Основные положения нового стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T2

Вторая версия стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T2, разработанная в рамках консорциума DVB в 2008 году обеспечивает 30% прирост пропускной способности эфирных каналов и 50% увеличение по сравнению с системой DVB-T.

Какой именно выигрыш можно получить, зависит от применяемых режимов модуляции несущих и построения сети.

Основной принцип разработки стандарта DVB-T2 заключался в том, чтобы он был максимально совместимым со стандартом DVB-T.

Бóльшая часть технических решений, использованная при создании стандарта DVB-T2, была направлена на максимальное увеличение пропускной способности радиоканала. Ряд опций – новые размерности массива быстрого преобразования Фурье(FFT) и защитных интервалов, а также совокупность режима введения пилот-сигналов были введены для возможности оптимизации параметров в зависимости от характеристик конкретного радиоканала.

Канальное кодирование, часто называемое FEC-кодированием, используемое в системе DVB-T2 с целью обеспечения высокой помехоустойчивости передаваемой информации за счет исправления ошибок, также является каскадным. В качестве внешнего кода применяется короткий циклический код БЧХ. Для устранения ошибок, оставшихся после БЧХ-декодирования, данные дополнительно защищаются кодом с низкой плотностью проверки на четность (LDPC code).

В системе телевизионного вещания DVB-T2 после кода LDPC предусмотрено применение кода БЧХ с очень высокой относительной скоростью (около 0,99). Этот код с малой корректирующей способностью введен для снижения порога коррекции устройства кодирования LDPC. Порог коррекции присутствует у всех интерактивных схем кодирования, к которым относятся турбокоды. Он проявляется в том, что при декодировании всегда остается некоторое количество ошибок, неподдающихся коррекции при последующих итерациях.

Используемые в системе DVB-T2 коды LDPC настолько эффективны, что их применение позволяет обеспечить помехоустойчивость на уровне системы DVB-T, но добиться при этом передачи цифровых данных практически с двукратной скоростью.

Выигрыш в уровне отношения сигнал/шум за счет нового FEC-кодирования может составлять до 3 дБ для типичного уровня ошибок и при одинаковой доле контрольных символов.

Передаваемые в системе DVB-T2 данные пакетируются в базовые кадры, заголовок которых содержит информацию о характере данных (рис. 5.12). Эффективность LDPC-кодирования особенно высока при кодировании длинных последовательностей. Поэтому полная длина базового кадра с наложенным помехозащитным кодированием составляет 64 800 бит. В рамках стандарта DVB-T2 доля контрольных бит помехозащитных кодов может колебаться от 15 до 50%. В качестве опции допускается и более короткий вариант базового кадра – длиной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема сигналов низкоскоростных услуг.

Данные, передаваемые внутри базового кадра, как правило, представляют собой последовательность пакетов транспортного потока MPEG-2.

Для системы DVB-T2 также выбран способ модуляции OFDM с защитным интервалом. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, в которых сигналы с соседних радиопередатчиков могут приходить к приемнику со значительным запаздыванием относительно основного сигнала.

Рис. 5.12. Структура базового кадра системы DVB-T2
с помехозащитным кодированием

Для возможности удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме передаваемых данных в стандарте DVB-T2 были введены два новых режима – 16k и 32k с соответствующим увеличением числа ортогональных несущих. При этом абсолютная величина защитного интервала T_G сохраняется, но его доля в общем объеме передаваемых данных снижается.

Максимальная длительность защитного интервала в системе DVB-T2 достигается в режиме 32k при отношении T_G к длине всего символа данных T_s19/128. Длительность T_G в этом случае превышает 500 мкс, чего вполне достаточно для строительства крупной общегосударственной одночастотной сети.

Высший способ модуляции по фазе и амплитуде отдельных несущих в стандарте DVB-T – QAM-64, что обеспечивает передачу 6 бит одним символом (одной модулированной несущей). В системе DVB-T2 в качестве высшей модуляции используется QAM-256, которая позволяет передавать одним символом 8 бит. Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом, эксперименты показали, что FEC-кодирование с помощью кода LDPC обеспечивает 30% увеличение эффективности использования радиоканала по сравнению с системой DVB-T при типовых условиях передачи. Таким образом, введение режима QAM-256 стало возможным благодаря кодам LDPC.

В цифровых телевизионных системах с OFDM-модуляцией используются распределенные пилот-сигналы. Приемнику известны параметры модуляции пилот-сигналов, и он может использовать их для оценки состояния радиоканала. В системе DVB-T каждый двенадцатый модулированный элемент является пилот-сигналом, то есть они занимают 8% в общем объеме данных. Однако для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8% оказывается избыточной. Поэтому стандарт DVB-T2 предусматривает восемь разных вариантов размещения пилот-сигналов. Каждому варианту относительной длительности защитного интервала соответствует несколько возможных опций размещения пилот-сигналов. Они динамически выбираются в зависимости от текущего состояния канала, что позволяет оптимизировать их количество. Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для снижения требуемого уровня отношения сигнал/шум на входе приемника или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной последовательностью.

Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для снижения требуемого уровня С/N на входе приемника или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной последовательностью.

В системе DVB-T2 используются три варианта перемежения:

а) битовый перемежитель рандомизирует биты в пределах базового кадра с помехозащитным кодированием;

Рис. 5.13. Схема поворота сигнального созвездия модуляции
QAM-16 на векторной диаграмме

б) временнóй перемежитель перераспределяет данные базового кадра с помехозащитным кодированием по символам OFDM в рамках кадра DVB-T2. Таким образом, информация, потерянная в один период времени, может быть восстановлена с использованием информации, передаваемой в другой период времени, что обеспечивает противодействие импульсным помехам;

в) частотный перемежитель рандомизирует данные в рамках OFDM-символа с целью ослабить эффект селективных частотных замираний.

В системе DVB-T2 применяется новый способ поворота на определенный угол сигнального созвездия QAM-модуляции на векторной диаграмме (рис. 5.13).

За счет поворота сигнального созвездия на точно подобранный угол каждая его точка приобретает уникальные координаты Q и J, неповторяемые остальными точками. Причем каждая координата сигнальной точки обрабатывается в модуляторе отдельно, замешиваясь с координатами других сигнальных точек. Координаты Q и J отдельных сигнальных точек могут передаваться на разных OFDM-несущих и в разных OFDM-символах. В приемнике координаты Q и J вновь объединяются, формируя исходное сигнальное созвездие, сдвинутое на некоторый угол.

Рис.5.14. Огибающая спектра мощности радиосигнала в случае
расширенного режима модуляции COFDM

Таким образом, если одна несущая или OFDM-символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, это позволит восстановить символ данных, хотя и с более низким уровнем отношения сигнал/шум. При использовании неповернутого сигнального созвездия разнесение координат Q и J не имеет смысла потому, что символ данных может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание.

Эксплуатация системы DVB-T2 показала, что выигрыш в отношении сигнал/шум за счет применения способа поворота сигнального созвездия QAM-модуляции на определенный угол может доходить до 5 дБ.

Использование в системе DVB-T2 режимов 16k и 32kпозволяет реализовать расширенный режим модуляции COFDM. Дело в том, что сигнал COFDM имеет «плечи»,

которые залезают на соседние частотные участки и являются помехой для располагающихся там сигналов (рис.5.14). Эти «плечи» – следствие особенностей формирования сигнала COFDM и избавиться от них полностью невозможно. Однако в режимах 16k и 32k спектр излучаемого радиосигнала спадает более быстро на границах полосы, что позволило увеличить число несущих, используемых для передачи данных, и пропускную способность еще на 2% за счет расширения полосы занимаемых частот.

Для оценки потенциальных возможностей двух систем (DVB-T и DVB-T2) в табл.5.7 приведены основные параметры их функционирования, позволяющие, в первую очередь, оценить пропускную способность эфирных радиоканалов. Из анализа приведенных в табл. 5.7 параметров следует, что система DVB-T2 по сравнению с системой DVB-T в большей степени адаптивна к задачам, решаемым операторами эфирного вещания, а именно: покрытие определенной территории максимальным количеством телепрограмм, цифровое вещание на территории со сложным рельефом местности, вещание на движущиеся объекты, где скорость передачи информации не является основным требованиям.