Интегрированным декодером приемника цветного телевизора

Линия данных является двунаправленной, передача информации по остальным двум линиям возможна лишь в одном направлении. Шина IM применяется в двух вариантах: для медленных передаваемых потоков (IM-IDS) и быстрых передаваемых потоков (IM-IDF). В схемах маркируется линия идентификации – IDS (Slow-медленная) или IDF (Fast-быстрая).

Обмен данными начинается, когда уровень на всех линиях шины переходит в состояние логического 0. Конец обмена данными сигнализирует короткий импульс в линии идентификации.

На рис. 7.6 показана временная диаграмма уровней сигналов для трех линий шины-IM.

Indent

Clock

Data

Старт

Адрес из микроконтроллера

Данные в микроконтроллер или из него

Стоп

Рис. 7.6. Временные диаграммы уровней сигналов в линиях IМ-шины

Шина Томсона (M3L), как и шина IM, также представляет собой трехпровод-ную систему, состоящую из линии данных (DATA), линии синхронизации (CLOCK) и линии разрешения (ENABLE). Временная диаграмма уровней в шине Томсона представлена на рис. 7.7. Линия данных является двунаправленной. Передача данных начинается при изменении уровня на низкий, а конец передачи данных происходит по короткому импульсу в линии разрешения.

Indent

Clock

Data

Старт

Адрес из микроконтроллера

Данные в микроконтроллер или из него

Стоп

Рис. 7.7. Временные диаграммы уровней сигналов

В линиях шины Томсона (M3L)

Шина I²C (Inter Integrated Circuit) наиболее часто используется в телевизионных приемниках. Она представляет собой двунаправленную синхронную шину, состоящую из двух сигнальных линий: линии данных (SDA - Serial Data) и линии синхронизации (SCL - Serial Clock). Передача данных возможна также и в одном направлении, если абоненты шины работают только как приемники. В состоянии покоя уровень сигнала в шине соответствует логической единице, т.е. соответствует рабочему напряжению питания шины 5 В. На рис. 7.8 представлена временная диаграмма уровней шины I²С.

Началом передачи является логический 0 в линии данных. Данные передаются блоками (кодовыми словами) из 8 последовательных информационных битов (побайтно).

SCL Clock

SDA Data

Старт

Адрес из микроконтроллера

Данные в микроконтроллер или из него

Стоп

Подтверждение приема

Рис. 7.8. Временные диаграммы уровней сигналов в линиях шины I²С

Дополнительно передается квитирующий бит (сигнал подтверждения приема) от последнего принимавшего данные абонента системной шины. Восьмой бит в кодовом слове однозначно определяет направление передачи следующего кодового слова (передача – 0, прием – 1). Передача заканчивается, когда уровень в линиях SDA и SCL соответствует логической 1.

В зависимости от схемных решений к шине I2С возможно подключение таких функциональных узлов как телетекст, «кадр в кадре» и т.п.

Питающее напряжение 5 В прикладывается к линиям SDA и SCL через подтягивающие резисторы. Для развязки на входах отдельных устройств, подключаемых к шине, обычно размещают развязывающие резисторы.

На рис. 7.9. представлена упрощенная структурная схема включения узлов телевизора посредством цифровой шины I²С.

Микроконтроллер

Тюнер

Память

Аудио процессор

Видео процессор

Подтягивающие резисторы

5В

Развязывающие резисторы

SDA

SCL

К другим устройствам телевизора, охваченным шиной I²C

Рис. 7.9. Структурная схема соединения

устройств телевизора по цифровой шине I²С

Измерения уровней сигналов в системной шине при поиске неисправности в телевизоре зачастую быстро ведут к ее локализации. В первую очередь проверке подлежит питающее напряжение шины, так как даже малые его отклонения от номинального могут привести к прекращению работы телевизора. Особое внимание необходимо обращать на наличие напряжения питания, особенно в случаях, когда появляется некая нерегулярная неисправность. Пульсации напряжения могут составлять несколько милливольт, и в сомнительных случаях проверку питающего напряжения надо проводить с помощью осциллографа.

Измерение напряжения до и после подтягивающих резисторов уже дает информацию о вероятных неисправностях в устройствах, подключенных к системной шине, при большом падении напряжения на них. А измерения на входах узлов или микросхем (после соответствующих развязывающих резисторов) могут дать ответ о неисправности функционального узла.

Поиск неисправностей несколько осложняется, когда подключение отдельных схем к шине производится без развязывающих резисторов, так как любой неисправный узел может полностью заблокировать обмен информацией по системной шине. Тогда придется последовательно отсоединять от шины подключаемые к ней схемы. Можно посоветовать начинать с узлов, подключенных через соединители (часто это тюнер, узел телетекста, схема PIP...).

Проверка наличия сигналов в шине также является важным условием при поиске неисправностей. Отсутствие сигнала синхронизации служит указанием как на необходимость проверки работоспособности микропроцессора, так и внешнего кварцевого резонатора. Неисправности частотозадающих элементов являются причиной «ухода» частоты синхронизации от номинальной, что может привести к нарушению обмена данными.

При измерениях в системной шине внутреннее входное сопротивление осциллографа должно быть высоким, измерительной щуп должен иметь делитель 1:10, и необходимо выбрать как можно более высокий предел измерений. Если невнимательно отнестись к процессу измерения частоты синхронизации, это может привести к изменению частоты во время измерения и прекращению обмена данными. При наличии контрольной точки измерения частоты синхронизации, измерения необходимо проводить только в ней.

Проверка наличия сигналов в линии данных не дает полной информации о правильности обмена информацией между устройствами, подключенными к шине. Однако само наличие информации в шине является косвенным подтверждением происходящего обмена.

Как правило, при цифровой обработке полезных сигналов, и в других случаях, используется параллельная трансляция кодовых слов. В этом случае в передатчиках и приемниках информации используют параллельные порты. На принципиальных схемах линии такого порта имеют следующие обозначения:

MSB (Most Significant Bit) – старший значащий бит. Проверку наличия цифровой информации необходимо начинать с этой линии и далее по нисходящей, так как старшие разряды определяют более высокие уровни аналогового сигнала. Если заблокировано прохождение информации в этой линии (короткое замыкание или обрыв), то это неизбежно приводит к нарушению правильной работы телевизора.

LSB (Least Significant Bit) – младший значащий бит. При параллельной цифровой обработке это наименее важный информационный разряд. При неисправности в линии LSB вряд ли будут проявляться нарушения работы телевизора, особенно в случае, когда кодовые слова 8-разрядные, а не 4-разрядные.

Отдельные линии, по которым подаются управляющие сигналы, обозначаются так:

CS (Chip Select) – сигнал активирования (выбора) соответствующей схемы. Выполняет функцию сигнала адресации;

ОЕ - (Output Enable) – разрешающий сигнал для чтения данных;

WE (Write Enable) – разрешающий сигнал для занесения данных.

Микроконтроллер системы управления декодирует ИК сигнал от ПДУ и сигналы от клавиатуры передней панели телевизора. Он управляет канальным декодером, включая селектор каналов (тюнер) и цифровой демодулятор, видео- и звуковым декодерами, декодером PAL и транспортным потоком. С микроконтроллером по цифровой шине связаны ДОЗУ и флэш-память.

Канальный декодер (рис. 7.10) называемый также внешним интерфейсом, является одной из основных частей цифровой приставки к телевизору. Селектор смешивает входной модулированный ВЧ сигнал с сигналом гетеродина (ГУН), в результате чего получается модулированная ПЧ – сигналы I и Q.

АРУ

АЦП

Синхроимпульсы выборки

Управление ГУН

Шина I²C

Цифровой демодулятор

Цифровые сигналы I и O

Селектор (тюнер) ГУН

Аналоговые сигналы I и O

Устройство прямой коррекции ошибок

204-байтовые пакеты данных

Микроконтроллер

Шина адреса и данных

Цифровой транспортный поток (188-байтовые пакеты)

Рис. 7.10. Канальный декодер

Для передачи на цифровой демодулятор ПЧ надо преобразовать их в цифровую форму с помощью АЦП. Частота выборки должна превышать частоту символов в передаваемом сигнале по крайней мере в два раза.

Цифровой демодулятор представляет собой микросхему процессора цифровой обработки сигналов, который может быть демодулятором сигналов спутникового приема или демодулятором COFDM сигналов наземного приема. Демодулятор управляется и программируется системным микроконтроллером по цифровой шине I²С. Он оценивает мощность входного сигнала и посылает сигнал АРУ на селектор.

Демодулятор через схему управления ГУН управляет гетеродином селектора. Выходные данные цифрового демодулятора состоят из 204-байтовых пакетов данных (видео-звуковых или обслуживания программ). Затем транспортный поток направляется на устройство прямой коррекции ошибок. Это устройство использует контрольные байты корректирующего кода для принятия решения в зависимости от полученных данных. Оно определяет, содержат ли полученные пакеты данных какие-либо ошибки. Если это так, то устройство пытается скорректировать их. При неудачной попытке устройство коррекции пометит пакеты, которые содержат ошибки, и они не будут подвергаться дальнейшей обработке.

В конце этого процесса формируется транспортный поток, который содержит 188-байтовые мультиплексированные пакеты, относящиеся к четырем или пяти различным телевизионным программам. Перед восстановлением изображения пакеты, относящиеся к выбранной программе, должны быть опознаны и размещены в необходимом порядке, что и происходит в транспортном демуль-типлексоре.

Транспортный демультиплексор (рис.7.11) принимает на свой вход 8-битовый транспортный поток, содержащий видео-, звуковую или служебную информацию, относящуюся к четырем или пяти различным программам, представленный в виде 188-байтовых пакетов.

Транспортный демультиплексор

Микроконтроллер

IRQ

Синхроимпульсы (25 МГц)

Цифровой транспортный поток (8 битов в виде 188 -байтовых пакетов)

Быстрое СОЗУ

Данные (8 битов)

Адрес (13 битов)

(8 битов)

(8 битов)

Модуль условного доступа

Видеоданные (на видеодекодер)

Последовательные звуковые данные (на звуковой декодер)

(7 битов)

Интерфейс кредитной карты

Рис. 7.11. Структурная схема транспортного демультиплексора

Каждый пакет содержит слово синхронизации для вхождения в синхронизм, идентификатор пакета, опорный сигнал синхронизации программы и биты видео-, звуковых и служебных данных. Если используется скремблирование (шифрование), входные данные передаются на модуль условного доступа по 8-битовой шине САМ DATAOUT, если доступ разрешен, то данные возвращаются по 8-битовой шине САМ DATAIN. Доступом управляет микроконтроллер, который может обращаться к интерфейсу кредитной карты, чтобы установить возможность зрителя пользоваться подпиской на выбранную программу.

Итак, основной задачей транспортного демультиплексора является идентификация пакетов, относящихся к выбранной программе, и использование их меток времени для синхронизации выбранных пакетов между собой. Затем де-мультиплексор фильтрует выбранные пакеты и передает видеоданные на видеодекодер MPEG-2 по шине шириной 8 битов.

Звуковые пакеты преобразуются демультиплексором в последовательность звуковых данных, которые подаются на звуковой декодер MPEG-2. Этой операцией управляет микроконтроллер, который помимо прочего, проверяет служебные пакеты запрошенных программ и направляет соответствующие инструкции по управлению и обработке на демультиплексор.

Для хранения выбранных видео- и звуковых пакетов и последующей их выдачи используется быстрое СОЗУ (время доступа 20...25 нс). Для этой цели используются специальные шины адреса (13 битов) и данных (8 битов) ОЗУ микроконтроллера. Кроме того, используются несколько линий управления: чтение/запись R/W, подтверждение ASK и выбор кристалла CS, а также одна или более линий запроса прерывания IRQ. Демультиплексор использует запросы прерывания в частности для того, чтобы, например, проинформировать о переполнении буфера СОЗУ. Системная синхронизация транспортного демультиплексора составляет 25 МГц, в то время как программная опорная синхронизация потока данных составляет 23 МГц.

Видеодекодер MPEG-2 (рис. 7.12) предназначен для восстановления исходных сигналов. Процесс включает в себя распаковку данных, реконструирование изображения по кадрам и воспроизведение исходных составляющих яркости Y и цветности CR и Св для каждого кадра. Чтобы реконструировать изображение, надо одновременно хранить передаваемые кадры и провести необходимые сравнения между ними для восстановления полных кадров. Поэтому необходима память большого объема. В ее качестве используется буферное ДОЗУ.

После восстановления изображения данные пикселов, связанные с яркостью и цветностью, передаются на кодер PAL по 8-битовой мультиплексированной шине данных (мультиплексированный CVBS). Кодер PAL формирует стандартный телевизионный сигнал (625 строк в кадре и 25 кадров в секунду). Начало каждой строки развертки определяется сигналом HSYNC, поступающем с кодера на видеодекодер. Нечетные и четные поля указываются сигналами ODDE и EVEN соответственно. Полный видеосигнал CVBS подается на УВЧ модулятор.

Для синхронизации процесса сбора данных и видеодекодер, и кодер PAL тактируются опорными программными синхроимпульсами транспортного потока частотой 23 МГц. Кодер PAL программируется и управляется микроконтроллером по 8-битовой шине данных и 6-битовой адресной шине с использованием нескольких управляющих сигналов, в том числе записи/считывания R/W и выбора кристалла CS. Для запроса прерывания видеодекодеру MPEG-2 предоставляется один сигнал IRQ. Кодер PAL управляется также от микроконтроллера по цифровой шине l2C, по которой микроконтроллер устанавливает рабочие параметры кодера.

Звуковой декодер MPEG-2 (рис. 7.13) – это микросхема, которая получает последовательные цифровые звуковые сигналы от транспортного демультип-лексора и выполняет необходимую обработку сигналов, формируя два (левый и правый) последовательных звуковых канала с ИКМ. Звуковой декодер может формировать сигналы при трех различных частотах выборки 32; 44,1 и 48 кГц.

Видеодекодер MPEG-2

Микроконтроллер

IRQ

Синхроимпульсы декодера (5,5 МГц)

Буферное ДОЗУ видеоданных

Данные (9 битов)

Адрес (64 бита)

EVEN

Видеоданные (8 битов)

Адрес видеоданных (6 битов)

Кодер PAL

ODDE

HSYNC

Мультиплексированный CVBS Y, C_H, C_B (8 битов)

Опорные синхроимпульсы транспортного потока (27 МГц)

Шина I²C

УВЧ модулятор

Сигнал звука

Модулированный УВЧ сигнал

Рис. 7.12. Структурная схема видеодекодера MPEG-2

Звуковой декодер MPEG-2

Микроконтроллер

IRQ

Синхроимпульсы (25 МГц)

ДОЗУ звуковых данных

Данные (8 битов)

Адрес (10 битов)

УВЧ модулятор

Полный телевизионный видеосигнал CVBS

Модулированный УВЧ сигнал

Управление частотной выборки

Цифровые последовательные звуковые сигналы

ЦАП

ЦАП

Левый

Правый

Рис. 7.13. Структурная схема декодера звука MPEG-2

Информацию о фактической частоте выборки, используемой передатчиком, предоставляет транспортный демультиплексор, который извлекает ее из поступающего транспортного потока.

Хранение объема звуковых данных осуществляет ДОЗУ, которое обеспечивает также задержку сигнала. Декодер звука управляется и программируется микроконтроллером по 3-битовой адресной шине, 8-битовой шине данных и управляющим линиям R/W и CS.

С помощью предоставляемого запроса прерывания IRQ звуковой декодер может информировать микроконтроллер о некоторых возникающих сбоях и запрашивать прерывание.

Схема УВЧ модулятора (рис. 7.14) состоит из непосредственно УВЧ модулятора с синтезатором частот ФАПЧ и усилителя петли.

Звуковой модулятор

Схема восстановления постоянной составляющей

Смеситель

Амплитудный модулятор

Синтезатор несущих частот с ФАПЧ

Усилитель петли-смеситель 2

ВЧ выход

Антенный вход

Индекс модуляции

Полный видеосигнал CVBS

Генератор звуковой поднесущей

Сигнал звука

Настроенный варикап

Настройка

ВЧ сигнал

I²C

Рис. 7.14. Структурная схема УВЧ модулятора и усилителя петли

В состав УВЧ модулятора входят:

• синтезатор частот ФАПЧ, управляемый по цифровой шине I²C;

• амплитудный модулятор;

• звуковой генератор для звуковой поднесущей;

• схема восстановления постоянной составляющей видеосигнала;

• смеситель с регулятором индекса модуляции.

Настройка модулятора осуществляется постоянным напряжением 0...24 В, полученным в синтезаторе частот ФАПЧ. Настройка производится с помощью варикапа.

Звуковой сигнал используется для ЧМ модуляции сигнала звуковой поднесу-щей. Затем модулированная звуковая поднесущая складывается с полным видеосигналом после восстановления в нем постоянной составляющей и полученный таким образом сигнал используется для амплитудной модуляции выбранной УВЧ несущей. Модулированная УВЧ несущая поступает в усилитель петли, который смешивает этот сигнал с сигналом, поступающим на антенный вход.

Когда цифровой декодер не работает в качестве приставки, УВЧ-модулятор с синтезом отключается по команде от микроконтроллера управления, поступающей по цифровой шине I2С. Усилитель петли продолжает работать, поэтому сигнал от антенного входа через усилители проходит на ВЧ выход.

В заключение раздела приведена упрощенная структурная схема телевизора (рис. 7.15), видео- и аудио сигналы в котором обрабатываются в цифровом виде. Для наглядности шины управления на рисунке не показаны.

Именно такой концепции цифрового телевизора соответствует модель телевизора фирмы PANASONIC, подробно описанная ниже.

Телевизоры имеют следующие технические характеристики.

• Принимаемые телевизионные системы:

PAL B/G, D/K, I, H; PAL-60; SECAM B/G, D/K, L7L'; NTSC M; NTSC (только AV).

• Принимаемые телевизионные и кабельные каналы:

VHF E2-E12; VHF А, Н, Н1, Н2; VHF R1-R12; UHF E21-E69; CATV S01-S05; CATV S1-S10 (М1-М10); CATVS11-S20(U1-U10);CATVS21-S41 (HYPERBAND).

• Промежуточные частоты:

- сигналов изображения: 38,9; 38; 34 МГц;

- сигналов звука: 32,9; 33,4; 31,5; 33,16; 34,47; 34,5 МГц;

- сигналов цветности: 34,65; 34,47; 34,5; 33,6; 33,75 МГц;

• Соединители сигналов звука и изображения:

- Мониторный выход: аудио RCA´2 500 мВ, 1 кОм;

- AV1 Входы: аудио 500 мВ, 1 кОм;

- SCART1 видео 1 В (размах), 75 Ом RGB;

- Выходы: аудио 500 мВ, 1 кОм, видео 1 В (размах), 75 Ом;

-AV2 Входы: аудио 500 мВ, кОм

- SCART2 видео 1 В (размах), 75 кОм

- S-видео Y: 1 В (размах), 75 Ом С: 0,3 В (размах), 75 Ом

- Выходы: аудио 500 мВ, 1 кОм, видео 1 В (размах), 10 кОм

- AV3 Входы: S-видео Y: 1 В (размах), 75 Ом; С: 0,3 В (размах),

75 Ом; аудио RCA´2 500 мВ, 1 кОм; видео RCA´1 1 мВ, 75 Ом

Тюнер

Канал ПЧ

АЦП

5.5 МГц

5.74 МГц

CVBS

Аналоговая обработка сигналов

Цифровой аудио- процессор

Цифровой видео- процессор

ЦАП

Левый канал

Правый канал

Оконечные каскады ЗЧ

RGB видеоусилители

Устройство разверток

Модулятор коррекции

ОС

Цифровая обработка сигналов

Аналоговая обработка сигналов

Источник питания

220 В

ПДУ

Фотоприемник

Память

Микроконтроллер

Сброс

Система управления

Рис. 7.15. Упрощенная структурная схема телевизора,

видео- и аудио сигналы, в котором обрабатываются в цифровом виде

• Напряжение питающей сети: 220...240 В, 50 Гц

• Потребляемая мощность: 159 Вт (29"), 149 Вт (25")

• Используемые кинескопы:

110° A68ESF002X43 (68 см - 29")

110° A59ESF002X43 (59 см - 25")

• Выходная мощность звука:

2´20 Вт (музыкальная мощность) на нагрузке 8 Ом.

Телевизор включает в себя следующие узлы: радиоканал (вместе с тюнером) и канал обработки сигналов звука (на платах Е и В), схемы цифровой обработки сигналов (на платах Е и F), выходные каскады сигналов яркости и цветности (на плате Y), схемы строчной и кадровой разверток (на платах D и Е), схему цифровой обработки сигналов телетекста (на плате Е), схему цифровой обработки сигналов дополнительных изображений в основном («кадр в кадре» - PIP) (на плате G), схему цифровой обработки звуковых сигналов (на плате Е), систему управления (на плате Е), устройство коммутации входных и выходных сигналов изображения и звука (на плате Н) и источник питания (на платах М и D).

На рис. 7.16 приведена структурная схема прохождения сигналов изображения и звука в телевизорах, собранных на шасси EURO-3.

Микроконтроллер IC 1101

EPROM IC1105

Тюнер

EAROM

IC601 TDA9151

IC401 TDA9151

IC1552 SDA9257

Плата - F

Плата - E

IIC – Bus1

X1101

21 Pin AV2

IIC – Bus4

Mega-Text IC3501

Плата - F

IC2001 MSP3410

IC603 TDA4780

Плата - E

IC1601 DFU

IC1602 SDA9280

IC1701 V-Processor

IIC – Bus2

Плата - F

A.V Switching

Плата - H

Рис. 7.16. Структурная схема прохождения сигналов изображения

и звука в телевизорах, собранных на шасси EURO-3

Глава 8.

ЦИФРОВОЕ СПУТНИКОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ DVB-S

8.1. Основы спутникового вещания

8.2. Стандарт DVB-S

8.3. Стандарт DVB-S2

8.1. Основы спутникового вещания

Спутниковое ТВ (SAT) вещание было и остается самым быстрым, надежным и экономичным способом подачи ТВ сигнала высокого качества в любую точку обширного пространства.

Все вещательные искусственные спутники Земли (ИСЗ) размещаются на так называемой геостационарной орбите (ГО) – круговой орбите высотой ~36000 км в плоскости экватора. Находясь на ГО, спутник неподвижен относительно поверхности Земли, т.к. вращается с той же угловой скоростью, что и Земля. Зона видимости геостационарной ИСЗ – около одной трети земной поверхности.

Для SAT вещания выделены специальные участки радиочастотного спектра в сантиметровом диапазоне волн, где допускается повышенная плотность потока мощности с ИСЗ. Наиболее освоен участок KU-диапазона с частотами 11,7…12,5 ГГц. Вещательную мощность ИСЗ в данной точке приема принято характеризовать эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (Р ЭИИМ), представляющей собой произведение выходной мощности передатчика ИСЗ на коэффициент усиления передающей антенны в данном направлении. Р ЭИИМ обычно выражается в дБ×Вт (dBW) и обычно составляет 45…60 dBW. В соседних диапазонах 10,7…11,7 ГГц и 12,5…12,75 ГГц вещают спутники так называемой фиксированной спутниковой службы с типовыми значениями Р ЭИИМ 38…52 dBW.

Одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность энергетического потенциала спутникового ретранслятора, в силу чего в SAT вещании традиционно используют методы обработки, требующие минимального отношения несущая/шум (C/N) на входе демодулятора в обмен, например, на полосу частот сигнала. В аналоговом вещании это был выбор частотной модуляции (вместо аналоговой), а в цифровом вещании приходится применять мощное каскадное помехоустойчивое кодирование и модуляцию с невысокими кратностями (например, QPSK вместо более высокоскоростной 16 QAM). Дополнительной особенностью цифрового SAT вещания является тот факт, что многопрограммное вещание осуществляется за счет мультиплексирования в цифровом потоке, а работа передатчика ИСЗ осуществляется только на одной несущей в нелинейном режиме, что позволяет повысить его выходную мощность на 2,5…4 dB. Такое повышение энергетики эквивалентно уменьшению диаметра рефлектора приемной антенны в 2 раза в сравнении с приемом сигналов аналогового вещания.

Стандарт DVB-S

В 1994г. в рамках консорциума DVB Project был создан Европейский стандарт спутниковой цифровой системы многопрограммного ТВ вещания - стандарт DVB-S, работающий в полосе частот 11/12 ГГц (European Standard EN 300 421 v.1.1.2, 1997-08). Для целей SAT вещания выделены полосы частот в диапазонах 12, 29, 40 и 85 ГГц. В диапазонах 40 ГГц и 85 ГГц выделен спектр частот шириной в 2 ГГц.

В октябре 1996г. был принят проект Рекомендации по общим функциональным требованиям к многопрограммным системам SAT вещания в полосе частот 11/12 ГГц, а уже в октябре 1999г. был выработан проект новой Рекомендации, учитывающей, что в мире существуют четыре схожие по архитектуре системы: стандарт DVB-S (Система А), DSS (Система В), G1-MPEG-2 (Система С) и ISDB-S (Система D).

Система А (стандарт DVB-S) разработана европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного ТВ вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к системам с SAT коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master Antenna ТВ), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ ТВ вещания. В настоящее время практическое все цифровое SAT ТВ вещание на все пять континентов осуществляется по стандарту DVB-S.

Существует два основных способа цифровой передачи SAT сигналов:

· передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих;

· мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на одной несущей.

Число программ ТВ вещания, которое можно передавать с помощью одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости передачи информации, компонентного или композитного формата кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения.

Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно низкими скоростями (менее 1 Мбит/с, что эквивалентно 20-25 ТВ каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 ТВ каналов с одного транспондера.

Структурная схема передающей части стандарта DVB-S показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Структурная схема передающей части системы

На передающей стороне выполняются следующие преобразования потока данных для его адаптации к каналу:

· транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии энергии;

· внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона (RS);

· сверточное перемежение и внутреннее кодирование с использованием выколотого сверточного кода;

· формирование сигнала в основной полосе частот и его модуляция.

Для SAT систем ТВ вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а также нелинейности бортового ретранслятора (т.е. возможности работы при повышенной мощности). Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум (C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I). При этом гарантируется не более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10^-10…10^-11 на входе демультиплексера MPEG-2 в приемнике-декодере.

Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетическими характеристиками конкретного транспондера устанавливается требуемое соотношение BW/Rs, где BW – полоса транспондера по уровню – 3 dB, Rs – скорость передаваемых символов. Так, для модуляции QPSK, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204, соответствующая скорость передачи информационных символов составит:

RU = R(2Rs)(188/204) = 1,843 R Rs.

Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5 значений кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответственно изменяет полученную скорость символов RU и спектральную эффективность системы CU=RU/BW.

Возможные варианты соотношения скоростей передачи R, Rs, RU и эффективности CU от полосы транспондера при BW/Rs = 1,28 для QPSK модуляции приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

BW, МГц	Rs, Мсим/с	R = 1/2	R = 2/3	R = 3/4	R = 5/6	R = 7/8
R_U, Мбит/с	С_U, бит/(сГц)	R_U, Мбит/с	С_U, бит/(сГц)	R_U, Мбит/с	С_U, бит/(сГц)	R_U, Мбит/с	С_U, бит/(сГц)	R_U, Мбит/с	С_U, бит/(сГц)
	42,2	38,9	0,72	51,8	0,96	58,3	1,08	64,8	1,2		1,26
	35,9	33,1	0,72	44,2	0,96	49,7	1,08	55,2	1,2		1,26
	31,2	28,8	0,72	38,4	0,96	43,2	1,08		1,2	50,4	1,26
	28,1	25,9	0,72	34,6	0,96	38,9	1,08	43,2	1,2	45,4	1,26
	25,8	23,8	0,72	31,7	0,96	35,6	1,08	39,6	1,2	41,6	1,26
	23,4	21,6	0,72	28,8	0,96	32,4	1,08		1,2	37,8	1,26
	21,1	19,4	0,72	25,9	0,96	29,2	1,08	32,4	1,2		1,26
	20,3	18,7	0,72		0,96	28,1	1,08	31,2	1,2	32,8	1,26

Структурна схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на передающей и приемной сторонах показаны на рис.8.2. Как уже отмечалось выше, основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в отечественной литературе иногда именуется как ФМ-4), хотя в отдельных случаях могут использоваться 8 PSK (ФМ-8) и даже 16 QAM (КАМ-16).

Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить требуемое для работы демодулятора с QPSK отношение Еб/N0 (отношение энергии в одном байте информации к мощности шума, см. рис.8.3), а для модуляции большей кратности пороговое значение Еб/N0 оказывается несколько выше (см. табл.8.2).

Рис. 8.2. Структурная схема системы DVB-S

Рис.8.3. Отношение энергии в одном байте информации к мощности шума

Таблица 8.2

Модуляция	Скорость внутреннего кода	Спектральная эффективность, бит/Гц	Запас на реализацию модема, dB	Е_б/N₀ (2×10^-4)
QPSK	1/2	0,92	0,8	4,5
2/3	1,23	0,8
3/4	1,38	0,8	5,5
5/6	1,53	0,8
7/8	1,61	0,8	6,4
8PSK	2/3	1,84		6,9
5/6	2,3	1,4	8,9
8/9	2,46	1,5	9,4
16QAM	3/4	2,76	1,5
7/8	3,22	2,1	10,7

Стандарт DVB-S2

В 2004г. появился стандарт SAT вещания, именуемый DVB-S2, который явился модификацией ранее существовавшего стандарта DVB-DSNG, предусматривающего максимально возможную совместимость с системой цифрового спутникового вещания DVB-S. Для придания большей универсальности применения и повышения эффективности при работе по каналам с достаточным энергетическим запасом, в технические нормы на системы первичного распределения добавлены опции режимов передачи, основанные на модуляции типа 8 PSK и 16 QAM.

Новый же стандарт DVB-S2 призван покрыть недостатки как стандарта DVB-S (низкие скорости потоков за счет формата модуляции QPSK), так и стандарта DVB-DSNG (работа SAT передатчиков при пониженных выходных мощностях в силу требования обеспечения более низких искажений). Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами.

Важнейшим фактором создания нового стандарта DVB-S2 стали планы массового запуска HDTV. Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV. Если же все SAT программы будут вещаться в ТВЧ, то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ сигнала. Таким образом, перспектива появления HDTV потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих имеющиеся частотные ресурсы (т.е. DVB-S2).

Вторая причина появления стандарта DVB-S2 обязана неудовлетворительной работе имеющихся приемных систем K a-диапазона. Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и KU-диапазонах.

Третья причина появления стандарта DVB-S2 – появление интерактивных SAT сетей с адресными услугами. Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата. Старые стандарты таких возможностей не предоставляют.

Таким образом, от нового стандарта DVB-S2 требовалось следующее:

· повысить эффективность использования транспортного канала, т.е. предоставить возможность в полосе стандартного канала передавать больше бит полезной информации на помехоустойчивость;

· допускать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале.

Кроме того, стандарт DVB-S2 должен был обеспечить совместимость с прежними стандартами и пути плавной миграции от старого оборудования к новому.

Первые два требования удалось выполнить за счет введения в стандарт более разнообразных схем модуляции, использования более эффективных систем защитного кодирования и введения дополнительных коэффициентов скругления, обеспечивающих более крутые фронты модулированного сигнала.

Гибкость формирования канала была достигнута теми же методами, что и эффективность использования спектра методами, а также за счет введения режимов VCM (Variable Coding and Modulation) и АСМ (Adaptive Coding and Modulation). Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг, передаваемый в одном канале, а второй - дополнительную возможность адаптации транспортных параметров к текущим условиям приема услуги. Режим АСМ предназначен для сетей с обратным каналом, где приемные системы имеют возможность переправлять на головную станцию информацию об условиях приема.

В результате был создан универсальный стандарт (DVB-S2), на базе которого могут строиться сети для распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Новый стандарт DVB-S2 также удобен для формирования телевизионных приложений для «телевидения в движении», что является темой настоящего диплома.

Большинство эффективных механизмов, заложенных в DVB-S2, оказались несовместимыми со старыми стандартами. Потому, для выполнения требования совместимости вниз, разработчики ввели в стандарт два режима. Один – совместимый вниз, но менее эффективный, а другой, использующий все новые возможности, но не позволяющий использовать приемники стандарта DVB-S.

Первый стандарт DVB-S2 рекомендуется для предоставления традиционных услуг, на период миграции к новому стандарту, а второй – для применения в профессиональных сетях и для передачи новых услуг, которые невозможно принять старыми приемниками.

Новый стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможности схемы модуляции (рис. 8.4).

Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают там в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры (LNВ), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала.

Рис.8.4. Варианты модуляции

Использование большого числа несущих позволяет удлинить время передачи каждого символа и выделить период защитного интервала для отстройки от помех многолучевого приема.

В зависимости от количества ортогональных несущих в стандарте выделяется два режима 8К (8192 несущих) и 2К (2048 несущих). DVB-S предусматривает возможность использования трех видов модуляции — QPSK, 16 QAM и 64 QAM, четырех вариантов относительной длительности защитного интервала, а также пяти вариантов относительной скорости при наложении сверточного помехозащитного кодирования.

Сочетания этих параметров позволяют гибко выбирать режим в зависимости от радиуса охвата соты, ландшафта и РЧ обстановки. Наличие защитного интервала дает возможность активно использовать DVB-S для передачи на мобильные терминалы, в том числе движущиеся с большой скоростью.

Для защиты от помех в новом стандарте DVB-S2, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции (Forward Error Correction - FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты – другие, чем в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты в место кода Рида-Соломона используется код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (BCH), а в качестве внутренней, вместо сверточного кода, - код с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes – LDPC).

Для дополнительного снижения частоты ошибки используется внешний уровень кодозащиты ВСН, работающий при малой плотности ошибок. В большинстве режимов код позволяет исправлять до 12 ошибок, но в некоторых – до 8 или до 10 ошибок.

Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2 TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой.

DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/шум.

Режимы с совместимостью вниз в основном предназначены для сетей вещания и более всего – для операторов, предоставляющих субсидии на покупку абонентских приемников. Они могут использовать эти режимы на время смены парка приемников, а затем переключиться на более эффективные, несовместимые режимы.

По сравнению с DVB-S, новый стандарт DVB-S2 обеспечивает повышение скорости передачи полезной информации на 20-35% или при той же эффективности использования спектра дает запас по уровню сигнала в 2-2,5 dB.

На рис.8.5 показаны варианты полезной скорости, достигаемые при разных конфигурациях системы, а также полезные скорости сигналов стандартов DVB-S и DVB-DSNG.

Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима АСМ, предназначенного для интерактивных адресных приложений, например, для владельцев яхт. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 dB, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим АСМ наиболее эффективен применительно к трансляциям Кα-диапазона, а также для тропических зон приема.

На рис.8.6 показана схема работы спутниковой системы в этом режиме.

Рис.8.5. Скоростные характеристики стандартов

Рис. 8.6. АСМ-режим

Система включает АСМ шлюз, DVB-S2 модулятор с поддержкой АСМ, передающую наземную станцию, спутник и систему приема спутникового сигнала, подключенную к АСМ шлюзу через реверсный канал.

В АСМ режиме формат помехоустойчивого кодирования и схема модуляции могут меняться от кадра к кадру. В условиях повышенного затухания сигнала услуга может поддерживаться за счет снижения скорости передачи полезной информации с одновременным повышением избыточности помехозащитного кода и/или перехода к более помехоустойчивой схеме модуляции. Качество принимаемого сигнала оценивается параметром C/N + I.

Каждая приемная система измеряет величину этого параметра и по реверсному каналу отправляет результат к АСМ шлюзу.

Новый стандарт DVB-S2 быстро найдет применение в сетях спутникового индивидуального обслуживания в движении. Хотя бы в виду значительных преимуществ, которые предоставляет АСМ режим. Но скорость его массового внедрения, вероятно, будет зависеть от появления новых услуг, несовместимых с имеющейся приемной аппаратурой.

Глава 9.

ЦИФРОВОЕ КАБЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ DVB-С

9.1. Стандарт DVB-С

9.2. Особенности передачи цифровых сигналов по сетям КТВ

9.3. Структура системы DVB-C

9.4. Преимущества стандарта DVB-C

9.5. Транспортные сети для доставки DVB-C

9.6. Абонентское оборудование

Стандарт DVB-C

В результате работы DVB Project уже в 1984г. были выработаны основные положения стандарта DVB-C (C – Cable – кабель, т.е. стандарт цифрового телевизионного вещания по кабелю).

В основе стандартов DVB (в том числе и стандарта DVB-C) лежит стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения MPEG-2 (табл.9.1). В настоящее время используется основной профиль без масштабирования.

Уровень High-1440 (1440×1152 элементов) соответствует телевидению высокого разрешения (высокой четкости) с форматом экрана 4:3 (стандартный экран), а уровень High (1920×1152 элементов) - телевидению высокого разрешения (HDTV) с форматом экрана 16:9 (широкоформатное изображение). Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации (т.е. MPEG-2) цифровых телевизионных систем – профилям. С переходом на более высокие профили, т.е. при продвижении по таблице направо, увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов.

Как видно из таблицы, на главном уровне (Main), соответствующем телевидению обычного разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с. Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с, соответствующей параллельному стыку по Рекомендации 601 МККР, можно видеть, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз.

Таблица 9.1. Стандарт MPEG-2 (в основе DVB-C)

Уровень	Профиль
Простой (Simple)	Основной (Main)	Масштабирование по S/N (SNR Scalable)	Пространственный (Spatially Scalable)	Высокий (High)
High 1920×1152	-	80 Мбит/с	-	-	100 Мбит/с
High-1440 1440×1152	-	60 Мбит/с	-	60 Мбит/с	80 Мбит/с
Main 720×576	15 Мбит/с	15 Мбит/с	Мбит/с	-	20 Мбит/с
Low 352×280	-	4 Мбит/с	4 Мбит/с	-	-
Кодирование компонентов	4:2:0	4:2:0	4:2:0	4:2:0	4:2:0 или 4:2:2
В-кадры	Нет	Есть	Есть	Tcnm
Масштабируемость	Нет	Нет	По S/N	По пространственному разрешению и по S/N	По пространственному разрешению и по S/N

Режим “Main Profile@Main Level (MP@ML)” в настоящее время широко используется в системах DVB (Стандарт DVB-C).

На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих HDTV, скорость передачи в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней разрешения данного профиля используется один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем ЗУ. Аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения.

Высшие профили стандарта MPEG-2 характеризуются наличием масштабируемости, которая была упомянута выше. Кроме того, на высших профилях возможно применение компонентного кодирования сигналов не только через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2). Предусмотрен также специальный профиль (4:2:2, в табл.5.1 не показан), предназначенный для студийного оборудования, в частности для видеомонтажа.