Стандарт DVB-S2. Новые задачи — новые решения

В 2000 году консорциум DVB Project принял новый стандарт спутникового вещания DVB-S2. В настоящее время цифровое спутниковое вещание в Европе регламентируется двумя стандартами – DVB-S и DVB-DSNG.

DVB-S, принятый еще 1994 году, определяет структуру транспортных пакетов, канальное кодирование и схемы модуляции при передаче по спутниковым каналам сетей непосредственного вещания (DTH). Стандарт DVB-DSNG, появившийся на три года позже, выполняет те же задачи для профессиональных сетей, то есть для сетей передачи сигнала на пункты ретрансляции и спутниковых сетей сбора новостей. Второй стандарт отличается от первого, в основном тем, что рассчитан на более слабые передатчики, не вводящие спутниковый ретранслятор в режим насыщения и поэтому допускающие использование более высоких уровней модуляции – 8PSK и 16QAM.


DVB-S2 призван покрыть обе эти области, а также должен решить ряд задач, с которыми имеющиеся стандарты справляются плохо.

В этом материале рассмотрены основные отличия нового стандарта от старых и обрисованы предоставляемые им дополнительные возможности.

Причины появления нового стандарта

Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами. Важнейшим фактором стали планы массового запуска ТВЧ. Сегодня, когда подавляющее большинство европейских программ передается в стандартном разрешении, дефицита частотного ресурса, выделенного в Европе для ТВ вещания через спутник, в целом не наблюдается. Но, как показывают расчеты, если все спутниковые программы будут переведены в ТВЧ, то этого ресурса окажется недостаточно, даже при переходе к более совершенным систем компрессии ТВ сигнала. Таким образом, перспектива появления ТВЧ потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих спектр.

Вторая причина необходимости нового стандарта – неудовлетворительная работа имеющихся приемных систем с сигналами Ка- 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 – появление интерактивных спутниковых сетей с адресными услугами, чему, в частности, способствовало развитие технологии точечных лучей. 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 требовалось следующее:

Во-первых, он должен был повысить эффективность использования транспортного канала. То есть дать возможность в полосе стандартного канала передавать больше бит полезной информации.

Во-вторых, он должен был предоставить расширенные возможности обмена скорости передачи полезной информации на помехоустойчивость.

В-третьих, стандарт должен был допускать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале.

Кроме того, он 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 использование спектра методами, а также за счет введения режимов VCM (Variable Coding and Modulation) и ACM (Adaptive Coding and Modulation). Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг, передаваемых в одном канале, а второй – дополнительную возможность адаптации транспортных параметров к текущим условиям приема услуги. Режим ACM 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, 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 также удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей.

Как и большинство многофункциональных стандартов, он представляет собой набор инструментов, которые можно использовать в разных сочетаниях. Такой принцип построения делает стандарт максимально гибким и не сильно перегружает процессоры приемников. При нынешнем развитии силиконовых технологий все функции приемника можно реализовать на одном чипе.

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 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.

Рассмотрим составляющие стандарта более подробно.

Схемы модуляции и способы помехозащитного кодирования

Новый стандарт предусматривает четыре возможных схемы модуляции (рис 1).

 

constellation

Рис. 1. Четыре схемы модуляции, применяемых в стандарте DVB-S2:
QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK

 

 

Отличительная особенность турбо кодов по сравнению с другими классами помехозащитных кодов заключается в принципе их декодирования. Прочие коды умеют работать только с битовыми последовательностями, которые проверяются с помощью контрольных алгебраических выражений с жесткой оценкой их достоверности. Алгоритм поиска кодовых слов, точно удовлетворяющих контрольным выражениям, может быть разным.

Декодирование с помощью турбо кодов начинается на уровне демодулятора, где вместо однозначной расшифровки кодового слова, переносимого символом, дается его вероятностная оценка. Она затем учитывается при переборе кодовых последовательностей. В отличие от турбо кодов, «жесткие» коды работают только с последовательностью нулей и единиц, которая выдается демодулятором на основании принимаемых им решений о значениях символов. То есть, при использовании жестких кодов, информация о точном положении символа в констеляционном поле теряется.

Кроме того, методы кодирования, используемые в рамках турбо кодов, хорошо приспособлены для восстановления длинных кодовых последовательностей. Восстановление выполняется путем множества итераций, в каждой из которых за основу берется наиболее достоверный вариант, полученный в результате предыдущих итераций.

За счет наиболее полного использования информации о состоянии сигнала и возможности эффективного итерационного декодирования очень длинных последовательностей, турбо коды позволяют очень близко подойти к пределу Шеннона. Этот предел определяет максимально достижимую скорость передачи информации в Гаусовской канале (канале с белым шумом). Он вычисляется следующим образом:

C = W log2(1 + P/N),

где С – скорость передачи ( бит/с ), W – ширина канала (Герц),
P – мощность передатчика (Ватт),
N – белый шум (Ватт).

По теореме Шеннона должен существовать помехозащитный код, позволяющий со сколь угодно малой избыточностью и сколь угодно высокой достоверностью передавать поток по каналу с Гауссовским шумом.

Принципы работы турбо кодов подробно изложены в журнале Телемультимедиа (N4 2000, стр.33-38).

Первые две, QPSK и 8PSK, 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 (LNB), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Эти схемы модуляции можно использовать и в системах вещания, но этом случае каналообразующее оборудование должно поддерживать сложные варианты предыскажений, а на приемной стороне должен быть обеспечен более высокий уровень отношения сигнал/шум. Символы внутри констелляционного поля APSK модулированного сигнала размещены по окружностям. Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в плане передачи амплитуды символа и позволяет использовать ретрансляторы в режимах, близких к точке насыщения.

Обратим внимание на то, что, по сравнению с QPSK, верхняя схема модуляции, 32 APSK, позволяет повысить общую скорость потока в 2.5 раза.

Одновременно с введением более высоких уровней модуляции стандарт предусматривает возможность применения двух дополнительных коэффициентов скругления alpha. К используемому в DVB-S alpha=0.35 в новом стандарте добавлены коэффициенты alpha = 0.20 и alpha = 0.25. Новые, более низкие значения коэффициентов обеспечивают большую крутизну импульсов, что позволяет использовать спектр более эффективно. С другой стороны, снижение alpha способствует повышению нелинейных искажений, что особенно сказывается при передаче одной несущей на транспондер. Поэтому конкретное значение коэффициента выбирается с учетом всех параметров передачи.

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

LDPC – один из вариантов «турбо» кодов, изобретенный еще в 1960 году и получивший свое второе рождение в середине 1990-х. Он был выбран путем компьютерного моделирования из семи опробованных вариантов турбо кодов. Критерием выбора была достижимая с помощью кода эффективность передачи в канале, и коду LDPС удалось максимально приблизить ее к пределу Шеннона при соблюдении установленных ограничений на сложность чипа декодера.

Код LDPC накладывается на блоки длиной 64800 бит, которые для приложений, чувствительных к задержкам, могут быть сокращены в 4 раза. Относительная скорость передачи может составлять от1/4, до 9/10. Первый вариант предусматривает передачу трех защитных бит на каждый полезный, а последний, одиннадцатый – один контрольный бит на девять полезных.

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

BCH, так же, как и код Рида-Соломона, представляет собой алгебраический код, описываемый определенными полиномами. Но, в отличие от кода Рида-Соломона, BCH исправляет одиночные, а не пакетные ошибки и может накладываться на более длинные последовательности.

Новая пара кодов обеспечивают более эффективное использование канального ресурса, чем коды DVB-C. Как отмечают разработчики стандарта, она позволяет работать при уровнях Eb/No (цифровой эквивалент C/N ) всего на 0.7 дБ выше требуемого соотношением Шеннона для заданной скорости, в то время как применение свертки в паре с кодом Рида-Соломона требовало превышения этого предела примерно на 5 дБ. Правда, при этом не выполняются условия бесконечно высокой достоверности передаваемой информации, оговоренные в теореме Шеннона. Более того, новый стандарт допускает более высокую частоту ошибок (BER) на выходе декодера, чем старый. Если кодеры стандарта DVB-S обеспечивают снижение BER до 10E-10 – 10E-11, то LDCP в сочетании с BCH снижают его до уровня 10E-7. Такой уровень соответствует появлению одной ошибки в час при передаче потока скоростью 5 Мбит/с (стандартная скорость передачи ТВ компрессированного в MPEG-2). С другой стороны, такой уровень ошибки является допустимым для подавляющего большинства приложений, а большая достоверность при необходимости может быть обеспечена самим приложением. По существу, в стандарт DVB-S заложен избыточный уровень достоверности. Это связано с особенностями работы кода Рида-Соломона, который либо восстанавливает принимаемую последовательность с высокой точностью, либо не восстанавливает ее вовсе.

В случае передачи пакетной информации, перед ее подачей в FEC- кодеры, на нее накладывается CRC-8 (Cyclic Redundancy Check) кодирование. А после FEC кодирования данные подвергаются перемежению, защищающему ее от длительных помех.

 

 cheme

TS MUX – мультиплексированный транспортный поток
ВП – верхний приоритет
НП – нижний приоритет

Рис. 2. Структурная схема совместимой вниз системыDVB-S2.

 

Структура транспортного кадра

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.

Вначале пакетируется низкочастотный (Base Band -BB) сигнал. Длина ВВ пакета привязана к циклу работы LDCP кодера и составляет либо 64800, либо 16200 бит. Заголовок BB пакета длиной 80 бит кодируется вместе с данными приложения. Он содержит информацию о режимах использование канала (однопотоковый, многопотоковый), типе инкапсулируемого потока (MPEG-2-TS, произвольный), режиме кодирования и модуляции (CCM, ACM) и ряд других параметров. Затем сформированный ВВ пакет подвергается пакетированию на физическом уровне. За счет введения второго уровня решается задача надежной синхронизации приемника, который должен иметь возможность детектировать несущую и фазу передаваемого сигнала и синхронизироваться с началом кадра даже в тех случаях, когда мощность сигнала окажется ниже мощности шума.

Полезную нагрузку физического кадра составляет BB кадр, к которому добавляется заголовок из 90 символов бинарного кода. В нем передаются синхроимпульсы, информация о схеме модуляции и режиме помехоустойчивого кодирования. Заголовок физического кадра кодируется отдельно от содержания кадра. Это делается по двум причинам.

Во-первых, для того чтобы принять транспортный поток, приемник предварительно должен «прочитать» информацию о его параметрах, заложенную в заголовок физического пакета. Во-вторых, заголовок должен устойчиво декодироваться при любых, самых неблагоприятных условиях, и для его защиты требуется особо надежный код.

В качестве такого кода выбран блочный код с очень высокой избыточностью – 7/64, предусматривающий турбо декодирование, то есть итеративное декодирование с «мягкими» решениям. Для того чтобы защитное кодирование заголовка не сильно снижало скорость передачи полезной информации, разработчики стандарта постарались минимизировать количество передаваемых в нем параметров, и все, что было возможно, вынесли в заголовок ВВ пакета.

Физический кадр разбивается на слоты по 90 символов, что облегчает надежную синхронизацию при помехоустойчивом декодировании. В качестве опции через каждые 16 слотов могут вставляться пилот сигналы, представляющие собой отрезок немодулированной несущей. Пилот сигналы предназначены для восстановления потерянной синхронизации при плохих условиях приема.

Перед отправкой в линию физические кадры подвергаются энергетическому диспергированию. При отсутствии полезной информации модулятор формирует буферные физические кадры, позволяющие приемнику сохранить информацию о режиме передачи в канале.

В режимах VCM (Variable Coding and Modulation) и ACM (Adaptive Coding and Modulation) транспортные параметры могут меняться с частотой в 1 кадр, но в пределах кадра они остаются неизменными.

Системы DVB-S2 могут быть сконфигурированы для передачи одной или нескольких несущих в одном транспондере.

Режимы, совместимые с DVB-S

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.

Стандарт допускает два таких режима. В первом производится одновременная передача сигналов стандартов DVB-S и DVB-S2, асинхронно комбинируемых в одном частотном канале. Во втором сигнал DVB-S2 накладывается на сигнал DVB-S c помощью иерархической модуляции. То есть поток DVB-S выступает в качестве сигнала верхнего приоритета, а поток DVB-S2 – в качестве сигнала нижнего приоритета (рис 2). Сигнал DVB-S2 передается с помощью модуляции 8PSK с неоднородной структурой констеляционного созвездия. Две точки созвездия, размещенные в каждом квадранте, отображают один символ сигнала с верхним приоритетом Наложение сигнала DVB-S2 осуществляется сдвигом символов в констеляционном поле по окружности на угол ±q. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работающим в режиме, близкому к насыщению.

Совместимые вниз режимы не позволяют полностью использовать потенциал нового стандарта и довольно сложны в реализации. Поэтому, скорее всего, они не получат широкого распространения.

Эксплуатационные показатели системы

В зависимости от выбранного режима помехоустойчивого кодирования и схемы модуляции, уровень сигнал/шум, позволяющий принять сигнал на приемной стороне, колеблется от -2.4 дБ (при модуляции QPSK и FEC c относительной скоростью 1/4) до +16 дБ (32 APSK и FEC 9/10). Эти значения справедливы для гауссовского канала и идеального демодулятора. Они были получены методом компьютерного моделирования. При условии допустимости BER на уровне 10 E-7 энергетика сигнала превышает предел Шеннона всего на 0.7 – 1.2 дБ.

По сравнению с DVB-S, новый стандарт 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 дБ.

На рис. 3 показаны варианты полезной скорости, достигаемые при разных конфигурациях системы, а также полезные скорости сигналов стандартов DVB-S и DVB-DSNG.

curves

 

Рис. 3. График зависимости эффективности использования спектра от отношения несущая/шум в канале с Гауссовским шумом (идеальным демодулятором), где отношение несущая /шум рассчитывается по средним значениям.

 

Адаптивный режим модуляции при передаче адресных услуг

Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима ACM, предназначенного для интерактивных адресных приложений, таких как передача IP unicast. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 дБ, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим ACM наиболее эффективен применительно к трансляциям Ka- диапазона, а также для тропических зон приема. На рис. 4 показана схема работы спутниковой системы в этом режиме. Система включает ACM шлюз, DVB-S2 модулятор с поддержкой АСМ, передающую наземную станцию, спутник и систему приема спутникового сигнала, подключенную к ACM шлюзу через обратный канал.

В ACM 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+1.

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

Работа в этом режиме требует введения механизмов управления скоростью пользовательских потоков данных, предотвращающих перегрузку канала при ухудшении погодных условий. Введение таких механизмов может оказаться довольно сложной задачей, особенно, если число пользователей будет достигать сотен и тысяч, и поток к каждому из них будет требовать индивидуальной адаптации. Решение задачи осложняется еще и тем, что информация может поступать из удаленных источников, трудно поддающихся управлению. Решение этой проблемы не может регламентироваться стандартом, а в каждом случае должно определяться индивидуально.

ACM

Рис. 4. структурная схема системы DVB-S2 ACM.

Заключение

Консорциум DVB Project не предполагает, что новый стандарт заменит старые уже в ближайшее время. Сегодня в мире работает множество коммерчески успешных спутниковых сетей стандарта DVB-S , и их трансляции принимаются миллионами декодеров, способными прослужить еще не один год. Поэтому наиболее вероятным сценарием внедрения нового стандарта выглядит его использование для трансляции услуг, которые не могут быть приняты традиционными приемниками. Например, ТВ сигналов, компрессированных в новых форматах и/или передаваемых с высоким разрешением.

Вполне возможно, что новый стандарт быстро найдет применение и в сетях спутникового сбора новостей. 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.

Анна Бителева

© Телеспутник

Комментарии

Оставить сообщение