Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжатием данных по спутниковым каналам связи.

 Л.А. Севальнев

Многолетние исследования в области цифрового кодирования сигналов изображения и звукового сопровождения ТВ привели к созданию трех международных стандартов для сжатия видеоданных подвижных изображений и звукоданных: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4, параметры которых были оптимизированы для следующих условий применения.

Стандарт MPEG-1 предназначен для записи видеоданных на компакт-диски (CD ROM) и передачи ТВ изображений по низкоскоростным каналам связи (скорость цифрового потока 1.5 Мбит/с и меньше). В стандарте MPEG-1 используется стандарт развертки с четкостью в 4 раза меньшей, чем в вещательном телевидении: 288 активных строк в ТВ кадре и 352 отсчета в активной части ТВ строки [1].

Субъективная оценка качества ТВ изображения в зависимости от скорости передачи видеоданных показала, что стандарт MPEG-1 можно эффективно использовать при кодировании видеоданных до скорости 3.5 Мбит/с, т.к. в интервале скоростей от 1.5 до 3.5 Мбит/c увеличение скорости передачи видеоданных сопровождается адекватным улучшением качества ТВ изображения. Однако дальнейшее повышение скорости передачи видеоданных уже не ведет к адекватному улучшению качества, и при скорости передачи видеоданных 3.5 Мбит/с и лучшее качество изображения получается при кодировании видеоданных по стандарту MPEG-2 [1].

Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, и он позволяет получить полную четкость декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР: 576 активных строк в ТВ кадре и 720 ТВ отсчетов в активной части строки. При скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения соответствует студийному [1,2,3,4].

Пакет стандартов MPEG предусматривает также возможность перехода к телевидению высокой четкости. Первоначально для этой цели предназначался стандарт MPEG-3. Однако на последующих этапах работ он был объединен со стандартом MPEG-2, после чего стандарт MPEG-3 как самостоятельный стандарт перестал использоваться.

Следующее направление — стандарт MPEG-4, предназначенный для передачи видеоданных в низкоскоростных системах мультимедиа и видеоконференций по цифровым телефонным каналам. В этом случае используется стандарт развертки с четкостью в 4 раза меньшей, чем в стандарте MPEG-1: 144 активных строк в ТВ кадре и 176 отсчетов в активной части ТВ строки, что позволило снизить скорость цифрового потока до 64 кбит/с и меньше. Стандарт MPEG-4 не предназначен для кодирования программ вещательного телевидения.

Применение стандарта MPEG-2 в вещательном телевидении позволяет существенно снизить скорость передачи видео- и звукоданных и за счет этого передавать несколько цифровых программ в стандартной полосе частот радиоканалов эфирного, кабельного и спутникового телевизионного вещания. Например, в спутниковом радиоканале с полосой пропускания 27 МГц, как показали расчеты [5], можно передавать 4 цифровые ТВ программы с вещательным качеством изображения вместо одной аналоговой ТВ программы ЦТ СЕКАМ.

В общем случае переход к цифровому многопрограммному ТВ вещанию предполагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем вещания: СЕКАМ, ПАЛ, НТЦТ, освобождение за счет этого существующих радиоканалов и линий связи и их перепрофилирование для цифрового ТВ вещания. При этом система многопрограммного ТВ вещания должны быть встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который предусматривает полосу пропускания 8.0 МГц — для эфирного и кабельного ТВ вещания, 27.0 МГц — для непосредственного ТВ вещания (НТВ) со спутников и 30; 33; 36; 40; 46; 54; 72 МГц — для фиксированных служб спутниковой связи.

При этом необходимо учитывать сложившуюся взаимосвязь между спутниковыми и наземными системами телевещания, при которой ТВ каналы кабельных и эфирных сетей вещания используются также для доведения спутниковых программ до телезрителей.

При цифровом вещании взаимный обмен телепрограммами между наземными и спутниковыми вещательными службами существенно упрощается, если число цифровых ТВ программ в каждом стандартном по полосе пропускания спутниковом, кабельном и эфирном радиоканале будет одинаковым. Это требование было учтено при разработке международных стандартов на методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и наземных каналах связи — DVB-S, DVB-C и DVB-T (Digital Video Broadcasting — Satellite, Cable, Terrestrial) — путем применения для более узкополосных радиоканалов более сложных и более эффективных по плотности передачи информации (бит/с)/Гц методов модуляции [6,7,8]. В настоящее время зарубежными фирмами ведется массовый выпуск для продажи (в том числе и в России) кодирующих и декодирующих устройств со сжатием данных, соответствующих спецификации «основной уровень»/ «основной профиль» стандарта MPEG-2 [2] и аппаратуры канального кодирования, модуляции, демодуляции и канального декодирования для спутниковых линий связи по стандарту DVB-S [6].

При закупке импортной аппаратуры надо иметь в виду, что кроме указанных канальных кодеков и модемов по стандарту DVB-S, предназначенных для оснащения сетей ТВ вещания, также выпускаются канальные кодеки и модемы по спецификации SNG ( Satellite News Gathering), предназначенные для оснащения сетей подвижных спутниковых станций сбора телевизионных новостей. Эти два вида аппаратуры несовместимы и не могут работать в общей сети, т.к. в них используются разные методы мультиплексирования сигналов нескольких ТВ программ.

Аппаратура по стандарту DVB-S предназначена для передачи транспортного потока по стандарту MPEG-2, в котором мультиплексирование сигналов нескольких ТВ программ производится на уровне видео- и звукоданных, а полученный групповой (транспортный) поток передается на одной радионесущей. При этом наилучшим образом используется мощность передатчика бортового ретранслятора и достигается максимальное значение отношения сигнал радионесущей/шум.

Однако такой способ мультиплексирования совершенно не подходит для передвижных спутниковых станций сбора телевизионных новостей, которые по характеру своей работы должны находиться в разных городах и странах. В этом случае каждая передвижная станция передает цифровой поток своей ТВ программы на индивидуальной радионесущей и групповой сигнал от нескольких передвижных станций мультиплексируется частотным способом непосредственно в антенне фидерной линии бортового ретранслятора.

Из сказанного ясно, что при закупке канальных кодеков и модемов надо четко представлять для создания какой сети — телевещания или сбора ТВ новостей — они нужны вещательной организации и в соответствии с этим правильно выбрать тип аппаратуры.

Скорость передачи видео- и звукоданных

При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания весьма важно правильно выбрать скорости передачи видео- и звукоданных, поскольку от этого непосредственно зависит качество ТВ изображения и звукового сопровождения.

Субъективные экспертные оценки качества ТВ изображения показали, что для получения ТВ изображения со студийным качеством, соответствующим Рекомендации 601 МККР, необходимо передавать видеоданные со скоростью около 9 Мбит/с. При этом декодированный видеосигнал будет пригоден для последующей цифровой обработки. [ 1,4,5]. Для получения ТВ изображения с качеством, соответствующим ТВ изображению на экране бытового телевизора систем ЦТ ПАЛ или СЕКАМ, по-видимому, будет достаточна скорость передачи видеоданных около 6 Мбит/с. При этом декодированный видеосигнал будет малопригоден для последующей обработки и повторного кодирования с информационным сжатием.

Отметим также, что при передаче «живых» ТВ репортажей требуется более высокая скорость передачи видеоданных, чем при передаче кинофильмов. Для передачи кинофильмов может быть допустима даже скорость передачи видеоданных около 4 Мбит/с, хотя лучше использовать 5 Мбит/с [5].

Необходимо также отметить, что субъективное качество ТВ изображения при одинаковой скорости передачи видеоданных будет выше в системах телевидения с частотой развертки полей 50 Гц, чем в системах телевидения с частотой развертки полей 60 Гц. Это следует учитывать при сопоставлении результатов, публикуемых европейскими, американскими и японскими фирмами-изготовителями кодеков MPEG- 2.

Полезно также иметь ориентиры при выборе скорости передачи звукоданных. В настоящее время общепринятым эталоном высшего качества звука является получаемое при воспроизведении компакт-дисков. Поэтому в стандарте MPEG-2 предполагается, что в системах цифрового ТВ вещания качество звукового стереосопровождения субъективно не должно отличаться от звука с компакт-диска.

Это условие выполняется для принятой в стандарте MPEG — 2 системе информационного сжатия звукоданных МЮЗИКАМ при скорости передачи звукоданных по 128 кбит/с на каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для самого низкого уровня — двухканального стереозвукового сопровождения — потребуется цифровой поток равный: 128 кбит/с х 2 =256 кбит/с. Отметим, что зарубежные кодеки MPEG-2 имеют 4-канальное звуковое сопровождение, при котором для передачи звукоданных требуется цифровой поток 128 кбит/с х 4 =512 кбит/с.

Цифровой поток для передачи дополнительной информации выбирается разработчиком системы в зависимости от предполагаемого объема данных дополнительной информации. Скорость передачи данных ДИ обычно выбирается кратной скорости МККТТ для цифрового потока телефонного канала — 64 кбит/с. С точки зрения унификации каналов цифровой передачи данных звукового сопровождения и данных ДИ, обычно скорость передачи данных ДИ выбирается равной 128 кбит/с.

Организация потоков передачи данных при цифровом вещании со сжатием

Цифровой поток ТВ программы включает в себя элементарные потоки видеоданных, звукоданных, данных дополнительной информации (данных пользователя), которые образуются после кодирования со сжатием сигналов видео-, звукового сопровождения и дополнительной информации источника ТВ программы. Элементарные потоки имеют непрерывную структуру, и в них отсутствуют сигналы синхронизации и управления декодерами. Эти сигналы вводятся в элементарные потоки, для чего они разбиваются на пакеты.

В стандарте MPEG-2, в зависимости от последующего использования данных, применяются три вида пакетов, отличающихся структурой заголовка пакетов, длительностью пакетов и степенью защищенности данных от действия цифровых ошибок.

Первый вид пакетов называется «пакетированный элементарный поток» (packetised elementary stream) и обозначается английской аббревиатурой PES-пакет. Этот вид пакетов был специально разработан в стандарте MPEG-1, ISO/IEC 11172 для ввода в компьютер и компьютерной обработки видеоданных с последующей их записью в устройствах внутренней и внешней памяти компьютера. Компьютер по качеству обработки данных относится к категории так называемой квазисвободной от цифровых ошибок среды. Поэтому в PES-пакетах не предусмотрены меры для защиты данных от цифровых ошибок.

Основной причиной для использования структуры PES-пакетов в стандарте MPEG-2 было обеспечение его совместимости со стандартом MPEG-1. PES-пакеты видео, звукоданных и данных пользователя в параллельной форме образуют цифровые потоки одной ТВ-программы. Такая структура цифрового потока удобна при обработке ТВ сигнала в процессе подготовки ТВ программы. Однако на этапе выдачи готовой ТВ программы, исходя из экономических и технических показателей аппаратуры, возникает необходимость перехода к последовательной форме передачи данных одной ТВ программы.

При этом необходимо учитывать следующее. Аппаратура сквозного тракта цифрового ТВ вещания, с точки зрения возникновения цифровых ошибок, может быть разделена на два вида: на аппаратуру квазисвободную от цифровых ошибок и аппаратуру, вносящую заметный уровень цифровых ошибок. Например, к первому виду относится большая часть аппаратно-студийного комплекса цифрового телецентра. Ко второму виду — аппаратура, образующая каналы спутникового и эфирного ТВ вещания.

Таким образом, для цифрового ТВ вещания необходимо иметь последовательные цифровые потоки с разной степенью защищенности от цифровых ошибок, т.к. необоснованное применение помехоустойчивого кодирования ощутимо повышает стоимость аппаратуры.

В стандарте MPEG-2 с этой целью используется два вида таких потоков. Во-первых, программный поток, в котором, без применения помехоустойчивого кодирования, объединяются (мультиплексируются) элементарные потоки видеоданных, звукоданных и данных пользователя одной ТВ программы. Этот поток используется в аппаратных телецентра при подготовке ТВ программ.

Во-вторых, транспортный поток, в котором применяется помехоустойчивое кодирование и могут одновременно передаваться указанные элементарные потоки одной или нескольких ТВ программ. Этот поток используется для ТВ вещания по наземным и спутниковым каналам связи.

Отметим особенности мультиплексирования при формировании программного и транспортного потоков. В стандарте MPEG-2 элементарные потоки одной ТВ программы имеют общую временную базу, т.е. кодеры информационного сжатия видео-, звукоданных и данных пользователя работают синхронно от общего синхрогенератора. Поэтому мультиплексирование при формировании программного потока производится синхронным способом. Однако разные ТВ программы имеют независимые временные базы, поэтому формирование транспортного потока производится в два этапа. Сначала синхронным способом формируются транспортные потоки каждой телепрограммы, а потом асинхронным способом производится мультиплексирование транспортных потоков нескольких программ в один транспортный поток. Отметим, что транспортный поток может также формироваться путем мультиплексирования программных потоков нескольких ТВ программ.

Таким образом, при многопрограммном цифровом телевещании на передающую станцию спутниковой линии поступает групповой сигнал нескольких ТВ программ в форме транспортного потока по стандарту MPEG-2.

Транспортный поток представляет собой последовательность транспортных DVB_S_1пакетов, каждый из которых имеет длительность 188 байт. В одном транспортном пакете могут передаваться данные только одного вида информации (или видео-, или звукоданные, или данные пользователя) и только одной ТВ программы — рис.1.

Транспортный пакет начинается с заголовка пакета, который имеет фиксированную длительность 4 байта. После заголовка по мере необходимости в некоторых транспортных пакетах передаются поля адаптации, которые имеют фиксированную длительность 3 или 18 байт. Используемая в пакете длительность поля адаптации указывается в начале поля.

Отметим, что в полях адаптации передается весьма важная информация — три вида сигналов синхронизации, необходимых для работы декодера MPEG-2, а именно:

  • сигнал текущего значения опорной частоты кодера, который обеспечивает синхронизацию тактовых частот кодера-декодера;
  • сигнал временной отметки начала декодирования данных в декодере;
  • сигнал временной отметки выдачи декодированных видео-, звукоданных и данных пользователя для предъявления их телезрителю. За счет этого сигнала обеспечивается синхронное воспроизведение видеоизображения и звукового сопровождения ТВ программы.

Данные сигналы синхронизации декодера передаются регулярно с частотой 10 Гц, т.е. временной интервал между началами двух синхрослов равен 100 мс. Оставшаяся часть транспортного пакета используется для передачи данных. Она соответственно составляет: 184 байта в транспортном пакете без поля адаптации — рис. 1(а), 181 байт — при наличии поля адаптации 1-го типа — рис. 1(б) и 166 байт при наличии поля адаптации 2-го типа — рис. 1(в).

Отметим также, что для синхронизации аппаратуры канального кодирования спутниковой линии связи используется стартовая синхрогруппа, которая передается 8-разрядным кодовым словом 0100.0111 в первом байте заголовка пакета.

Канальное кодирование и модуляция

Целью канального кодирования является согласование параметров транспортного потока MPEG-2 с форматом передачи данных, энергетическими и физическими возможностями спутниковых линий связи. При передаче данных по спутниковым каналам связи в первую очередь сказываются ограничения спутниковых линий по мощности, поэтому такой параметр, как помехоустойчивость системы к шумам и радиопомехам, является основным при разработке системы цифрового телевещания со сжатием. С тем, чтобы получить высокую эффективность по мощности без существенного снижения эффективности по использованию радиоспектра в стандарте DVB-S, во-первых, применяется квадратурная (4-позиционная) фазовая манипуляция. Во-вторых — двухступенчатая (каскадная) система помехоустойчивого кодирования данных транспортных пакетов кодом Рида — Соломона с перемежением данных для защиты от пакетных ошибок и сверточное кодирование. При этом структура сверточного кода изменяется в зависимости от энергетического бюджета используемой спутниковой радиолинии.

Структура цикла модема. Цикл обработки данных в модеме синхронен с транспортными пакетами MPEG-2. Организация цикла модема поясняется рис. DVB-S_2_modem2. Для фиксации начала цикла модема в первом транспортном пакете цикла — рис. 2(а) и (б) — производится инверсия символов стартовой синхрогруппы (ССГ) пакета, которая после инверсии обозначается как ССГ и передается кодовым словом 1011.1000. В остальных семи пакетах цикла стартовая синхрогруппа не инвертируется и передается кодовым словом 0100.0111. — рис.2(б). После организации цикла в модеме производятся (в излагаемом ниже порядке) следующие виды обработки данных.

Скремблирование информационных частей (187 байт — рис. 2(б) транспортных пакетов с целью обеспечения устойчивой работы системы тактовой синхронизации приемной аппаратуры и получение равномерного спектра радионесущей (энергетическая дисперсия несущей). Скремблирование осуществляется за счет сложения псевдослучайной последовательности с информационными данными в транспортных пакетах. При этом, чтобы не нарушить в приемном комплекте цикловую синхронизацию демодулятора, стартовые синхрогруппы транспортных пакетов (инвертированные — ССГ и неинвертированные — ССГ) скремблированию не подвергаются. Скремблируемые части пакетов отмечены на рис. 2(б) аббревиатурой СЧП.

В результате скремблирования в случае появления длительных серий 0 или 1 в информационных частях транспортных пакетов они будут заменены соответственно прямыми или инвертированными символами псевдослучайной последовательности, передаваемыми в эти моменты времени. При этом последовательность данных в транспортных пакетах приобретает свойства псевдослучайного сигнала, за счет чего обеспечивается достаточное для работы тактовой синхронизации демодулятора число переходов символов от 0 к 1 и от 1 к 0. Отметим, что такой вид скремблирования также может обозначаться английским термином «рандомизация» (т.е. хаотизация) данных.

DVB_S_3-scremblДля обеспечения совместной работы модуляторов и демодуляторов разных фирм в общей сети ТВ вещания в них необходимо использовать одинаковые схемы скремблеров и дескремблеров и однотипный способ их синхронизации. Структурная схема принятого в стандарте DVB-S скремблера-дескремблера показана на рис. 3 и состоит из регистра сдвига на 15-ти триггерах, посимвольная синхронизация которых производится с частотой тактов транспортных пакетов. Генерируемая регистром псевдослучайная последовательность описывается генераторным полиномом: 1+ Х14 +Х15, согласно которому сигналы с выходов 14-го и 15-го триггеров через схему «исключающего ИЛИ» (сумматора по модулю 2) подаются на вход регистра — триггер 1. Цикловая синхронизация регистра производится инвертированными стартовыми синхрогруппами транспортных пакетов (ССГ), с помощью которых триггера регистра устанавливаются в начальное состояние: 1001.0101.0000.000 (соответственно от 1 триггера к 15), как это показано на рис. 3, и пуск регистра производится таким образом, чтобы начало псевдослучайной последовательности совпадало с началом 2-го байта транспортного пакета.

Скремблирование или дескремблирование транспортных пакетов производится во второй схеме «исключающего ИЛИ», на один вход которой подаются транспортные пакеты, а на другой вход, через схему И, — псевдослучайная последовательность. Схема И используется для прекращения скремблирования или дескремблирования путем прерывания псевдослучайной последовательности на интервалах передачи стартовых синхрогрупп (ССГ и ССГ) транспортных пакетов. Длительность используемой части псевдослучайной последовательности составляет 1503 байта.

Особое внимание должно быть обращено на работу скремблера при отсутствии транспортного потока на входе модулятора. В этом случае псевдослучайная последовательность скремблера используется для модуляции, с тем чтобы предотвратить излучение немодулированной радионесущей, поскольку такой вид излучения не допускается из-за возможности создания помех наземным службам связи, например, радиорелейным линиям.

Помехоустойчивое кодирование. После скремблирования данные транспортного пакета совместно со стартовой синхрогруппой ССГ или ССГ подвергаются помехоустойчивому кодированию укороченным кодом Рида — Соломона (204, 188, 8), где 204 и 188 — соответственно числа байт в транспортном пакете «после проведения» и «до начала» помехоустойчивого кодирования, 8 — корректирующая способность кода, позволяющая скорректировать 8 пакетов ошибок размером по 1 байту.

Укороченный код РС (204,188,8) формируется в кодере полного кода Рида — Соломона (255, 239, 8) путем добавления перед началом транспортного пакета группы из 51 байта, состоящей из одних нулей. Получившийся пакет из 239 байт проходит помехоустойчивое кодирование, после окончания которого добавленные позиции в 51 байт отбрасываются. Работа кодера описывается генераторным полиномом: Р(X)=X8+X4+X3+X2+1.

Данное кодирование по терминологии стандарта DVB-S относится к внешней системе кодозащиты модема. Она рассчитана на коррекцию ошибок в цифровых потоках, прошедших внутреннюю систему кодозащиты модема, которая обеспечивает получение цифрового потока с коэффициентом ошибок не хуже 2х10-4. В этом случае после декодера кода Рида — Соломона коэффициент ошибок снизится до 10-10 … 10-11.

Отметим, что такое высокое требование к коэффициенту ошибок является следствием сжатия видеоданных, которые будут в декодере MPEG-2 многократно использоваться в расчетах при восстановлении недостающих ТВ отсчетов. В итоге каждая единичная ошибка многократно размножается и визуально проявляется в виде искаженной зоны на изображении, а не точки. Также отметим, что международные нормы на качество ТВ изображения со сжатием предполагают появление одной нескорректированной цифровой ошибки за 1 час передачи, что соответствует коэффициенту ошибок 0.8х10-11 при скорости цифрового потока 34 Мбит/с.

Перемежение данных. Для защиты от пакетных ошибок большой длительности вводится перемежение данных. В стандарте DVB-S используется способ непрерывного сверточного перемежения, который по сравнению с блочным способом перемежения данных позволяет более чем в два раза сократить объем памяти.

Структурные схемы сверточного кодера и декодера показаны на рис. 4. Глубина DVB_S_4_svertkaперемежения, т.е. перестановка двух соседних байт пакета после кодирования, составляет 12 байт. В соответствии с этим параметром кодер перемежения данных состоит из 12 синхронно коммутируемых по входу и выходу параллельных ветвей.

В каждом положении коммутатора в регистры записывается один байт информации, и за один цикл коммутации в кодер будет введено 12 байт информации. Таким образом, транспортный пакет в 204 байта будет полностью обработан за 204 байта/12 ветвей = 17 циклов коммутации. Каждая ветвь состоит из регистров сдвига разной длины, которые обеспечивают задержку данных на величину: М(байт) х n, где n — порядковый номер каждой ветви (n= 0 … 11). При этом значение M определяется из соотношения: М = длительность пакета в байтах (204 байт) / на число ветвей кодера (n= 12) = 17 байт и должно быть целым числом. Таким образом, ветвь с номером n=0 задержку данных не вносит, а ветвь с n=11 вносит максимальную задержку: 17 байт х11 = 287 байт.

Декодер перемежения данных — рис.4 (б) — строится аналогичным образом, но с обратным порядком включения регистров задержки — ветвь с номером n=0 обеспечивает максимальную задержку в 287 байт, а ветвь с номером n = 11 задержки не вносит.

Синхронизация и фазирование кодера и декодера перемежения данных производится по стартовой синхрогруппе пакета — при обнаружении стартовой синхрогруппы ССГ или ССГ входные и выходные коммутаторы ветвей кодера и декодера устанавливаются в положении: ветвь с номером n=0 включена.

Сверточное кодирование. В стандарте DVB-S используются сверточные коды с длиной кодового ограничения к=7 и могут использоваться относительные скорости передачи: 1/2; 2/3; 3/4; 5/6 и 7/8. Принятое обозначение относительной скорости, например 3/4, указывает, что на каждые 3 бита полезной информации используется (4 — 3) = 1 бит для кодозащиты, после введения которой скорость цифрового потока возрастает в 4/3 раза.

Конкретное значение относительной скорости передачи выбирается с учетом мощности и ширины радиоканала используемого бортового ретранслятора. В приемном устройстве используется универсальный декодер сверточного кода, рассчитанный на указанный диапазон скоростей. Выбор нужной скорости производится автоматически по наличию или отсутствию синхронизации декодера.

Кодек сверточного кода по терминологии стандарта DVB-S относится к внутренней системе кодозащиты модема. Декодер сверточного кода осуществляет первый уровень кодозащиты и должен работать при коэффициенте ошибок входного сигнала в пределах 10-2 … 10-1, снижая коэффициент ошибок в выходном потоке до 2х10-4 или меньшего значения. Отметим также, что необходимые для реализации сверточных кодеров и декодеров БИС с тактовыми частотами до 45 Мгц выпускаются серийно.

Модуляция и демодуляция производится на промежуточной частоте 70 или 140 МГц. В стандарте DVB-S используется технически достаточно простой и хорошо себя зарекомендовавший на спутниковых линиях 4-позиционный когерентный фазовый модем с манипуляцией в коде Грея — рис. 5. Такой модем обеспечивает хорошую защищенность от помех, эффективное использование энергетических показателей спутниковой линии, прост в технической реализации.

Начальная неопределенность фазы несущей в системе синхронизации демодулятора («пи» радиан) устраняется по результатам декодирования стартовых синхрогрупп в системе цикловой синхронизации демодулятора с учетом периодического изменения полярности этих сигналов через 8 пакетов. При 4-позиционной фазовой манипуляции несущая может принимать 4 фиксированных положения фазы в зависимости от комбинаций двоичных символов на I (синхронном) и Q (квадратурном) входах модема. Для обеспечения совместимости модуляторов и демодуляторов разных фирм изготовителей эти положения стандартизованы и показаны на рис. 5, из которого следует, что, например, комбинации двоичных символов 00 на входах I и Q модема соответствует фаза несущей 450, а комбинации двоичных символов 10 — фаза 1350.

Поясним систему координат I и Q рис. 5. Она определяется структурной схемой модулятора. Типовой 4 ФМ модулятор состоит из двух параллельно работающих 2 ФМ модуляторов, на один из которых синусоидальный сигнал подается непосредственно от задающего генератора модема, а на другой 2 ФМ модулятор — со сдвигом по фазе на 900. Про первый 2 ФМ модулятор говорят, что он синхронен с несущей, и его вход данных обозначают I (начальная буква «In phase»), про второй говорят, что его сигнал находится в квадратуре по отношению к несущей, и его вход данных обозначают Q (начальная буква слова Quadrature).

Особенности построения сквозного цифрового тракта при цифровом вещании со сжатием

Стандарт DVB-S предполагает, что системы внешней и внутренней кодозащиты модема являются составными частями модема и территориально располагаются на передающей станции спутниковой связи. Такой подход приемлем для зарубежных телецентров, поскольку передающие станции спутниковой связи располагаются вблизи телецентра и подача транспортного потока данных на ее вход производится по короткой (50 … 500 м) волоконно-оптической линии связи, которая при такой длине является линией связи квазисвободной от цифровых ошибок.

Совершенно по другому обстоит дело в нашей стране. Сложившаяся государственная сеть спутниковых передающих станций территориально удалена на 40…20 км от телецентров, и подача ТВ сигналов на эти станции производится в основном по радиорелейным линиям, которые передают цифровую информацию с коэффициентом ошибок порядка 10-5. Да и волоконно — оптические линии при работе на такие расстояния уже не могут рассматриваться как линии, квазисвободные от ошибок.

При таких условиях передачи в транспортный поток телевизионных программ на участке телецентр — передающая станция спутниковой связи будут внесены ошибки, и коэффициент ошибок в транспортном потоке опустится примерно до 10-5 , что совершенно неприемлемо для передачи данных со сжатием, поскольку, как указывалось выше, коэффициент ошибок для транспортного потока должен быть не хуже 10-10…10-11. В данном случае система двойной кодозащиты на спутниковой передающей станции не сможет снизить коэффициент ошибок, т.к. нет критерия для отличия искаженных и не искаженных символов в транспортном потоке. В результате в местах приема будет получен транспортный поток с тем же коэффициентом ошибок, с каким он поступил на вход передающей станции. Качество ТВ изображения при этом будет или недопустимо низким, или могут возникнуть ситуации, когда принятые видеоданные не удастся декодировать.

Из этого положения есть очень простой выход — необходимо разместить аппаратуру внешнего кодирования модема (кодер Рида-Соломона) непосредственно на телецентре и в соединительную линию выдавать транспортный поток, прошедший первый уровень кодозащиты. В этом случае декодеры Рида-Соломона обнаружат ошибки, возникшие на соединительной линии телецентр — передающая спутниковая станция и скорректируют их. Декодеры Рида-Соломона рассчитаны на коррекцию цифровых ошибок при коэффициенте ошибок 2х10-4 или лучше. Поэтому если на соединительной линии телецентр — спутниковая передающая станция обеспечить коэффициент ошибок 10-5 или лучше, что реально для радиорелейных линий, то проблем с потерей качества ТВ программ по вине соединительных линий не будет.

Заключение

В статье изложены основные положения стандарта DVB-S, необходимые для разработки отечественного модема для многопрограммных систем цифрового ТВ вещания со сжатием.Сейчас телекомпании вынуждены закупать за рубежом полностью всю аппаратуру для сквозного тракта цифрового телевидения со сжатием, потому что она не выпускается нашей промышленностью. В то же время реально существует возможность для быстрого создания отечественного модема по стандарту DVB-S. В качестве прототипа для такого модема можно взять отечественные модемы для спутниковых линий связи на скорость 34.368 Мбит/с, работающие с форматами передачи данных по рекомендации МККТТ. Целый ряд функциональных узлов от таких модемов (например, системы внутренней синхронизации модулятора и демодулятора и др.) с небольшими изменениями могут быть использованы в модеме по стандарту DVB-S, что позволит сократить сроки и затраты на его разработку. Потребность в таких модемах сейчас большая, и они будут пользоваться спросом на отечественном рынке сбыта ТВ аппаратуры.

Литература:

  1. Lee I. Nelson. Video compression. Standarts include MPEG-1, MPEG-2 and yes, even MPEG-4. Broadcast Engineering. October. 1995, p. 42 — 46.
  2. MPEG-2. Стандарты ISO/IC 13818 — разделы 1, 2 иСoding of moving pictures and associated audio. Разделы 1 — systems, 2 — Video, 3 — Audio.
  3. Джон Уоткинсон. Пособие для инженеров по цифровому сжатию. Перевод на русский язык ЗАО «Снелл и Уилкинс». Москва, 1997 г., с. 64. Телефон для заказа книги: (095)-248-34-43.
  4. Л.А.Севальнев. Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2. Журнал «625», N1, 1997 г., с. 58 — 62.
  5. Л.А. Севальнев. Многопрограммное цифровое телевизионное вещание по наземным и спутниковым линиям связи. Журнал «625», N5, 1995 г., с. 35 — 40.
  6. DVB-S. Стандарт ETS 300421. Digital broadcasting systems for television, sound and data services. Framing structure, channel coding and modulatin for 11/12 Ghz satellite services.
  7. DVB-C. Стандарт ETS 300429. Digital broadcasting systems for televi-sion, sound and data services. Framing structure, channel coding and modulatin for cable systems.
  8. DVB-T. Проект стандарта. pr ETS 300744. Digital broadcasting systems for television, sound and data services. Framing structure, channel coding and modulatin for digital terrestrial television.

© «Телеспутник».

Комментарии

Оставить сообщение