Принципы построения одночастотных сетей наземного ТВ вещания стандарта первого поколения DVB-T

В одночастотной сети все передатчики синхронно модулируются одним и тем же сигналом и формируют выходной сигнал в одном и том же ТВ-канале. Благодаря устойчивости GOFDM-сигнала к многолучевому распространению зоны обслуживания отдельных передатчиков могут перекрываться, при этом на приемную антенну будут приходить сигналы от нескольких передатчиков.
Ограничивающим фактором при организации одночастотной синхронной сети являются помехи от удаленных передатчиков. Если сигналы от удаленных передатчиков имеют задержку, превышающую защитный интервал, они будут восприниматься на приеме как мешающий шумоподобный сигнал. Снижение внутренних помех сети до приемлемой величины, определяемой защитным отношением для данного режима модуляции и кодирования, обеспечивается оптимизацией выбора количества и мест установки передатчиков, их мощности, высоты подвеса и характеристик направленности антенно-фидерных устройств. Для увеличения расстояния между передатчиками необходимо увеличить защитный интервал, что в свою очередь приводит к снижению эффективной скорости передаваемого потока, а с другой — уменьшение защитного интервала требует увеличения числа передатчиков.
Платой за эффективное использование частотного ресурса является необходимость обеспечения синхронной работы всех передатчиков сети. Для сетей с большой зоной обслуживания используется режим 8 К и защитный интервал 1/4, т.е. 224 мкс. Для нормального функционирования сети должна быть обеспечена синхронизация по частоте, времени и по передаваемой информации (структуре потока).
В соответствии с рекомендациями TR 101190 расхождение частот несущих GOFDM-сигналов, излучаемых разными передатчиками сети, не должно превышать f/1000, где f — интервал между несущими. Таким образом, для режима 8К это 1 Гц. Одним из способов реализации этого требования является использование единого источника опорного колебания для всех генераторов передатчиков, входящих в сеть.
Передатчики одночастотной сети должны одновременно излучать один и тот же сигнал. Сигналы всех передатчиков одночастотной сети должны быть с точностью до бита передаваемой информации идентичны друг другу, что накладывает дополнительные требования к транспортной сети:
• максимальная задержка распространения сигнала в транспортной сети не должна превышать 1 секунду;
• должен быть сохранен порядок следования пакетов потока и положение синхробайта в пакете;
• должна быть обеспечена идентичность тактовых частот между выходом формирователя транспортного пакета (входом транспортной сети) и входом эфирного модулятора (выходом транспортной сети) с погрешностью не более тысячных долей Герца;
• должны быть обеспечены циклы передачи сигналов кадровой синхронизации для всех ТВ-каналов мультиплекса (меток PCR).
На рис. 1 представлена блок-схема организации типовой одночастотной синхронной сети, где основными узлами, обеспечивающими работу одночастотной сети, являются SFN и система SYNC.
Узел формирования пакета программ (мультиплексор) принимает цифровые потоки, поступающие по различным каналам, и объединяет их в единый транспортный поток MPEG-4. Адаптер SFN формирует мегафреймы, содержащие n транспортных пакетов, соответствующих 8 DVB-T фреймам в режиме 8К, а также вводит инициализирующий пакет мегафрейма (Mega Frame Initialization Packet — MIP) с уникальным идентификатором пакета (Packet Identifier — PID). В этом пакете содержится управляющая информация о времени начала передачи следующего мегафрейма и об установленном режиме работы (вид модуляции, защитный интервал, скорость сверточного кода).
На выходе адаптера SFN формируется транспортный цифровой поток в соответствии со стандартом.
Передающий (Тх) и приемный (Rх) адаптеры распределительной сети обеспечивают передачу цифрового транспортного потока, сформированного адаптером SFN на передатчики наземного эфирного цифрового вещания. Максимальная задержка по времени передачи в распределительной сети компенсируется системой SYNC. Данная система обеспечивает компенсацию времени распространения в распределительной сети по информации, передаваемой в MIP, и меткам времени Глобальной системы позиционирования (ГСП) «ГЛОНАСС» или GPS
Модулятор DVB-T обеспечивает фиксированную задержку сигнала между его входом и выходом передатчика. Информация, введенная в MIP, используется для управления режимами модулятора и текущей задержкой излучаемого сигнала. Тактовые частоты отдельных модуляторов синхронизированы по опорным сигналам системы глобального позиционирования.
Глобальные системы позиционирования («ГЛОНАСС» и GPS) являются одними из множества источников опорного времени, но только они в настоящее время являются по-настоящему глобальными. Существующие приемники этих систем обеспечивают выдачу как опорной частоты 10 МГц, так и меток времени — 1 pps (один импульс в секунду). Метки времени 1 pps имеют длительность 100 нс и формируются делением сигнала опорной частоты 10 МГц.
С учетом данных, приведенных выше, реализация задач по региональной модификации программ с использованием типовых вариантов построения одночастотных сетей возможна только при реализации схемы, приведенной на рис. 1.

 

Головная станция обеспечивает возможность формирования транспортного потока с сигналами синхронизации для одночастотной синхронной сети SFN первого мультиплекса (8 ТВ- + 3 РВ-программы). При использовании стандарта компрессии сигнала MPEG-4 скорость передачи (пиковая) на одну ТВ-программу со звуковым сопровождением может составлять 2.4-2.7 Мбит/с, одной РВ-программы (стерео) — 256 кбит/с. Таким образом, суммарная скорость потока, необходимая для передачи первого мультиплекса, не превосходит скорость 22.39 Мб/с (min 19,9 Мб/с). При работе с защитным интервалом 1/4 обеспечивается максимальное расстояние между передатчиками одночастотной синхронной сети 67 км при скоростях передачи:
- 19.91 Мб/с при канальном кодировании 2/3;
- 22.39 Мб/с при канальном кодировании 3/4;
- 24.88 Мб/с при канальном кодировании 5/6;
- 26.13 Мб/с при канальном кодировании 7/8.
Канальное кодирование влияет не только на скорость в транспортном потоке, но и на качество сигнала, то есть, в зависимости от выбранного параметра, качество сигнала в одной и той же точке приема будет разное за счет дополнительных бит в транспортном потоке, направленных на восстановление ошибок.
Для замены централизованно передаваемых ТВ-программ и всех РВ-программ на телепрограммы с местными информационными материалами в реальном масштабе времени используется декодирование программ на уровне SDI и их покадровая «сшивка». Затем программы мультиплексируются и передаются в региональную транспортную сеть.
Формат программ, поступающих на региональную головную станцию (из федеральной распределительной сети и региональных студий), может быть любым: DVB-S/S2, DVB-C, SDI, ASI.

 

 

 

 

 

Рис. Структурная схема передающего тракта стандарта DVB-T

 

	прогр. потоки

 

 

трансп. поток

Внутрен. кодер

Модулятор OFDM

Устр-во частотн. перемеж.

∑

Уст-во внутрен-него переме-жения

Внешний перемеж.

Внешний кодер

Скремб.

ТВ ЗС ДП

MPEG 2, MPEG 4

Распространение сигналов в открытой среде, которой является радиоэфир, сопровождается возникновением различных помех, источником которых служат сами распространяемые сигналы. Классический пример такого рода помех - эффект многолучевой интерференции сигналов, заключающийся в том, что в результате многократных отражений сигала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями. Но подобные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определенные частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, - противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Наиболее отрицательно на искажение сигнала влияет межсимвольная интерференция. Поскольку символ - это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно.

Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо из-за усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает.

В стандарте IEEE 802.11b с максимальной скоростью передачи 11 Мбит/с при использовании CCK-кодов схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым.

Поэтому при более высоких скоростях передачи применяется принципиально иной метод кодирования данных - ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Идея данного метода заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой. Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.

Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а, следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (см.рисунок)

 

 

.

Рисунок Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции.