Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные характеристики и параметры систем цифрового телевизионного вещания 13
1.1 Модуляция OFDM 13
1.1.1 Общие характеристики 13
1.1.2 Реализация модуляции OFDM 16
1.1.3 Основные недостатки модуляции OFDM 17
1.1.4 Наземные вещательные системы DVB 19
1.2. Система DVB-T. Особенности функционирования, основные характеристики и параметры системы 19
1.2.1 Одночастотные ceraDVB-T 21
1.2.2 Пилот-сигналы системы DVB-T 22
1.2.3 Система DVB-H 26
1.3 Система DVB-T2 27
1.3.1 Формирование потоков данных стандарта DYB-T2 30
1.3.2 Кадровая структура системы DVB-T2 31
1.3.3 Сигнализации L1 37
1.3.4. Введение пилот сигналов Т2 и их виды 38
1.3.5 Борьба с пик-фактором в системе DVB-T2 45
1.3.6.Символ Р1. Обнаружение сигнала и определение величины отклонения частоты приемника от частоты передатчика 46
Выводы по ГЛАВЕ 1 50
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования характеристик и параметров сигналов цифрового вещательного телевидения 52
2.1 .Устойчивость OFDM систем к помехам 52
2.2. Модель тракта вещания системы DVB-T 53
2.3. Модель импульсного шума 53
2.4. Модели канала 56
2.5. Постановка задачи для исследования устойчивости системы DVB-T к шумам 59
2.6. Результаты исследования помехоустойчивости системы на модели канала с помехами 59
2.7. Результаты исследования помехоустойчивости системы на модели канала с многолучевым распространением 68
2.8. Исследование аналоговых передатчиков при усилении сигналов эфирного цифрового телевидения 74
2.8.1. Постановка задачи исследования передатчиков 74
2.8.2. Структурная схема эксперимента на МРЦ 75
2.8.3. Результаты исследований передатчиков 77
Выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3. Аналитические исcледовалия характеристик и параметров сигналов цифрового вещательного телевидения 87
3.1 Анализ распределения рассеянных пилот - сигналов в системе DVB-T2 87
3.2 Влияние смещения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала на форму сигнальных созвездий различных порядков модуляции OFDM вещательных систем 88
3.3 Аналитическое исследование влияния смещения частоты приемника от центральной частоты канала на форму сигнала 90
3.4 Анализ искажений формы сигнала под действием факторов его формирования и приема 95
3.4.1 Искажения формы сигнала при усечении его пределов по частоте 96
3.4.2 Искажения формы сигнала под влиянием отклонения частоты приема от частоты радиоканала 98
3.5. Нахождения начала символа OFDM 101
3.5.1 .Постановка задачи 101
!3.5.2.Определение координаты начала символа системы DVB-T 105'
Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. Разработка устройств вычисления отклонения частоты приема относительно центральной частоты радиоканала цифровых вещательных телевизионных систем ... 110
4.1. Разработка устройства подстройки частоты приема к центральной частоте радиоканала в системе DVB-T 110
4.1.1 Блок масштабирования коэффициентов сигнального созвездия 113
4.1.2. Блок формирования матрицы коэффициентов сигнального созвездия... 114
4.1.3. Блок преобразования матрицы коэффициентов сигнального созвездия .116
4.1.4 Блок формирования опорной матрицы 117
4.1.5. Блок вычисления размеров опорной матрицы ...118
4.1.6. Блок интегральной обработки 119
4.1.7. Блок грубого вычисления отклонения частоты 120
4.1.8. Результаты моделирования работы устройства для системы DVB-T 120
4.2. Разработка устройства подстройки частоты приема к центральной частоте радиоканала в системе DVB-T2 122
4.2.1. Блок масштабирования коэффициентов сигнального созвездия символов Р1 и Р2 125
4.2.2. Блок формирования матрицы коэффициентов сигнального созвездия и блок преобразования матриц коэффициентов сигнального созвездия символов Р1 иР2 127
4.2.3. Блок формирования опорной матрицы символов Р1 и Р2 128
4.2.4. Блоки интегральной обработки 129
4.2.5. Блок грубого вычисления отклонения частоты 130
4.2.6. Результаты моделирования работы устройства для системы DVB-T2... 131
Выводы по главе 4 132
Заключение 134
Список литературы 135
Приложение 1 145
- Система DVB-T. Особенности функционирования, основные характеристики и параметры системы
- Результаты исследования помехоустойчивости системы на модели канала с многолучевым распространением
- Аналитическое исследование влияния смещения частоты приемника от центральной частоты канала на форму сигнала
- Разработка устройства подстройки частоты приема к центральной частоте радиоканала в системе DVB-T2
Введение к работе
Актуальность темы. Распоряжение Правительства РФ от 25 мая 2004г. № 706-Р определяет основой? цифрового телевизионного (ТВ) вещания на территории РФ стандарты DVB. В соответствии с этим, распоряжением было принято решение о начале наземного ТВ вещания первого мультиплекса в пределах всей страны с использованием системы DVB-T. В 2009 году завершена разработка стандарта на второе поколение системы наземного ТВ вещания DVB-T2. В настоящий момент она является наиболее перспективной для последующего развития наземного цифрового ТВ вещания на территории РФ.
Актуальным является вопрос создания устройств как для корректного формирования и приема сигналов DVB-T/T2, так и для проведения измерений характеристик и параметров этих систем при построении реальных сетей вещания. Данные устройства могут быть успешно реализованы лишь на основе скрупулёзного учёта .специфики характеристик и параметров информационных сигналов. Только на этой основе можно выявить направления совершенствования системы в целом и отдельных аппаратных решений, а также конкретизировать отличия эффективных технических решений для рассматриваемых систем среди возможного многообразия устройств, использующих радиоканалы для передачи информации.
В связи с высокой вероятностью возникновения (в будущем) ситуации одновременного вещания на основе систем и DVB-T и DVB-T2, при разработке оборудования для наземного ТВ вещания следует уделить внимание созданию таких устройств, которые были бы максимально адаптированы и к первому и ко второму вариантам систем в плане обработки данных. Это позволит существенно минимизировать число возможных технических решений, которые целесообразно использовать в РФ при производстве аппаратурных блоков для оборудования цифрового наземного ТВ вещания;
Системы; цифрового ТВ вещания стандарта DVB как первого, так и второго поколения используют модуляцию OFDM. Одной из основных проблем данного вида модуляции является высокие требования к степени соответствия частот передачи и приема сигнала. Следовательно, первоочередной задачей на современном этапе является разработка алгоритма надёжной оценки отклонения частоты при приеме от частоты вещания в радиоканале. Другим, не менее важным, направлением является идентификация на приёмной стороне параметров составляющих структур радиосигналов систем стандартов DVB.
Совершенствование известных и разработка новых алгоритмов обработки информационных сигналов стандарта DVB-T/DVB-T2 обеспечивает основу для увеличения эффективности функционирования систем цифрового ТВ вещания и создания конкурентных преимуществ на современном этапе организации в РФ производства оборудования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и устройств, позволяющих, с учетом характеристик и параметров сигналов систем цифрового ТВ вещания, обеспечить надежный прием сигнала и дальнейшую обработку полученных данных.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно практические задачи:
Проведен анализ алгоритмов формирования, особенностей структуры, характеристик и параметров сигналов в системах цифрового вещательного телевидения DVB-T и DVB-T2.
Исследованы характеристики устойчивости модуляции OFDM системы DVB-T к действию различных шумов и при многолучевом распространении.
Исследованы специфические особенности прохождения цифрового сигнала системы DVB-T через тракт мощного аналогового передатчика.
Разработан метод определения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в системе цифрового вещательного телевидения DVB-T.
Проведены аналитические исследования влияния смещения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала на эффективность декодирования радиосигнала OFDM.
Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T.
Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T2
Проведены экспериментальные исследования разработанных устройств оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала систем DVB-T и DVB-T2.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы современные методы теории передачи, цифровой обработки сигналов и изображений, включая элементы теории функций и функционального анализа, теории численного интегрирования, методы спектрального анализа, программирования и др.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан метод определения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в системе цифрового вещательного телевидения DVB-T.
Проведены аналитические исследования влияния смещения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала на принимаемый сигнал OFDM. Сформулированы рекомендации по использованию результатов анализа при разработке устройств.
Разработан метод оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала системы DVB-T.
Разработан метод оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала системы DVB-T2
Практическая ценность:
Разработан метод определения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в современных системах цифрового вещательного телевидения.
Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T.
Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T2
Реализация результатов работы. Результаты диссертации внедрены при проведении НИР в НТЦ ТВ ФГУП НИИР с включением в отчет (Гос. per. № 0120.0 810565), при разработке устройств по стандарту DYB-T в "ЦТВ СИГМА", в учебный процесс кафедры телевидения им. С.И. Катаева МТУСИ и использованы при выполнении НИР в отделе "Цифрового телевидения и видеоинформатики" МТУСИ.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на НТК МТУСИ, Москва, 2009 г.г., научных сессиях российского научно-техническое общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова, 2008-20 Юг.г. и на НТК профессорско- преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2008-2011 г.г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе, 5 работ - в журналах, соответствующих перечню ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состроит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста. Список литературы включает 115 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты относительного анализа алгоритмов формирования, структуры, характеристик и параметров сигналов в системах цифрового вещательного телевидения DVB-T и DVB-T2;
Результаты экспериментальных исследований прохождения сигнала OFDM через усилительный тракт мощного аналогового передатчика;
Результаты анализа полученных экспериментально характеристик модуляции OFDM системы DVB-T при действии шумов различного характера и при многолучевом распространении;
Разработанный метод нахождения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в современных системах цифрового вещательного телевидения;
Результаты аналитических исследований влияния на характеристики сигнала OFDM смещения частоты приема относительно центральной частоты радиоканала;
Разработанное устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T;
Разработанное устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T2.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, охарактеризовано состояние исследуемых вопросов, определена цель, задачи и методы исследований. Сформулированы научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту. Представлены состав и краткое описание работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.
В первой главе «Основные характеристики и параметры систем цифрового телевизионного вещания» рассмотрены особенности модуляции систем цифрового телевизионного вещания двух поколений, проведена их сравнительная характеристика. Рассмотрены вопросы формирования сигнала OFDM систем DVB-T и DVB-T2, подробно изложены вопросы кадровых структур этих систем и введения пилот-сигналов. Сформулированы основные проблемы данного вида модуляции и методы борьбы с ними.
Во второй главе «Экспериментальные исследования характеристик и параметров сигналов цифрового вещательного телевидения» рассмотрены вопросы помехоустойчивости модуляции OFDM, как части системы DVB-T. Исследования проведены при воздействии шумов различной структуры: аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), импульсный шум (ИШ); а также на райсовсон и релсевской моделях приема сигнала. Одним из возможных сценариев перехода РФ на цифровое вещание является перевод части аналоговых передатчиков на цифровой формат. Для определения возможности такого перевода было проведено исследование характеристик двух мощных аналоговых передатчиков, применительно к передаче цифровых сигналов. Исследовалась работа этих передатчиков в режиме мощного усиления сигнала с модуляцией OFDM по стандарту DVB-T.
В третьей главе «Аналитические исследования характеристик и параметров сигналов цифрового вещательного телевидения» проведены аналитические исследования искажений, вызванных влиянием отстройки частоты приема от центральной частоты канала, а также исследован вопрос нахождения начала символа среди принятых отсчетов и на основании этих исследований разработано устройство.
В четвертой главе «Разработка устройств вычисления отклонения частоты приема относительно центральной частоты канала», на основе аналитических результатах третьей главы, были разработаны устройства вычисления отклонения частоты для систем DVB-T и DVB-T2.
В заключении приведены основные выводы и результаты выполненной работы.
В приложениях представлены значения ослаблений, фаз и задержек для фиксированного и портативного приема, а также текст программ, моделирующих работу разработанных алгоритмов.
Система DVB-T. Особенности функционирования, основные характеристики и параметры системы
Необходимость использования модуляции OFDM связана, прежде всего, с борьбой с искажениями, вызванными многолучевым распространением радиосигналов, наличие которого является серьезной проблемой в большинстве беспроводных систем. Основное следствие многолучевого распространения - межсимвольная интерференция. Если осуществить параллельное распределение совокупностей преобразованных по длительности отсчётов модулирующего сигнала на поднесущие, ортогонально разнесенные по частоте, то резко возрастает возможная временная длительность сигнала каждой из используемых частот. Такой метод способствует соответственно и увеличению длительности символа и, как следствие, меньшей относительной (по отношению к длительности символа) задержке символов друг относительно друга в присутствии нескольких отраженных сигналов. Для борьбы с отраженными лучами в каждый символ OFDM дополнительно вводится временной защитный интервал. Защитный интервал вносится путем вставки во временной области, перед символом, фрагмента его завершающей части.
Количество поднесущих, реально используемое в системах цифрового ТВ вещания значительно больше, чем в приведенном ранее примере. Минимально допустимое значение для системы DVB составляет 1705. При увеличении количества поднесущих, увеличивается общая длительность символа и как следствие уменьшается скорость передачи информации на отдельной из них. При увеличении количества поднесущих, вместе с увеличением длительности самого символа, увеличивается и относительная длительность защитного интервала, что способствует лучшей защите от многолучевого распространения. К положительным моментам использования большого количества поднесущих модуляции OFDM также относится более прямоугольная форма спектра при сравнении с небольшим числом поднесущих. Это связано с соответствующим уменьшением периода колебательного процесса в структуре спектра отдельной. Данное свойство позволяет более эффективно использовать частотные кайалы. К отрицательным сторонам относится вероятность проявления эффекта Доплера при мобильном и портативном приеме, по проявление этого эффекта можно скомпенсировать в системах с помощью увеличения эффективности канального кодирования.
Одним из основных преимуществ OFDM является возможность использования различных видов первичной модуляции и канального кодирования для разных поднесущих, предназначенных для конкретного типа информации. Этот принцип используется в японской системе ISDB, где он использован в виде 13 сегментов, а также заложен в основу формирования каналов данных (PLP) в системе цифрового ТВ вещания DVB2.
Под аббревиатурой COFDM, предполагается OFDM, в которой применяется кодирование данных передаваемых на поднесущих. Для этих целей информация, относящаяся к различным поднесущим, подвергается перемежению в соответствии с алгоритмами, представленными в стандартах на системы с применением данного конкретного варианта OFDM. Таким образом, при воздействии узкополосной (большой протяжённости) помехи на несколько соседних поднесущих, ошибочные биты будут разнесен во времени друг относительно друга. Этот разнос дает возможность канальному декодеру исправить одиночные ошибки. В противном случае пакеты ошибок, как правило, требуют увеличения в цифровом потоке доли битов, используемых для защиты от помех.
Для реализации OFDM системы используется комбинация блоков Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) и Обратного Быстрого Преобразования Фурье (ОБПФ), которые являются математическими эквивалентами ДПФ и ОДПФ соответственно. В качестве первичной используется QPSK и QAM модуляция отдельных поднесущих. При формировании первично модулированного сигнала, числовые значения, отражающие предаваемую информацию, определяются в частотной области. Они используются как входные данные для ОБПФ блоков, которые переносят информацию во временную область. В результаге ОБПФ получаются N отсчетов, которые необходимо передать во времени. Получившиеся временные отсчеты отражают совокупность синусоид различной частоты, временное ограничение на которые накладывает длительность символа OFDM. Каждый значение на входе ОБПФ действует как комплексный вес для соответствующей синусоидальной базисной функции. Так как входные символы комплексные, значения символа определяется как амплитудой, так и фазой синусоиды этой поднесущей. В этом случае ОБПФ блок предоставляет простой путь для переноса информации на N ортогональных поднесущих и позволяет избежать случая с множеством генераторов, которое трудно реализуемо па практике. Блок из N выходных отсчетов ОБПФ составляет простой OFDM символ. Максимальное количество поднесущих в символе определяется порядком ОБПФ. В ТВ системах DVB используются следующие порядки ОБПФ: lk, 2k, 4k, 8k, 16k и 32k. Выбор того или иного варианта осуществляется исходя из конкретной системы и условий планирования сети вещания.
После дополнительной обработки, сигнал временного домена, являющийся результатом ОБПФ, передается по каналу. На приемной стороне, блок БПФ используется для преобразования принятых отсчетов сигнала путем переноса его обратно в частотную область. В идеальном случае выходной информацией БПФ будут оригинальные символы, которые были заданы при ОБПФ на передатчике. В случае построения в комплексном плане на плоскости, выходные БПФ отсчеты будут формировать сигнальное созвездие.
Вариант модуляции OFDM имеет существенные недостатки. Первым из них является высокий пик-фактор радиосигналов в системах с данным видом модуляции. Пик-фактор возникает в групповом сигнале, когда фазы нескольких синусоидальных составляющих символа OFDM на каком то интервале совпадают. В этом случае происходит сложение амплитуд этих сигналов, и в результате возникает локальный резкий всплеск амплитуды группового сигнала. При усилении на передаче и приеме группового сигнала необходимо учитывать возможность появления пик-фактора, который способствует возможности нелинейных искажений передаваемого или принимаемого сигналов.
Еще одним недостатком систем с модуляцией OFDM является повышенные требования к стабильности частоты передатчика и строгое соответствие частоты приемника эфирной частоте. Воздействие отклонения частоты показано на рис. 1.2. Здесь изображено сигнальное созвездие одного OFDM символа, порядок ОБПФ, используемый при формировании сигнала, равен 8к (количество активных поднесущих равно 6817), в качестве первичной модуляции применяется 64QAM.
Результаты исследования помехоустойчивости системы на модели канала с многолучевым распространением
Первым требованием является вещание в режиме сохранения энергии абонентского приемного терминала. Второе требование - использование системы во время движения, при этом необходимо обеспечить сохранность качества вещательных услуг при пересечении абонентом границ вещательных областей. Третье предъявленное требование - обеспечить качественный прием в различных ситуациях (внутри помещений и на открытом воздухе, во время пеших прогулок и движения в транспортных средствах). Четвертое — вещательная система должна обеспечивать высокий уровень защищенности от помех, вызванных антропогенными факторами. Ну и наконец, последним предъявленным требованием стало использование одной системы в различных странах, что обеспечивает универсальность приемных терминалов. Каждая из вещательных систем данного типа должна поддерживать возможность вещания в различных возможных (по протяжённости) диапазонах частот.
Система БУВ-И разработана на базе БУВ-Т, поэтому обеспечивается их частичная совместимость. Однако новая система имеет некоторые различия па физическом уровне и заметно отличается на канальном уровне.
Па физическом уровне БУВ-Ы имеет в своей основе стандарт БУВ-Т, по с некоторыми особенностями: были внесены изменения в транспортную сигнализацию путем добавления дополнительных бит для идентификации потоков передаваемых по стандарту БУВ-П; был добавлен дополнительный режим модуляции 4к, на основе которого достигается снижение влияние эффекта Доплера при высоких скоростях движения приемного терминала; в режимах работы 2К и 4К была увеличена глубина временного перемежения СОБОМ символов для более эффективной защиты от импульсной помехи. Также была введена дополнительная опция, позволяющая работать с полосой шириной 5 МГц.
На канальном уровне отличия от стандарта ШГВ-Т становятся значительными. Прежде всего, оно выражается в использовании транспортных пакетов МРЕв-2 с инкапсулированными ГР дейтограммами с помощью многопротокольной инкапсуляции (МРЕ). Для борьбы с ошибками передачи, применяется система помехоустойчивого кодирования, получившая название МРЕ БЕС, в основе которой лежат коды Рида-Соломона, применяемое для кодирования последовательностей дейтограмм, размещенных в виде таблицы. В результате формируются две таблицы, включаемые в транспортный поток МРЕО-2 Т8, первая из которых содержит информационную часть, а вторая контрольную информацию.
В системах БУВ-Н информация передается с помощью коротких импульсов, что позволяет экономить энергию аккумулятора приемного устройства. На приемник посылается информационный пакет импульсного вида, во время которого происходит не только передача информации, по и конкретизируется время прихода следующего пакета. Такая схема организации приема информации позволяет экономить до 90% ресурса аккумулятора. Режим импульсного получения информации позволяет приемнику определять оптимальное направление приёма по мощности радиосигнала.
Данная система уже получила свое развитие во многих странах мира, в том числе и в Российской Федерации. В Москве, па сегодняшний день, крупными сотовыми операторами уже развернуты сети вещания ОУВ-Н [7].
Задача повышения эффективности систем цифрового телевизионного (ТВ) вещания была решена разработкой стандарта второго поколения ВУВ-Т2 [ ], в котором регламентированы новые методы канального кодирования и модуляции. Сочетание стандарта второго поколения БУВ-Т2 и компрессии видеоинформации МРЕО-4, АУС/Н.264 дает возможность увеличить число программ в мультиплексе и передавать программы телевидения высокой четкости (ТВЧ).
Система DVB2 обладает повышенной, примерно на 30-50% пропускной способностью, максимально приближена к сопутствующим вариантам цифрового телевизионного вещания DVB-S2 и DVB-C2 в плане форматов данных, необходимых для передачи, и уровней адаптации к сети вещания, в которую входит предобработка изначальных данных, адаптации потока в основной полосе и канальное кодирование.
Во втором поколении стандартов для канального кодирования применяются коды БЧХ в качестве внешних кодов и коды с малой плотностью проверок на чётность (LDPC) в качестве внутренних кодов. Возможности использования кодовых скоростей расширены до 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6. Использование сочетания LDPC/BCH-кодов более эффективно по сравнению с каскадами кодов Рида-Соломона и сверточными кодами. Так, например, для системы DVB-S2 при выборе вида модуляции, аналогичного системе DVB-S, и при той же спектральной эффективности требуемое отношение энергии на бит к спектральной плотности шума снижается на 2,5 дБ [12].
В качестве схемы модуляции DVB2, как и в DVB, используется COFDM, по кроме принятых ранее режимов 21с, 41с, 81с, применяются также 11с, 161с, 321с. Виды первичной модуляции расширен при помощи 256QAM. Дополнительные значения относительных защитных интервалов по сравнению с системой DVB составляют 19/256, 19/128 и 1/128. Кроме того появилась возможность работы с временным перемежением кадров [4].
Предобработка денных на входе блока канального кодирования включает в себя: синхронизацию, компенсацию задержки для транспортного потока, обнаружение и удаление нулевых пакетов (с дальнейшим их восстановлением на приемной стороне), вставку битов проверки на четность для обнаружения ошибок при дальнейшей обработке.
Вся информация,, поступающая на кодер DYB2, обрабатывается в виде PLP (Physical Layer Pipe). В одном PLP обрабатываются данные, поступающие от одного источника в виде транспортного потока MPEG-2, содержащего одну программу либо мультиплексированный пакет программ, или же одно- или многопрограммный многоцелевой поток (GSE).
Таким образом, все данные обрабатываются одновременно в виде параллельных PLP. В результате, конструкция кодера/декодера резко усложняется по сравнению с каналообразующим оборудованием предыдущего поколения.
Кроме того существует иерархия среди PLP потоков. Самыми приоритетными являются общие PLP, содержащие информацию мультиплексированных программ. Ниже по иерархической лестнице находятся PLP первого типа, за которыми следуют PLP второго типа. Такое расслоение PLP определяет их положение в кадре OFDM.
Данная организация структуры системы позволяет выдавать в эфир несколько различных ТВ услуг внутри одного частотного канала, при этом оператор может выбирать для каждой из услуг: или больший объем передаваемых данных или более высокую степень защиты контента от воздействия помех.
Аналитическое исследование влияния смещения частоты приемника от центральной частоты канала на форму сигнала
Таким образом, можно сделать вывод о том, что действие данной помехи на символ OFDM нельзя оценить априорно, так как ее длительность относительно мала по сравнению с длительностью символа, однако, вероятность её попадания в защитный интервал сохраняется. Максимальная длительность помехи, созданной группой импульсов в случае Test 6, составляет 40 мкс с длительностью данной пачки 10 мс, в то время, как длительность символа в режиме 8к равна 896 мкс, то есть одна пачка воздействует в данном случае, примерно, на один из десяти символов.
Исходя из вышеописанного, можно сделать следующий вывод: данная помеха не может вызвать полное нарушение синхронизации системы, а может лишь затруднить прием части символов за счет нарушения структуры их пилот сигналов. Количество символов, пораженных этой помехой в двух рассматриваемых случаях (минимальное и максимальное время между импульсами) не является значительным, поэтому данная помеха, в чистом виде, может вызвать лишь ошибки на выходе приемника. Повреждения кадровой структуры системы DVB не будет является существенными . Вероятность воздействия этой помехи на одни и те же элементы кадровой структуры также очень мала, так как какая-либо синхронизация между помехой и сигналом OFDM отсутствует, так как воздействие носит случайный характер. Приемник в этом случае может восстановить потерянные пилоты. При этом прием и синхронизация с использованием пилот-сигналов не могут быть нарушены.
В то же время влияние белого шума, не подвергнутого стробированию, возникает поражение сигналов всех следующих друг за другом символов, и при определенном значении сигнал/шум нормальное функционирование системы перестает быть возможным по причине недопустимой деградации структуры пилот-сигналов на приемной стороне.
Следует заметить, что моделирование рассматриваемого шума с помощью устройства SFU, реализует спектр значительно более широкий, нежели рассматриваемый канал 8 МГц. Это повышает достоверность полученных результатов для условий функционтрования счистемы цифрового ТВ вещания при "мягкой" частотной селекции.
В зависимости от характера многолучевости различают три основные модели канала вещания в соответствии со стандартом [2]: 1. Гауссовский канал, или канал с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) в условиях полного отсутствия многолучевости; 2. Райсовский канал (Б]) — это канал с помехами, в котором присутствует прямой луч и нескольких отраженных лучей, характеризующихся разной мощностью и задержкой в точку приема относительно основного. Помехи же могут быть представлены в виде АБГШ, импульсного шума, гармонических сигналов, переходных, нелинейного типа, помех из совмещенных и смежных каналов и пр. Модель канала для этого случая представлена в стандарте и описывается уравнением, представленным ниже. В нем д-(/) и г(/) являются входным, отраженными сигналами и суммарным сигналом соответственно: первое слагаемое в числителе, стоящее перед суммой, является прямым лучом распространения; У- количество отраженных сигналов; — фазовый сдвиг -ого отражённого луча; — затухание 1-ого отраженного луча; - относительная задержка 1-ого отражённого луча по отношению к основному. Для данной модели вводится коэффициент Райса К, характеризующий отношение мощности прямого луча к сумме мощностей всех отражённых лучей. Значения всех параметров представлены стандартом в виде таблицы (приложение 1). 3. Рэлеевский канал (РО, отличающийся от райсовского канала отсутствием прямого луча. Уравнение, которое описывает эту модель канала схоже с аналогичным уравнением для райсовского канала, за исключением отсутствия прямого луча. Гауссовский канал используется только при лабораторных испытаниях оборудования в качестве простого, легко воспроизводимого эталона. В реальных трактах цифрового вещания данный вид канала встречается крайне редко. В общем случае, существует бесконечное множество конкретных реализаций райсовского и рэлеевского каналов, отличающихся числом учитываемых отраженных лучей и их характеристиками. Но для обеспечения единства измерений помехоустойчивости и возможности сопоставления их результатов в стандарте па систему БУВ-Т приняты модели райсовского и рэлеевского каналов с АБГШ, содержащие по 20 отраженных лучей [2]. Параметры этих стандартных моделей (обозначаемых также, как Г1С20, Ю_,20) закладываются в специализированную измерительную аппаратуру, моделирующую реальный тракт распространения сигнала. Случаю фиксированного приема на наружную направленную антенну, расположенную на крыше, соответствует модель райсовского канала, у которого статистические свойства отраженных лучей описываются распределением вероятностей Райса. Модель рэлеевского канала применяется в случае приема на портативное оборудование (вне помещений и внутри помещений) и подвижного приема при отсутствии прямой видимости передатчика. Статистические свойства отраженных лучей описываются распределением вероятностей Рэлея. В стандарте на систему DVB приведены табулированные значения отношения CIN - мощности сигнала на несущей к спектральной плотности аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), требуемого для достижения в различных режимах и условиях вещания вероятности ошибки на выходе декодера Витерби, равной 2-10"4 [ ]. Именно это значение является критерием квазибезопшбочноп работы (QEF) системы DVB. Flo вмесче с тем, для адекватной оценки помехоустойчивости необходимо получение реальных зависимостей коэффициента ошибок по битам (КОБ; BER) от отношения несущая/шум CIN для выбранного режима вещания и сопоставить их для ряда режимов в случае воздействия АБГШ, импульсных помех или их комбинации. Кроме того необходимо выявить специфику действия каждого из шумов на структуру OFDM модулированного сигнала. Ниже приведены результаты таких исследований, выполненных по заказу Роспечати на модели тракта вещания системы DVB.
Разработка устройства подстройки частоты приема к центральной частоте радиоканала в системе DVB-T2
Иллюстрация работы данного метода представлена на рисунке 3.6 (вариант с отсутствием искажений вносимых каналом связи).
На рисунке 3.6 изображена кривая зависимости G(n). Эта зависимость была построена для пяти символов, что явно видно из рисунка. В данном случае интервал, на котором происходит нахождение суммы выражения 15, точно равен длине защитного интервала. Как следует из рис 3.6 в данном случае имеет место относительно эффективное выделение центров защитных интервалов для каждого символа.
Однако метод идентификации координат символа на основе соотношения (15) имеет недостатки. С одной стороны, это высокая вычислительная сложность, которая ограничивает область его применения в недорогих бытовых приемниках сигналов, так как необходимо осуществить вычисление зависимости G(n) на интервале, превышающем длительность защитного интервала. С другой стороны, неопределённость на приёмной стороне канала связи в отношении длительности защитного интервала не позволяет конкретизировать протяжённость участка, на котором осуществляется рассмотренная интегральная обработка сигнала OFDM.
Причём в случае превышения интервалом обработки длительности защитного интервала возникают трудности с локализацией фронтов полученных в пределах зависимости G(n) импульсов, определяющих участки с возрастанием уровня. Последнее, естественно, отражается погрешностями вычисления необходимых координат сигнала символа. Этот случай проиллюстрирован на рисунке 3.12 справа, где длина защитного интервала равна 1/16, а участок анализа равен 1/4. В случае же уменьшения протяжённости интервала обработки, по отношению к реальной длительности защитного интервала, наряду с пропорциональным уменьшением длительности фронтов импульсов падает их относительная амплитуда, и возникают вероятность ложной идентификации координат символа (рисунок 3.12 справа, длина защитного интервала равна 1/4, а участок анализа равен 1/16).
Таким образом, возникает задача точного вычисления длительности защитного интервала по принятому сигналу. Известно, что в системе вещательного телевидения ОУВ-Т имеется возможность использования одного из четырех длин защитного интервала, длительность которого составляет 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32. Сохраняется возможность параллельного нахождения зависимости, описываемой выражением 15, и получения четырех характеристик, среди которых можно выделить одну, имеющую форму, максимально приближенную к треугольной.
Вариант вычисления четырех характеристик усложняет реализацию алгоритма в разы. И в то же время точное определение длины защитного интервала начала символа в системе ЭУВ-Т может проходить с повышением точности от символа к символу.
В системе БУВ-Т2 рассматриваемая задача трансформируется в необходимость использования особенностей структуры символа Р1 (описана в Главе 1) для выделения его границ и декодирования. Декодирование необходимо для получения информации о структуре символа Р2 и других символов, следующих за ним. В отличие от системы первого поколения, в системе БУВ-Т2 обнаружение символа Р1 и выделение информации;, закодированной в нем, желательно реализовывать при первом его обнаружении из-за редкого появления и относительно, короткой, длительности; данного- символа в структуре кадра системы ОУВ-Т2.
Определение координаты начала символа системы DVBКак было замечено в предыдущем пункте, метод прямого использования формулы (15) в целях выявления начала символа является малоэффективным по причине его высокой вычислительной сложности и необходимости информации о длине защитного интервала. Существует возможность упрощения вычислительной сложности, но при этом вычисление зависимости будет происходить минимум по двум символам OFDM системы DVB. Работу данного алгоритма можно разбить на два этапа, каждый из которых проходит на отдельном символе. На первом этапе определяется приблизительное положение защитного интервала и его длина, в то время как на втором этапе реализуют точное вычисление начала символа и, как отмечалось раньше, точность вычисления может повышаться от символа к символу.
Работу алгоритма на пером принятом символе иллюстрирует рисунок 3.8. На нем изображен результат работы первого этапа алгоритма для режима вещания 8к и длины защитного интервала равного 1/4 от длины символа. По оси абсцисс отложены номера принятых из эфира отсчетов сигнала OFDM.
На первом этапе происходит анализ полученного сигнала на интервале времени равном сумме длины символа и максимально возможного защитного интервала. Анализ, применяемый в данном случае, близок к анализу, описываемому выражением (15), с той разницей, что интервал, на котором он происходит равен минимальной длине защитного интервала, измеряемого в отсчетах, а шаг анализа равен его половине. В результате для системы DVB получается совокупность дискретных значений, отстоящих друг от друга на 256 отсчетов. Полученная характеристика проиллюстрирована верхним графиком рис. 3.8. Длину интервала, на котором осуществляется анализ, целесообразно брать раной длине символа плюс две длины защитного интервала.
На следующем этапе обработки происходит ограничение по пороговому уровню и присвоение всем элементам, превышающим (по уровню) порог, значения, равного единице. Эти процессы можно наблюдать на втором и третьем графике рис. 3.8 соответственно. Необходимость присвоения значений, равных единице, обусловлена неравномерностью распределения уровней отсчётов полученной характеристики, возникающей из-за псевдослучайного распределения значений исходных отсчётов, передаваемых в сигнале OFDM, и выбора короткого интервала анализа.
