандарту
ISO/IEC 13818-1, п. 2.4.3.5.
3.4.1. Эталонные метки времени программы (PCR)
Эталонные метки времени программы (PCR) должны соответство-
вать требованиям Отчета ETR 154, п. 4.1.5.3.
Кодирование: интервал времени между двумя последовательными
значениями PCR одной программы не должен превышать 100 мс, как
определено в п. 2.7.3 Стандарта ISO/IEC 13818-1. Рекомендуется, что-
бы этот интервал был не более 40 мс.
Декодирование: приемник-декодер IRD должен точно обрабатывать
данные PCR для программ, поступающих с интервалом, не превышаю-
щим 100 мс.
3.4.2. Необязательные поля
В потоках системы ЦНТВ могут присутствовать необязательные поля,
номенклатура которых перечислена в Отчете ETR 154, п. 4.1.5.4.
536
Приложение 4
Кодирование: наличие необязательных полей, введенных по опции в
цифровой поток, индицируется соответствующими флагами.
Декодирование: приемник-декодер IRD должен быть в состоянии об-
работать необязательные поля. Он может также игнорировать данные
необязательных полей.
3.6. Сервисная информация
Сервисная информация должна соответствовать требованиям Отче-
та EN 300 468 "Цифровое телевизионное вещание; описание сервисной
информации (SI) в системах DVB".
Сервисная информация SI расширяет и дополняет специальную ин-
формацию о программах (PSI), определенную в Стандарте ISO/IEC
13818-1. Специальная информация о программах PSI предоставляет
данные, позволяющие осуществлять автоматическое конфигурирова-
ние цепей приемника-декод ера IRD, чтобы демультиплексировать и де-
кодировать различные потоки программ в пределах мультиплекса.
Данные специальной информации о программах PSI структурирова-
ны в четырех таблицах.
В дополнение к PSI необходимы данные для обеспечения идентифи-
кации услуг и событий для пользователя. В отличие от таблиц специ-
альной информации о программах, дающих информацию только о муль-
типлексе, в котором они содержатся (фактический мультиплекс),
дополнительная сервисная информация SI может также предоставлять
данные относительно услуг и событий, которые переносятся различны-
ми мультиплексами и даже другими сетями. Эти данные структуриро-
ваны в девяти таблицах.
3.7. Таблицы специальной и сервисной информации
3.7.1. Таблицы специальной информации о программах (PSI)
3.7.1.1. Таблица взаимосвязи программы (РАТ)
Таблица РАТ указывает местоположение (значения идентификатора
пакета (PID) для пакета транспортного потока) соответствующей табли-
цы структуры программы (РМТ) для каждой службы в мультиплексе.
Она также указывает местоположение таблицы сетевой информации
(NIT). Она должна соответствовать требованиям Стандарта ISO/IEC
13818-1, п. 2.4.4.3.
З.7.1.2. Таблица ограниченного доступа (CAT)
Таблица CAT обеспечивает информацию о системе ограниченного
доступа, используемую в мультиплексе. Данная информация является
частной и зависит от системы ограниченного доступа. В режиме огра-
ничения доступа она указывает местоположение данных потока сооб-
щений, предоставляющих право доступа (ЕММ). Она должна соответ-
ствовать требованиям Стандарта ISO/IEC 13818-1, п. 2.4.4.6.
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
537
3.7.1.3. Таблица структуры программы (РМТ)
Таблица РМТ идентифицирует и указывает местоположение пото-
ков, которые составляют каждую службу, а также положение полей эта-
лонных меток времени программы (PCR) конкретной службы. Она дол-
жна соответствовать требованиям Стандарта ISO/IEC 13818-1, п. 2.4.4.8.
3.7.1.4. Таблица сетевой информации (NIT)
Таблица NIT служит для предоставления информации о физической
сети и для группирования вместе служб, принадлежащих специфичес-
кому поставщику сети. Местоположение NIT определено в Стандарте
ISO/IEC 13818-1. Она должна соответствовать требованиям Стандарта
EN 300 468, п. 5.2.1.
3.7.2. Таблицы сервисной информации (SI)
3.7.2.1. Таблица группы служб (ВАТ)
Таблица ВАТ содержит информацию о группировке служб в одной
программе. Она сообщает название группы и предоставляет перечень
служб в каждой группе. Она должна соответствовать требованиям Стан-
дарта EN 300 468, п. 5.2.2.
3.7.2.2. Таблица описания службы (SDT)
Таблица SDT описывает различную дополнительную информацию,
передаваемую в транспортном потоке. Содержит перечень названий и
провайдеров услуг, других параметров, ассоциированных с каждой служ-
бой в конкретном мультиплексе MPEG-2. Она должна соответствовать
требованиям Стандарта EN 300 468, п. 5.2.3.
3.7.2.3. Таблица информации о событиях (EIT)
Таблица EIT содержит сведения о всех программных элементах или
программах (событиях) в мультиплексе MPEG-2: наименование сюже-
та, время его начала, продолжительность и пр. Действие таблицы EIT
распространяется как на текущий транспортный поток, так и на все
транспортные потоки, которые может принять IRD. Она должна соот-
ветствовать требованиям Стандарта EN 300 468, п. 5.2.4.
3.7.2.4. Таблица текущего статуса (RST)
Таблица RST используется для быстрого обновления текущего ста-
туса одного или многих событий (событие происходит — не происхо-
дит). Секции таблицы RST посылаются только единожды в момент
изменения статуса, что позволяет обновлять информацию о статусе и
своевременно автоматически подключаться к событиям. Она должна
соответствовать требованиям Стандарта EN 300 468, п. 5.2.7.
3.7.2.5. Таблица времени и даты (TDT)
Таблица TDT используется для передачи информации точного вре-
мени, включая текущее время и дату. Служит для обновления внутрен-
него синхрогенератора IRD. Данные RST передаются в отдельной таб-
538
Приложение 4
лице из-за частого обновления этой информации. Она должна соответ-
ствовать требованиям Стандарта EN 300 468, п. 5.2.5.
3.7.2.6. Таблица смещения времени (ТОТ)
Таблица ТОТ несет информацию, относящуюся к текущему времени
и дате и к смещению местного времени. Данные ТОТ передаются в от-
дельной таблице по причине частого обновления этой информации. Она
должна соответствовать требованиям Стандарта EN 300 468, п. 5.2.6.
3.7.2.7. Таблица стаффинга (ST)
Таблица ST используется для замены или отмены действия суще-
ствующих секций (либо субтаблиц, либо полных таблиц SI), в частно-
сти, граничных секций. Она должна соответствовать требованиям Стан-
дарта EN 300 468, п. 5.2.8.
3.7.2.8. Таблица выбираемой информации (SIT)
Таблица SIT используется только в "частичных" (т. е. записанных)
потоках битов. Она несет сводку о сервисной информации SI, требуе-
мой для описания потоков в частичном потоке битов. Она должна соот-
ветствовать требованиям Стандарта EN 300 468, п. 7.1.2.
3.7.2.9. Таблица неоднородности информации (DIT)
Таблица DIT используется только в "частичных" (т. е. записанных)
потоках битов. Она вводится в случае, когда сервисная информация SI
в частичном потоке битов может быть неоднородной. Она должна соот-
ветствовать требованиям Стандарта EN 300 468, п. 7.1.1.
4. Структура элементарных потоков
4.1. Элементарный поток видеоданных
Элементарный поток видеоданных должен соответствовать требова-
ниям Стандарта ISO/IEC 13818-2.
4.2. Синтаксис и семантика потока видеоданных
Синтаксис и семантика потока видеоданных должны соответство-
вать требованиям Стандарта ISO/IEC 13818-2, п. 6.
4.3. Элементарный поток аудиоданных
Элементарный поток аудиоданных должен соответствовать требова-
ниям Стандарта ISO/IEC 13818-3.
4.4. Синтаксис и семантика потока аудиоданных
Синтаксис и семантика потока аудиоданных должны соответство-
вать требованиям Стандарта ISO/IEC 13818-3.
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
539
Ряд параметров и полей, которые не используются в системе ЦНТВ,
перечислены в Отчете ETR 154, п. 6.
Значения скорости передачи кодированного потока звука должны
соответствовать требованиям Отчета ETR 154, п. 6.3
5. Вещание данных
В соответствии со Стандартом EN 301 192 при организации веща-
ния данных должны быть предусмотрены четыре вида доставки дан-
ных: конвейерная пересылка данных; поточная передача данных; мно-
гопротокольная инкапсуляция; карусель данных.
5.1 Конвейерная пересылка данных
Конвейерная пересылка данных (Data Piping) должна соответство-
вать требованиям Стандарта EN 301 192, п. 4.
5.1.1. Определение транспортировки данных
Это простая асинхронная доставка данных от провайдера до пользо-
вателя по сети, совместимой со стандартами на цифровое ТВ вещание.
Асинхронные данные, подлежащие вещанию, вводятся непосредствен-
но в полезную нагрузку транспортных пакетов службы вещания дан-
ных. Для организации конвейерной пересылки в заголовке транспорт-
ного пакета в частном порядке могут использоваться поля индикации
начала полезной нагрузки payload unit start indicator и приоритета
транспортировки transport priority.
5.1.2. Требования к специальной информации о программах (PSI) и сервисной
информации (SI)
Служба вещания данных должна отмечать использование конвейер-
ной пересылки данных включением одного или более дескрипторов ве-
щания данных data_broadcast_descriptor в сервисную информацию SI
согласно Стандарту EN 300 468. Каждый дескриптор должен быть свя-
зан с конкретным каналом конвейерной пересылки данных посредством
идентификатора component_tag.
5.1.2.1. Дескриптор databroadcast_descriptor
Data_broadcast_descriptor используется следующим образом:
Data broadcast id — значение этого поля должно быть установлено
в 0x0001 для указания на использование конвейерной пересылки дан-
ных (см. Отчет ETR 162).
Component_tag — поле должно иметь то же значение, что и поле
component tag в дескрипторе stream identifier descriptor (если он пред-
ставлен в секции структуры программы PSI) потока, который исполь-
зуется для конвейерной пересылки данных.
540
Приложение 4
Selector length — значение этого поля должно быть установлено в
ноль.
Selector byte — поле отсутствует.
5.1.2.2. Поле stream type
Обозначение конвейерной пересылки данных в поле типа потока
stream type секции структуры программы РМТ не определено.
5.2. Поточная передача данных
Поточная передача данных (Data Streaming) должна соответствовать
требованиям Стандарта EN 301 192, п. 5., п. 6.
5.2.1. Определение транспортировки данных
При поточной передаче данных они вводятся в PES-пакеты, которые
затем стандартным образом преобразуются в транспортные пакеты.
При поточной передаче поддерживаются службы вещания данных от
провайдера до пользователя в асинхронном, синхронном или синхро-
низированном режимах. Вид режима сигнализируется полем иденти-
фикатора потока stream id, которое при передаче синхронных или син-
хронизированных данных помечается как private_stream_l, а при
асинхронной передаче — как private_stream_2.
Асинхронный режим (Стандарт EN 301 192, п. 5.) обычно применя-
ется для асинхронной передачи дейтаграмм; транспортировке подле-
жат только данные, не требующие какой-либо временной синхрониза-
ции (например, данные интерфейса RS-232).
Синхронный режим (Стандарт EN 301 192, п. 6.) необходим для
точного восстановления данных на выходе приемника с привязкой к
конкретной тактовой частоте (например, потоки цифровой иерархии
El, Т1).
Синхронизированный режим (Стандарт EN 301 192, п. 6.) применя-
ют в тех случаях, когда данные одного потока PES-пакетов на выходе
приемника должны быть синхронны с данными другого потока PES-
пакетов (например, потоки изображения и звука), главным образом,
этот режим требуется при передаче субтитров.
5.2.2. Требования к специальной информации о программах (PSI) и сер-
висной информации (SI)
Служба вещания данных должна отмечать использование асинхрон-
ной, синхронной или синхронизированной поточной передачи данных
включением одного или более дескрипторов databroadcastdescriptors
в сервисную информацию SI согласно Стандарту EN 300 468. Каждый
дескриптор должен быть связан с конкретным каналом асинхронной
поточной передачи посредством идентификатора component tag .
5.2.2.1. Дескриптор datajbroadcast descriptor
Data_broadcast_descriptor используется следующим образом:
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
541
databroadcastid: значение этого поля должно быть установлено в
0x0002 для указания на использование асинхронного потока данных, в
0x0003 для указания на использование синхронного потока данных, в
0x0004 для указания на использование синхронизированного потока
данных (см. Отчет ETR 162).
Componenttag — поле должно иметь то же значение, что и поле
component tag в дескрипторе stream identifier descriptor (если он пред-
ставлен в секции структуры программы PSI) потока, который исполь-
зуется для поточной передачи данных.
Selector length — значение этого поля должно быть установлено в
ноль.
Selector byte — поле отсутствует.
Б.2.2.2. Поле stream type
Наличие в службе асинхронной, синхронной или синхронизирован-
ной поточной передачи данных должно быть обозначено в таблице
структуры программы РМТ этой службы установкой поля типа потока
stream type в потоке, который содержит поточную передачу, в значе-
ние 0x06 или в значение, определенное пользователем.
5.3. Многопротокольная инкапсуляция
Многопротокольная инкапсуляция (Multiprotocol Encapsulation) дол-
жна соответствовать требованиям Стандарта EN 301 192, п. 7.
5.3.1. Определение транспортировки данных
При многопротокольной инкапсуляции поддерживаются службы ве-
щания, которые требуют передачи дейтаграмм телекоммуникационных
протоколов по сетям, совместимым со стандартами на цифровое ТВ
вещание. В этом режиме данные и заголовки различных протоколов (в
том числе, и в первую очередь, TCP/IP) встраиваются внутрь транспор-
тных пакетов MPEG-2. Служба, использующая доставку типа много-
протокольной инкапсуляции, индицируется дескриптором типа потока
stream type descriptor в секции структуры программы РМТ. Дополни-
тельная информация включена в дескриптор вещания данных
data broadcast descriptor, располагаемый либо в таблице описания
службы SDT, либо в таблице информации о событиях EIT. При транс-
портировке дейтаграмм в режиме многопротокольной инкапсуляции
используется формат секций частных данных, соответствующий Стан-
дарту ISO/IEC 13818-6 на систему команд и управления для средств
цифровой записи (DSM-CC). Каждая секция формата DSM-CC может
иметь длину до 4086 байтов, большие дейтаграммы могут быть фраг-
ментированы на соответствующее число секций. Если транспортиров-
ка осуществляется в протоколе IP, то каждая дейтаграмма должна со-
держаться в пределах одной секции.
542
Приложение 4
5.3.2. Требования к специальной информации о программах (PSI) и сер-
висной информации (SI)
Служба вещания данных должна отмечать передачу дейтаграмм
включением одного или более дескрипторов data broadcast descriptors
в сервисную информацию SI согласно Стандарту EN 300 468 и Отчету
ETR 162. Каждый дескриптор должен быть связан с конкретным пото-
ком передачи дейтаграмм посредством идентификатора component tag
в дескрипторе stream identifier descriptor (Стандарт EN 300 468), ко-
торый может присутствовать в таблице структуры программы РМТ
PSI для потока передачи дейтаграмм.
5.3.2.1. Дескриптор data broadcast descriptor
Data broadcast descriptor используется следующим образом:
Data broadcast id — значение этого поля должно быть установлено
в 0x0005 для указания на использование многопротокольной инкапсу-
ляции (см. Отчет ETR 162).
Component tag — поле должно иметь то же значение, что и поле
component tag в дескрипторе stream_identifier descriptor (если он пред-
ставлен в секции структуры программы РМТ PSI) потока, который
используется для вещания данных.
Selector length — значение этого поля должно быть установлено в
0x02.
Selector_byte — поле должно переносить сигнальную структуру мно-
гопротокольной инкапсуляции multiprotocol encapsulation info, синтак-
сис которой определен в табл. 6 Стандарта EN 301 192, п. 7.2.1.
5.3.2.2. Поле stream_type
Наличие в службе потока данных с многопротокольной инкапсуля-
цией должно быть обозначено в таблице структуры программы РМТ
этой службы установкой поля типа потока stream type в потоке, кото-
рый содержит многопротокольную инкапсуляцию, в значение 0x0D или
в значение, определенное пользователем (Стандарт ISO IEC 13818-6).
5.4. Карусели данных
Карусели данных (Data Carousels) должны соответствовать требова-
ниям Стандарта EN 301 192, п. 8.
5.4.1. Определение транспортировки данных
Технические требования к каруселям данных основаны на определе-
нии последних по протоколу DSM-CC (Стандарт ISO/IEC 13818-6).
Спецификация карусели данных DSM-CC описывает метод цикли-
ческой передачи модулей данных на приемники по сетям, совмести-
мым со стандартами на цифровое ТВ вещание. Данные, передаваемые
в составе карусели данных, организованы в модули, которые разделе-
ны на блоки. Модули могут обновляться, добавляться и изыматься из
передаваемой карусели данных. Все блоки всех модулей в пределах
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
543
карусели данных имеют одинаковый размер, за исключением после-
днего блока каждого модуля, который может иметь меньший размер.
Модули являются описанием логически отдельных групп данных в пре-
делах карусели данных. Модули могут быть сгруппированы, если тре-
буется службой. В свою очередь, группы могут быть собраны в супер-
группы.
5.4.2. Требования к специальной информации о программах (PSI) и сер-
висной информации (SI)
Служба вещания данных должна указывать на использование кару-
сели данных включением одного или более дескрипторов
data broadcast descriptor в сервисную информацию SI согласно Стан-
дарту EN 300 468. Каждый дескриптор должен быть связан с конкрет-
ным потоком посредством идентификатора component tag. В частно-
сти, значение поля component tag должно быть идентично значению
поля component tag в дескрипторе stream identifier descriptor (Стан-
дарт EN 300 468), который может присутствовать в таблице структу-
ры программы РМТ PSI для потока передачи данных.
5.4.2.1. Дескриптор data broadcast descriptor
Data broadcast descriptor используется следующим образом:
Data broadcast id — значение этого поля должно быть установлено
в 0x0006 для указания на использование карусели данных (см. Отчет
ETR 162).
Component tag — поле должно иметь то же значение, что и поле
component tag в дескрипторе stream identifier descriptor (если он пред-
ставлен в секции структуры программы РМТ PSI) для потока, который
используется для вещания карусели данных.
Selector length — значение этого поля должно быть установлено в
0x10.
Selector byte — поле должно переносить сигнальную структуру
data carousel_info, синтаксис которой определен в табл. 22 Стандарта
EN 301 192, п. 8.3.1.
5.4.2.2. Поле stream type
Присутствие карусели данных в службе должно быть обозначено в
таблице структуры программы РМТ этой службы установкой поля типа
потока stream type в потоке, который содержит карусель данных, в
значение 0x0В или в значение, определенное пользователем (Стандарт
ISO/IEC 13818-1).
5.5. Объектные карусели данных
Технические требования к объектной карусели (Object Carousels)
были добавлены для поддержки служб вещания данных, которые тре-
буют периодического вещания объектов DSM-CC пользователь —
пользователь (U-U) по сетям, совместимым со стандартами цифрово-
544
Приложение 4
го ТВ вещания. Специфика объектной карусели определена в Стан-
дарте ETS 300 802.
Объектные карусели данных должны соответствовать требованиям
Стандартов ISO/IEC 13818-6 и EN 301 192, п. 9.
5.5.1. Определение транспортировки данных
Технические требования к объектным каруселям основаны на опре-
делении объектной карусели по протоколу DSM-CC (Стандарт ISO/IEC
13818-6). Объектная карусель представляет специфическую область
(домен) службы, которая состоит из собрания объектов DSM-CC U-U в
пределах сети вещания.
Уникальная идентификация шлюзового сервиса в вещательных се-
тях осуществляется посредством карусели адресов точек доступа к се-
тевому сервису (NSAP), как определено в протоколе DSM-CC (см. Стан-
дарт ISO/IEC 13818-6). Этот адрес содержит специфическую сетевую
часть, которая должна обеспечить уникальность адреса в пределах ис-
пользуемой сетевой среды. Карусель адресов NSAP используется для
обращения к объектной карусели от другого домена службы.
5.5.2. Требования к специальной информации о программах (PSI) и сер-
висной информации (SI)
Служба вещания данных должна указывать на использование объек-
тной карусели включением одного или более дескрипторов
databroadcastdescriptor в сервисную информацию SI согласно Стан-
дарту EN 300 468. Каждый дескриптор указывает на одну объектную
карусель и должен быть связан с конкретным потоком посредством
идентификатора component tag. В частности, значение поля
component tag должно быть идентично значению поля component tag
в дескрипторе stream identifier descriptor (Стандарт EN 300 468), ко-
торый может присутствовать в таблице структуры программы РМТ
PSI для потока передачи данных.
Объектные карусели могут быть реализованы с использованием мно-
гих служб вещания данных. Службы вещания данных могут опове-
щать о том, что они являются частью конкретной объектной карусели,
посредством дескриптора carousel identifier descriptor в первом деск-
рипторном цикле таблицы РМТ в соответствии с требованиями прото-
кола DSM-CC (см. Стандарт ISO/IEC 13818-6).
Объекты потока в пределах объектных каруселей U-U могут быть
ограничены исключительно элементарными потоками службы веща-
ния данных, элементарными потоками других служб или полномерны-
ми службами.
5.5.2.1. Дескриптор data_broadcast_descriptor
Data broadcast descriptor используется следующим образом:
Data broadcast id — значение этого поля должно быть установлено
в 0x0007 для указания на использование объектной карусели (см. От-
чет ETR 162).
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
545
Component tag — поле должно иметь то же значение, что и поле
component tag в дескрипторе stream identifier descriptor (если он пред-
ставлен в секции структуры программы РМТ PSI) для потока, который
используется для вещания объектной карусели.
Selector length — значение этого поля должно быть установлено в
значение длины в байтах следующего поля селектора.
Selector byte — поле должно переносить сигнальную структуру
object carousel info, синтаксис которой определен в табл. 25 Стандар-
та EN 301 192, п. 9.3.1.
5.5.2.2. Поле stream type
Присутствие объектной карусели данных в службе должно быть обо-
значено в таблице структуры программы РМТ этой службы установ-
кой поля типа потока stream type в потоке, который содержит объект-
ную карусель, в значение 0x0В или в значение, определенное
пользователем (Стандарт ISO/IEC 13818-1).
5.6. Субтитрирование
Субтитрирование должно соответствовать требованиям Стандарта
ETS 300 743.
5.6.1. Определение службы
Служба субтитров обеспечивает передачу пользователю в составе
потока системы цифрового ТВ вещания субтитров, логограмм и других
графических элементов. Данные субтитров структурируются таким об-
разом, чтобы обеспечить наибольшую гибкость и эффективность. Гиб-
кость достигается определением индивидуальных графических объек-
тов, которые могут быть независимо помещены в различные зоны
экрана. Эффективность достигается возможностью совместного исполь-
зования графических объектов различными компоновками экрана.
Система субтитрирования должна обеспечивать передачу субтитров
на нескольких языках.
5.6.2. Иерархия данных и терминология субтитрирования
Иерархия данных и терминология субтитрирования должны соот-
ветствовать требованиям Стандарта ETS 300 743, п. 4.
Элементарным компоновочным блоком информации при субтитри-
ровании является сегмент subtitling segment. Эти сегменты переносят-
ся PES-пакетами, которые, в свою очередь, переносятся транспортны-
ми пакетами.
Все вещаемые данные, требуемые для потока субтитров, должны
переносится одним потоком транспортных пакетов (т. е. иметь единый
идентификатор пакета PID). Один поток транспортных пакетов может
переносить несколько различных потоков субтитров. Различные потоки
субтитров могут являться субтитрами на различных языках для общей
программы. Они могут также относиться к различным программам.
546
Приложение 4
Различные потоки субтитров могут быть предназначены для отобра-
жения с различными форматами растра и могут включать элементы
графического представления звуковой информации.
В пределах потока транспортных пакетов, сегменты различных по-
токов субтитров идентифицируются своими идентификаторами стра-
ниц. Один или более дескрипторов субтитров subtitling descriptor в
таблице РМТ субтитрированной программы описывают доступные по-
токи субтитров и определяют идентификаторы пакета (PID) и страницы,
которые должны быть декодированы для каждого потока субтитров.
Эталонные метки времени (PTS) программы в PES-пакете обеспечи-
вают информацию о времени представления данных субтитрирования.
Число сегментов, которые переносит каждый PES-пакет, ограничено
только максимальной длиной PES пакета.
5.6.3. Модель декодера субтитров
Модель декодера субтитров — это формализованное представление
процесса обработки и интерпретации потоков субтитров. Основной це-
лью модели является определение числа ограничений, которые подле-
жат учету при определении пригодности потоков субтитров. Характе-
ристики модели декодера субтитров должны соответствовать
требованиям Стандарта ETS 300 743, п. 5.
5.6.4. Формат PES-пакета
Формат PES-пакета при передаче потока субтитров должен соответ-
ствовать требованиям Стандарта ETS 300 743, п.п. 6 и 7.
5.7. Передача телетекста Системы В МСЭ-Р
Передача телетекста Системы В МСЭ-Р (Рекомендация МСЭ-Р
ВТ.653-3) должна соответствовать требованиям Стандарта EN 300 472.
5.7.1. Определение службы
Механизм транспортировки данных телетекста Системы В МСЭ-Р в
потоках системы ЦНТВ должен удовлетворять следующим требовани-
ям:
поддерживать транскодирование данных телетекста в интервал
гашения полей (ИГП) аналогового видеосигнала; транскодиро-
ванный сигнал должен быть совместим с существующими ТВ
приемниками, оборудованными декодерами телетекста;
максимальная скорость передачи данных для каждой службы
телетекста эквивалентна 16 строкам на каждое поле, так что
служба всегда имеет возможность транскодирования в ИГП;
механизм транспортировки должен иметь возможность передачи
субтитров с точной синхронизацией относительно изображения
(т. е. с точностью до одного кадра).
Основные положения проекта базового стандарта цифрового ТВ вещания в России
547
5.7.2. Ввод телетекста в транспортный поток MPEG-2
Вставка телетекста в транспортный поток MPEG-2 должна соответ-
ствовать требованиям Стандарта EN 300 472, п. 4.
Данные телетекста передаются в PES-пакетах, которые перено-
сятся пакетами транспортного потока (TS), как определено в Стан-
дарте ISO/IEC 13818-1.
Идентификатор пакета (PID) потока телетекста, связанного с конк-
ретной службой, отмечается в таблице структуры программы (РМТ)
специальной информации о программах PSI для этой службы.
Потоку данных телетекста в поле stream_type присваивается значе-
ние 0x06 (которое указывает на PES-поток, переносящий частные дан-
ные).
Соответствующее поле ES INFO секции структуры программы, опи-
сывающее потоки данных телетекста, должно содержать дескриптор
телетекста, как определено в Стандарте EN 300 468.
Служба может включать более одного потока данных телетекста при
условии, что каждый поток имеет различные значения идентификато-
ра data identifier и что потоки являются различимыми по их соответ-
ствующим дескрипторам телетекста в специальной информации о про-
граммах PSI.
Синтаксис и семантика транспортного пакета и PES-пакета, предназ-
наченных для транспортировки данных телетекста Системы В МСЭ-Р в
потоках системы ЦНТВ, должны соответствовать требованиям Стан-
дарта EN 300 472, п.п. 4.1 — 4.4.
6. Ограничение доступа
Ограничение доступа должно соответствовать требованиям Отчета
ETR 289.
6.1. Определение службы
Системы ЦНТВ с ограниченным доступом (СОД) применяются при
необходимости обеспечить санкционированное пользование услугами
цифрового вещания. Такие системы отличаются от обычных систем
использованием операций скремблирования и шифрования, предотв-
ращающих несанкционированный прием.
Скремблирование — это процесс придания неразборчивости звуку,
изображению и данным.
Шифрование представляет собой процесс защиты секретных клю-
чей, которые должны быть переданы вместе со скремблированным сиг-
налом для работы дешифратора случайных последовательностей (деск-
ремблера).
После дескремблирования любые дефекты звука и изображения дол-
жны быть незаметны, т.е. СОД должна быть прозрачна.
548
Приложение 4
6.2. Алгоритм скремблирования
Алгоритм скремблирования потоков цифрового вещания должен со-
ответствовать требованиям Отчета ETR 289, п. 4.
В случае скремблирования на уровне транспортного пакета алго-
ритм скремблирования применяется к полезной нагрузке потока транс-
портных пакетов (TS).
Для осуществления скремблирования с тем же самым алгоритмом
на уровне PES-пакета используется структурирование PES-пакетов.
Метод скремблирования на уровне PES-пакетов требует, чтобы заго-
ловок PES-пакета не был скремблирован (Стандарт ISO/IEC 13818-1),
а пакеты транспортного потока, содержащие части скремблированного
PES-пакета, не должны содержать поля адаптации (за исключением
транспортного пакета, содержащего окончание PES-пакета).
6.3. Использование алгоритма скремблирования в потоках MPEG-2
Эффективное использование общего алгоритма скремблирования в
потоках MPEG-2 должно соответствовать требованиям Отчета ETR 289,
п. 5, содержащего синтаксические определения и некоторые эксплуата-
ционные рекомендации для цифровых потоков MPEG-2.
6.4. Данные ограниченного доступа
Данные системы с ограничением доступа: сообщение, управляющее
правом доступа (ЕСМ), и сообщение, предоставляющее право доступа
(ЕММ), должны соответствовать требованиям Отчета ETR 289, п. 7.
Авторы
Ю.Б.Зубарев — член-корреспондент РАН, доктор технических наук,
профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, лауре-
ат Государственной премии Российской Федерации, директор НИИР.
В течение ряда лет — главный конструктор и научный руководитель
работ по созданию цифровых спутниковых и наземных систем связи и
ТВ вещания. Неоднократно возглавлял делегации нашей страны на
Всемирных конференциях МСЭ и 11-й ИК (ТВ вещание).
М.И.Кривошеев — доктор технических наук, профессор, академик
Международной академии связи, лауреат Государственных премий СССР
и Российской Федерации, главный научный сотрудник НИИР. В тече-
ние 1970—2000 гг., будучи председателем 11-й ИК (ТВ вещание) МСЭР,
занимался международной стандартизацией и развитием ТВ систем.
Почетный председатель и член Управляющего комитета 6-й ИК (Ве-
щание).
И.Н.Красносельский — кандидат технических наук, начальник сек-
тора НИИР. Специалист в области цифровых систем передачи инфор-
мации, разработчик аппаратуры преобразования сигналов и помехоус-
тойчивого кодирования. В течение ряда лет — руководитель нескольких
НИР по тематике цифрового ТВ вещания и передачи дополнительной
информации.
Содержание
Предисловие.......................................................3
I. Теоретические основы передачи информации в системах
цифрового ТВ вещания
1. Введение в цифровые методы передачи информации...............5
1.1. Обобщенная модель цифровой системы передачи информации.......5
1.2. Шум и другие факторы, влияющие на качество принимаемого сигнала
(верность принимаемой информации).................................8
1.2.1. Факторы, влияющие на качество принимаемого сигнала.........8
1.2.2. Шум и его описание.........................................9
1.2.3. Белый шум ............................................... 10
1.2.4. Рэлеевский шум............................................12
1.2.5. Импульсный шум ...........................................12
1.2.6. Шумовая полоса четырехполюсника ..........................13
1.3. Отношение сигнал/шум и вероятность ошибки при приеме цифровой
информации.......................................................14
1.3.1. Отношение сигнала к шуму................................. 14
1.3.2. Вероятность ошибки при приеме сигналов ...................16
1.3.3. Преобразования функций ошибок и интегралов вероятностей...19
1.4. Пропускная способность канала...............................21
Список литературы................................................25
2. Согласование сигнала с характеристиками канала..............26
2.1. Постановка задачи согласования параметров сигнала с
характеристиками канала..........................................26
2.2. Выбор формы передаваемого сигнала и его оптимальная фильтрация 3Q
2.3. Сигналы, удовлетворяющие требованиям согласования с АЧХ канала 33
2.4. Анализ глазковых диаграмм и выбор формы импульсов для цифровой
передачи сигналов................................................42
2.5. Формирующие фильтры.........................................51
Список литературы................................................56
3. Методы модуляции в цифровых ТВ системах.....................58
3.1. Предварительные замечания...................................58
3.2. Сигнальные созвездия........................................59
3.2.1. Полярные диаграммы........................................59
3.2.2. Квадратурные диаграммы....................................61
3.2.3. Диаграммы состояний.......................................64
3.3. Принципы квадратурной модуляции.............................64
3.4. Одночастотные схемы модуляции...............................68
3.4.1. Относительная фазовая модуляция...........................68
3.4.2. Квадратурная амплитудная модуляция........................70
3.4.3. Однополосная амплитудная модуляция........................72
3.5. Многочастотная схема модуляции OFDM.........................73
3.6. Иерархические режимы модуляции..............................79
Список литературы................................................85
4. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры
данных............................................................87
4.1. Основные понятия.............................................87
4.1.1. Блоковые и сверточные коды ................................87
4.1.2. Конечные поля..............................................89
4.2. Энергетический выигрыш кодирования...........................90
4.3. Тип решения в двоичном канале и его влияние на ЭВК...........93
4.4. Блоковые коды Рида-Соломона..................................97
4.5. Сверточное кодирование.............................................. 102
4.6. Алгоритм декодирования Витерби............................... 104
4.7. Кодирование и модуляция на основе решетчатых сигнально-кодовых
конструкций....................................................... 106
4.8. Каскадное кодирование...................................... 110
4.9. Турбокоды.................................................... 112
4.9.1. Основные принципы турбокодирования....................... 112
4.9.2. Декодирование турбокодов................................... 116
4.9.3. Возможности применения турбокодов в системах цифрового ТВ вещания. 120
4.10. Относительное кодирование................................... 122
4.11. Скремблирование .......................................... 123
4.12. Перемежение................................................. 127
Список литературы................................................. 129
5. Эффективность и помехоустойчивость цифровых систем
передачи.........................................................133
5.1. Определение эффективности цифровых систем передачи........... 133
5.1.1. Спектральная эффективность................................. 133
5.1.2. Энергетическая эффективность............................... 135
5.2. Потенциальная помехоустойчивость цифровой модуляции.......... 137
5.2.1. Фазовая модуляция.......................................... 137
5.2.2. Квадратурная модуляция..................................... 142
5.2.3. Оценка помехоустойчивости и эффективности цифровых систем ТВ вещания 143
Список литературы................................................. 145
II. Международная стандартизация и техническая
реализация систем и устройств цифрового ТВ вещания
6. Международная стандартизация систем цифрового
телевидения......................................................147
6.1. Международные организации по стандартизации систем цифрового
телевизионного вещания.......................................... 147
6.2. Роль МСЭ-Р в разработке систем цифрового ТВ вещания........ 152
6.2.1. Исторические аспекты создания и деятельности Исследовательской комис-
сии по телевидению.............................................. 152
6.2.2. Кодирование для цифровых студий.......................... 155
6.2.3. Телевидение высокой четкости (ТВЧ) ...................... 157
6.2.4. Цифровое многопрограммное спутниковое ТВ вещание......... 170
6.2.5. Цифровое наземное ТВ вещание ............................ 173
6.2.6. Интерактивное вещание.................................... 174
6.2.7. Гармонизация систем цифрового ТВ вещания в МСЭ-Р......... 176
6.3. Основные направления стандартизации европейских систем цифрового
ТВ вещания DVB................................................ 179
6.4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем............ 181
6.4.1. Предварительные замечания................................ 181
6.4.2. Функциональные уровни ВОС.................................. 183
6.5. Кодирование источников по стандартам MPEG-2.................. 186
6.5.1. Предварительные замечания.................................. 186
6.5.2. Принципы кодирования изображений .......................... 187
6.5.3. Принципы кодирования звука ................................ 190
6.5.4. Профили и уровни стандарта MPEG-2.......................... 192
6.6. Стандарты ТВЧ................................................ 196
Список литературы................................................. 198
7. Передача сервисной информации в системах цифрового ТВ
вещания............................................................204
7.1. Основные определения сервисной информации.....................204
7.1.1. Место сервисной информации................................. 204
7.1.2. Синтаксис потока битов..................................... 205
7.1.3. Термины и определения ..................................... 207
7.2. Таблицы сервисной информации................................. 210
7.2.1. Определение таблиц сервисной информации.................... 210
7.2.2. Использование таблиц сервисной информации ................. 212
7.3. Организация таблиц сервисной информации.......................214
7.3.1. Структура секций........................................... 214
7.3.2. Отображение секций в пакеты транспортного потока........... 217
7.3.3. Кодирование полей идентификаторов PID и table_id........... 218
7.3.4. Частоты повторения и случайный доступ...................... 219
7.3.5. Скремблирование таблиц..................................... 220
7.4. Синтаксическое и семантическое описания таблиц сервисной
информации........................................................ 220
7.5. Дескрипторы.................................................. 224
7.5.1. Общие сведения............................................. 224
7.5.2. Дескрипторы таблицы сетевой информации NIT................. 225
7.5.3. Дескриптор кабельной системы доставки...................... 227
7.6. Особенности использования сервисной информации в стандартных
системах цифрового ТВ вещания.................................. 229
7.6.1. Ограничения при использовании таблиц сервисной информации . 229
7.6.2. Гармонизация стандарта MPEG-2.............................. 230
7.6.3. Дескриптор регистрации транспортного потока ............... 231
7.6.4. Резервирование значений элементов сервисной информации .... 233
7.6.5. Совместимость при присвоении значений типа потока..........’234
7.6.6. Гибкость транспортировки................................... 235
Список литературы................................................. 235
Глава 8. Мультиплексирование и коммутация цифровых потоков
в системах ТВ вещания...........................................237
8.1. Мультиплексирование в системах цифрового ТВ вещания.......... 237
8.1.1. Уровни мультиплексирования................................. 237
8.1.2. Структура элементарных пакетов ............................ 241
8.1.3. Структура PES-пакетов...................................... 242
8.1.4. Структура транспортных пакетов............................. 245
8.2. Транспортировка пакетов MPEG-2 в составе ячеек ATM............250
8.3. Особенности статистического мультиплексирования.............. 254
8.4. Коммутация транспортных потоков MPEG-2........................256
8.4.1. Общие сведения............................................. 256
8.4.2. Обобщенная модель коммутатора цифровых потоков ............ 257
8.4.3. Управление буфером декодера................................ 259
8.4.4. Проблемы переключения данных изображений и звука........... 262
Список литературы................................................. 263
9. Мультиплексирование потоков данных дополнительных и
вспомогательных служб в системах цифрового
телевидения........................................................264
9.1. Вещание данных.................................................. 264
9.1.1. Предварительные замечания..................................... 264
9.1.2. Виды доставки данных.......................................... 265
9.2. Мультиплексирование потоков данных общего назначения.............269
9.2.1. Мультиплексирование дополнительных и вспомогательных данных с
использованием структуры элементарных пакетов.................... 269
9.2.2. Мультиплексирование дополнительных и вспомогательных данных с
использованием структуры частной секции.......................... 270
9.3. Мультиплексирование данных телетекста............................271
9.3.1. Предварительные замечания..................................... 271
9.3.2. Ввод данных телетекста в пакетированные элементарные потоки... 273
9.4. Мультиплексирование субтитров................................... 276
9.4.1. Особенности передачи информации о субтитрах................... 276
9.4.2. Модель декодера субтитров..................................... 277
9.4.3. Формат транспортного потока при передаче субтиров ............ 278
Список литературы.................................................... 281
10. Ограничение доступа в системах цифрового
ТВ вещания.........................................................283
10.1. Модель системы с ограниченным доступом..........................283
10.1.1. Ограничение доступа к программам вещания .................... 283
10.1.2. Модель системы с ограниченным доступом....................... 283
10.1.3. Варианты построения системы с ограниченным доступом.......... 286
10.1.4. Алгоритм скремблирования для систем с ограниченным доступом . 287
10.2. Эксплуатационные требования к системе с ограничением доступа .. 290
10.2.1. Методы оплаты................................................ 290
10.2.2. Особенности эксплуатации систем с ограниченным доступом...... 290
10.2.3. Требования по обеспечению безопасности....................... 291
10.3. Обратный канал в системе с ограничением доступа.................293
10.4. Интерфейс модуля, обеспечивающего ограниченный доступ....... 294
10.4.1. Соединение модуля с главным устройством ..................... 294
10.4.2. Архитектура модуля ......................................... 295
10.4.3. Интерфейс транспортного потока .............................. 297
10.4.4. Интерфейс команд ............................................ 297
10.4.5. Физические требования к интерфейсу........................... 298
10.5. Маркирование цифровыми водяными знаками........................ 300
Список литературы.................................................... 302
III. Принципы построения и особенности внедрения систем
цифрового ТВ вещания
11. Модели систем цифрового ТВ вещания................................304
11.1. Глобальный подход к цифровому вещанию.......................... 304
11.1.1. Глобальная модель систем цифрового вещания................... 304
11.1.2. Цифровое ТВ вещание — основа вещания с интеграцией служб .... 306
11.2. Архитектура систем доставки сигналов цифрового
ТВ вещания........................................................ 307
11.2.1. Определение и классификация систем доставки.................. 307
11.2.2. Архитектура кабельной сети системы доставки.................. 308
11.2.3. Архитектура радиосети системы доставки ...................... 311
11.3. Модели структуры и взаимодействия в интерактивных системах
цифрового ТВ вещания................................................ 314
11.3.1. Назначение и применение интерактивных систем............... 314
11.3.2. Архитектура интерактивных систем........................... 315
11.3.3. Эталонная модель открытой интерактивной системы ТВ вещания. 319
11.3.4. Структура и характеристики интерактивных каналов........... 321
11.3.5. Протоколы обмена информацией в интерактивных системах...... 323
11.3.6. Протокол логического сеансового уровня .................... 325
11.4. Стек протоколов DSM-CC....................................... 329
11.4.1. Определение стека протоколов DSM-CC ....................... 329
11.4.2. Эталонная модель стека протоколов DSM-CC .................. 329
11.4.3. Режимы использования стека протоколов DSM-CC............... 331
11.5. Домашняя мультимедийная платформа............................ 332
11.5.1. Концепция домашней мультимедийной платформы ............... 332
11.5.2. Программный интерфейс приложений........................... 333
11.5.3. Домашняя цифровая сеть..................................... 335
11.6. Модели систем цифрового ТВ вещания........................... 337
11.6.1. Структура системы цифрового наземного ТВ вещания........... 337
11.6.2. Функциональная модель системы цифрового наземного ТВ вещания... 339
11.6.3. Модель интерактивной системы цифрового спутникового ТВ вещания. 342
11.6.4. Модель комплексной системы цифрового ТВ вещания............ 344
11.7. Модель и платформа обслуживания.............................. 345
11.7.1. Модель обслуживания........................................ 345
11.7.2. Платформа обслуживания..................................... 347
11.7.3. Минимальный набор стандартов............................... 347
Список литературы.................................................. 348
12. Принципы построения и структура цифровых систем
наземного ТВ вещания.................................................351
12.1. Общая характеристика систем цифрового наземного
ТВ вещания.......................................................... 351
12.2. Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T................. 353
12.2.1. Общая характеристика и структура системы DVB-T ............ 353
12.2.2. Рандомизация данных ....................................... 355
12.2.3. Внешнее кодирование и перемежение.......................... 356
12.2.4. Внутреннее кодирование..................................... 357
12.2.5. Внутреннее перемежение..................................... 358
12.2.6. Методы модуляции .......................................... 359
12.2.7. Формирование кадра данных.................................. 360
12.2.8. Сигнализация о параметрах передачи ........................ 362
12.2.9. Защитные интервалы......................................... 363
12.3. Система цифрового наземного ТВ вещания ISDB-T................ 363
12.3.1. Общая характеристика системы ISDB-T........................ 363
12.3.2. Методы мультиплексирования и формирования кадра данных .... 364
12.3.3. Методы кодирования для канала.............................. 365
12.3.4. Методы модуляции .......................................... 366
12.4. Система цифрового наземного ТВ вещания 8-VSB ATSC............ 369
12.4.1. Структура системы 8-VSB ATSC............................... 369
12.4.2. Формирование кадра данных системы 8-VSB ATSC............... 371
12.4.3. Перемежение и кодирование для канала в системе 8-VSB ATSC.. 372
12.4.4. Модуляция в системе 8-VSB ATSC............................. 373
12.5. Основные параметры тракта передачи сигналов в системах
цифрового наземного ТВ вещания...................................... 375
Список литературы ..................................................378
13. Принципы построения и основные параметры спутниковых
систем цифрового ТВ вещания.........................................380
13.1. Общие сведения............................................... 380
13.1.1. Предварительные замечания о становлении цифровых спутниковых систем 380
13.1.2. Выделение частотного ресурса для спутниковых систем ....... 381
13.1.3. Общая характеристика систем цифрового спутникового многопрограммного
вещания ........................................................... 383
13.2. Основные функциональные требования к цифровым спутниковым
системам многопрограммного ТВ вещания.............................. 384
13.3. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания
DVB-S.............................................................. 387
13.4. Система цифрового спутникового многопрограммного ТВ вещания
ISDB-S..............................................................393
13.4.1. Назначение и основные характеристики системы ISDB-S........ 393
13.4.2. Принципы построения и особенности системы ISDB-S .......... 395
13.4.3. Структура кадров данных в системе ISDB-S................... 398
13.5. Цифровые спутниковые системы сбора новостей и первично-
го распределения....................................................403
13.5.1. Особенности и назначение систем первичного распределения .. 403
13.5.2. Структура и параметры тракта адаптации к каналу ........... 405
13.5.3. Формирование сигнально-кодовых конструкций для различных режимов
передачи.......................................................... 407
13.5.4. Каналы координации в системах первичного распределения .... 409
Список литературы ..................................................411
14. Системы цифрового ТВ вещания по кабелю........................413
14.1. Предварительные замечания.....................................413
14.2. Система цифрового ТВ вещания DVB-C............................413
14.2.1. Принципы построения........................................ 413
14.2.2. Отображение байтов в символы............................... 415
14.2.3. Дифференциальное кодирование................................416
14.3. Особенности интерактивной системы цифрового вещания по
кабельным сетям.....................................................417
14.4. Системы коллективного приема спутниковых сигналов.............420
14.4.1. Общие принципы построения систем коллективного приема...... 420
14.4.2. Архитектура кабельных систем коллективного приема ......... 422
Список литературы...................................................426
15. Сравнение характеристик стандартных систем цифрово-
го ТВ вещания по результатам их испытаний...........................427
15.1. Сравнение характеристик систем цифрового наземного ТВ вещания с
одночастотной и многочастотной
схемами модуляции....................................................427
15.1.1. Предварительные замечания ................................ 427*
15.1.2. Обобщенное сравнение систем 8-VSB ATSC и COFDM DVB-T....... 428
15.2. Анализ и сравнение характеристик систем ЦНТВ..................432
15.2.1. Отношение пиковой мощности сигнала к средней мощности...... 432
15.2.2. Пороги отношения несущая/шум................................ 432
15.2.3. Беспристрастное сравнение систем ЦНТВ по характеристикам отношения
несущая/шум (C/N).................................................. 434
15.2.4. Искажения из-за многолучевого распространения ............. 436
15.2.5. Мобильный прием............................................ 437
15.2.6. Спектральная эффективность ................................ 438
15.2.7. Способность к передаче ТВЧ................................. 439
15.2.8. Помехи существующим аналоговым ТВ службам.................. 440
15.2.9. Одночастотная сеть....................................... 440
15.2.10. Импульсный шум.......................................... 442
15.2.11. Гармоническая помеха.....................................443
15.2.12. Помеха в совмещенном канале от аналогового телевидения.. 443
15.2.13. Помеха в совмещенном канале от системы ЦНТВ............. 444
15.2.14. Влияние фазового шума................................... 444
15.2.15. Коэффициент шума........................................ 445
15.2.16. Прием на комнатную антенну.............................. 445
15.2.17. Пересчет параметров систем для каналов с различными полосами частот ..446
15.2.18. Параметры ввода в эксплуатацию систем ЦНТВ.............. 446
15.3. Результаты испытаний системы ISDB-T.........................448
15.4. Подходы к выбору стандарта системы цифрового наземного
ТВ вещания.......................................................450
15.5. Сводная таблица параметров европейских систем
цифрового вещания................................................453
Список литературы.................................................456
16. Планирование и стратегия внедрения систем цифрового
наземного ТВ вещания.............................................458
16.1. Эксплуатационные требования к системам ЦНТВ.................458
16.2. Гармонизация систем цифрового наземного ТВ вещания с
аналоговыми системами вещания....................................459
16.3. Зона действия системы ЦНТВ..................................460
16.4. Частотное разделение каналов................................462
16.5. Качество обслуживания.......................................463
16.6. Требования к помехоустойчивости систем ЦНТВ.................464
16.7. Методы частотного планирования систем ЦНТВ..................465
16.8. Планирование сетей ЦНТВ, интегрированных в сети аналогового ТВ
вещания..........................................................465
16.9. Одночастотные сети на базе систем с OFDM....................466
16.10. Планирование региональной сети ЦНТВ.......................467
16.11. Планирование сети ЦНТВ большой протяженности..............469
Список литературы.................................................472
17. Принципы построения и основные параметры терминалов и
декодеров систем цифрового ТВ вещания..........................475
17.1. Основные тенденции в разработке терминалов для систем цифрового
ТВ вещания.....................................................475
17.2. Принципы построения приемников сигналов цифрового телевидения,
передаваемых по различным системам доставки......................477
17.2.1. Необходимость универсального приемника................... 477
17.2.2. Требования к универсальному приемнику.................... 478
17.2.3. Структурная схема универсального приемника............... 479
17.3. Декодеры для приемников спутникового цифрового много-
программного ТВ вещания......................................... 482
17.3.1. Стратегия применения декодеров .......................... 482
17.3.2. Обобщенная эталонная модель декодера.....................483
17.3.3. Универсальные элементы декодера ......................... 487
17.4. Принципы построения декодеров распределительной ТВ сети,
обеспечивающих переход к цифровому ТВ вещанию....................492
17.4.1. Предварительные замечания ............................... 492
17.4.2. Предтрансляционная обработка цифрового ТВ сигнала ....... 492
17.4.3. Принцип работы устройства цифрового декодирования........ 493
17.5. Особенности реализации интегрированных приемников-декодеров на
основе комплектов специализированных СБИС....................497
17.5.1. Типовые структуры приемников в микроэлектронном исполнении . 497
17.5.2. Микроэлектронная реализация кодеров и декодеров Рида-Соломона. 501
17.5.3. Микроэлектронная реализация турбокодеков ................... 502
Список литературы .................................................. 503
Приложение!. Перечень рекомендаций МСЭ-Р.............................505
Приложение2. Перечень рекомендаций МСЭ-Т.............................511
ПриложениеЗ. Перечень стандартов DVB.................................514
Приложение^ Основные положения проекта базового стандарта
цифрового ТВ вещания в России..............................521
ISBN 588230055-Х
9785882 "3 00554
Научное издание
Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев, И.Н.Красносельский
Цифровое телевизионное вещание
Ответственный редактор Е.А. Зуйкова
Редакторы М.Н. Носова, Л.И. Венгренюк
Художник Е.В. Быкова (обложка)
Компьютерная верстка С.Хос
Корректор А.А. Патрикеев
Научно-исследовательский институт радио.
103064, г. Москва, ул. Казакова, 16.
Институт общегуманитарных исследований.
121471, г. Москва, Можайское ш., 28.
Изд. лиц. № 02443 от 24.07.2000.
Подписано в печать с готовых монтажей 05.11.2001.
Формат 70x100/16. Бумага офс.-мел.
Тираж 2000 экз. Усл. печ. л. 46,6.
Заказ №59.
Отпечатано в типографии издательства “Радио и связь”
при участии ООО “Связь-принт.”
103473, г. Москва, 2-ой Щемиловский пер., 4/5.
Рис. 1.1. Структурная схема обобщенной модели ЦСП
8
НК
7,5
6,5
Удельная скорость С/W, бит/с на Гц
5,5
4,5
3,5
2,5
1,5
0,5
0*"
-20 “15 -10 "5
Отношение сигнал/шум, дБ
7
6
5
4
3
2
Рис. 1.6. Удельная пропускная способность канала в зависимости от отношения
сигнал/шум
Рис. 1.7. Пропускная способность канала в зависимости от нормированной полосы
пропускания
Относительный уровень
1,25
Относительная частота f/fK,
N
----о
---- 0,25
---- 0,5
---- 0,75
---- 1
Рис. 2.1. Спектры со срезом косинус-квадратичной формы
Относительный уровень импульса Относительный уровень импульса
Относительное время ft
----- 0.25
0.5
----- 0.75
----- 1
Относительное время ft
Рис. 2.2. Формы сигналов с косинус-квадратичным срезом спектра
Относительный уровень sQ(f) Относительный уровень sf(t)
1
0,75
0,5
0,25
0
-0,25
-0,5
-0,75
0,5
1,5 2
Относительное время fN t
-2 -1,5 -1 -0,5
0,5
1,5 2
Относительное время fN t
Рис. 2.3. Формы модулированных сигналов Найквиста
1,25
Относительный уровень
О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2
Относительная частота f/fN
А 1=0,647
А2=0,750
АЗ=0,800
А4=0,827
А5=0,849
А 6= 1,000
Рис. 2.7. Срезы спектра квазиоптимальных сигналов
Относительный уровень
Коэффициент скругления спектра 100%
А=0,750
А=0,800
А=0,827
А=0,849
А=1,000
Рис. 2.8. Квазиоптимальные сигналы с а=1
Относительный уровень
Коэффициент скругления спектра 50%
Нормированное время fN t
А1 =0,647
А2=0,750
АЗ=0,800
А4=0,827
А5=0,849
А6=1,000
Рис. 2.9. Квазиоптимальные сигналы с а=0,5
Относительный уровень
Тактовые интервалы
Рис. 2.10. Формирование узора глазковой диаграммы
Относительная ширина глазка
1,2
Коэффициент скругления спектра
□ □ □ 0,647
+ + + 0,750
ооо о,827
ххх 0,849
------ 0,647
------ 0,750
------ 0,827
------ 0,849
Рис. 2.20. Горизонтальный раскрыв глазка Ewb зависимости
от коэффициента скругления спектра а
1,2
Эффективность передачи
0,8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Коэффициент скругления спектра
° п ° 0,647
+ + + 0,750
0 0 0 0,827
XXX 0849
------- 0,647
------- 0,750
------- 0,827
------- 0,849
Рис. 2.21. Оптимальность формы глазка в зависимости
от коэффициента скругления спектра а
Относительный уровень сигнала OFDM
Относительное время
----- sin(x)
----- sin(2x)
----- sin(3x)
----- sin(4x)
----- sin(5x)
----- U(x)
Рис. 3.16. Сумма несущих OFDM
Рис. 4.18. Разбиение элементов множества сигналов
Вероятность ошибки
Энергетический выигрыш кодирования
Eb /No, ДБ
Рис. 4.2. Определение ЭВК по кривым для вероятности ошибки в зависимости от
отношения Eb /No
Энергетическая эффективность, дБ
Спектральная эффективность, г|
Рис. 5.1. Энергетическая эффективность р в зависимости от реальной спектраль-
ной эффективности д при фиксированных значениях коэффициента скругления
спектра а
Энергетическая эффективность, дБ
О
Коэффициент скругления спектра, а
Рис. 5.2. Энергетическая эффективность р в зависимости от коэффициента скруг-
ления спектра а при фиксированных значениях реальной спектральной эффектив-
ности Т|