Стандарт DVB-T2

Стандарт цифрового телебачення DVB-T2

Стандарт цифрового телебачення DVB-T2, розроблений консорціумом Digital Video Broadcasting Project (DVB), володіє цілим рядом чудових можливостей, реалізованих в мережах цифрового телемовлення європейських країн.

Приймання цифрового сигналу DVB-T2

Приймання цифрового сигналу DVB-T2 здійснюється ефірною колективною або індивідуальною (зовнішньою чи кімнатною) антеною, яка підключається до різних приймачів:

  • телевізора з вбудованим декодером DVB-T2;
  • ресивера (ТВ-приставка) DVB-T2;
  • ТВ-тюнера DVB-T2 для комп'ютера;
  • спеціалізованого обладнання для ремультиплексування та ретрансляції в мережі з іншими DVB-стандартами мовлення.

Стандарт DVB-T2 дозволяє надавати різні цифрові сервіси та послуги:

  • багатоканальне мультиплексування;
  • телебачення стандартної чіткості SDTV в форматах зі співвідношенням сторін екрану 4:3 і 16:9;
  • телебачення високої чіткості HDTV;
  • телебачення надвисокої чіткості UHDTV;
  • 3D-телебачення в стандарті DVB ​​3D-TV;
  • інтерактивне гібридне телебачення в стандарті Hbb TV;
  • відео за запитом;
  • телегід;
  • телетекст;
  • субтитри;
  • стереозвук;
  • об'ємний звук;
  • звук Dolby Digital;
  • мультізвук (вибір мови мовлення);
  • цифрове радіо;
  • синхронізація часу і дати з цифровим телемовленням;
  • передача даних у стандарті DVB-DATA;
  • прямий і зворотний канал зв'язку для інтерактивних сервісів в стандартах DVB-RCS і DVB-RCT;
  • широкосмуговий доступ в Інтернет;
  • система оповіщення.

У цьому переліку представлені всі цифрові сервіси та послуги DVB-T2. Багато цифрових сервісів та послуг є інтерактивними.

Технічні характеристики стандарту DVB-T2

Комерційні вимоги до стандарту DVB-T2 (англ. Digital Video Broadcasting - Second Generation Terrestrial), європейського стандарту ефірного наземного цифрового телебачення такі:

  • трансляції DVB-T2 повинні прийматися на наявні домашні антени, і перехід на новий стандарт не повинен вимагати зміни інфраструктури передавальної системи;
  • DVB-T2 в першу чергу повинен бути орієнтований на передачу сигналу для фіксованих і портативних антен;
  • DVB-T2 повинен забезпечити, як мінімум, 30%-ий приріст пропускної здатності каналів щодо вже використовуваного стандарту DVB-T при ідентичних умовах передачі;
  • DVB-T2 повинен допускати можливість співіснування в одному РЧ-каналі послуг, переданих з різним ступенем завадостійкості. Наприклад, частина послуг, що транслюються по одному каналу шириною 8 МГц, може бути призначена для приймання на спрямовані антени, встановлені на дахах, а частина - для приймання на кімнатні портативні антени;
  • DVB-T2 повинен підвищити гнучкість використання смуги і частот;
  • повинен бути присутнім механізм, що знижує співвідношення пікової та середньої потужності переданого сигналу. Це дозволить знизити експлуатаційні витрати.

Стандарт DVB-T2 був остаточно прийнятий в червні 2008 року.

Базові принципи стандарту DVB-T2

Основний принцип розробки стандартів сімейства DVB полягає в тому, що вони повинні бути максимально сумісні один з одним, а перетворення сигналу при його перекладі з одного формату в інший (наприклад, з DVB-S2 в DVB-T2) повинно бути максимально простим. Відповідно, при розробці нових стандартів, по можливості, повинні використовуватися ті ж механізми, що і в чинних стандартах.

Тому дві ключові технології DVB-T2 запозичені зі стандарту DVB-S2. Це:

  • системна архітектура транспортних потоків, в першу чергу, інкапсуляція даних в низькочастотні Base Band (BB) пакети;
  • використання завадозахисні коду з низькою щільністю перевірок на парність Low Density Parity Check Codes - LDPC.

Велика частина рішень, використана при розробці DVB-T2, була спрямована на максимальне збільшення пропускної здатності каналів. Ряд характеристик - нові розмірності FTT і захисних інтервалів, а також нові режими введення пілот-сигналів, були введені для можливості оптимізації параметрів залежно від характеристик конкретного каналу.

Специфікація стандарту DVB-T2

Схема завадостійкого кодування (FEC) і Base Band (BB) кадрів:

Struktura_kadru_dvb-t2

Як показано на рис. 1, передані дані пакетуються в BB-кадри, заголовок яких містить інформацію про характер даних. Потім дані закриваються LDPC FEC, аналогічного тому, який застосовується в DVB-S2. Для усунення помилок, що залишилися після LDPC-декодування, дані додатково захищаються коротким кодом Боуза-Чоудхурі-Хоквінгема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) BCH.

Повна довжина кадру з накладеним завадозахисним кодуванням становить 64800 біт. Цей кадр є базовим блоком системи DVB-T2 В рамках стандарту DVB-T2 частка контрольних біт завадозахисні кодів може коливатися від 15 до 50%. Як опція допускається і більш короткий варіант FEC-кадру - довжиною в 16 200 біт. Він може застосовуватися для зменшення затримок приймання низькошвидкісних послуг.

Дані, що передаються усередині ВВ-кадру, як правило, являють собою послідовність транспортних пакетів MPEG-2. Водночас, поля сигналізації в заголовку BB-кадру повністю сумісні з системою інкапсуляції IP-пакетів по новому DVB-протоколу під назвою Generic Stream Encapsulation.

Тестова імітація роботи завадозахисту на базі LDPC показала істотне підвищення завадозахищеності в порівнянні з захистом, що використовуються в DVB-T, тобто надточне кодування в поєднанні з кодом Ріда-Соломона. Виграш може становити до 3 дБ для типового рівня помилок і при однаковій частці контрольних символів. По суті, це поліпшення дозволяє підвищити пропускну здатність каналу приблизно на 30%.

Модуляція в DVB-T2

При розробці DVB-T2 проводилися порівняння декількох варіантів модуляції з однієї або множинними несучими. У результаті був обраний варіант OFDM c захисними інтервалами (GI-OFDM), який використовується в DVB-T.

У GI-OFDM кожен символ передається на великій кількості ортогональних несучих, модульованих одночасно по фазі і амплітуді. Зокрема, DVB-T передбачає два режими - 2К і 8К. Ці цифри показують розмірність FFT (швидкого перетворення Фур'є), використовуваного для формування сигналу з множинними несучими. Фактична кількість несучих, використовуваних для передачі даних, дещо менше. Для захисту сигналів (тобто кожної несучої, використовуваної для передачі даного символу) від спотворення в умовах багатопроменевого поширення введено дублювання кінця кожного символу в захисному інтервалі, що передує передачу цього символу. Принцип показаний на рис. 2.

Zachysni_intervaly_dvb-t2

Довжина захисного інтервалу вибирається залежно від розрахункової протяжності ефірного тракту та інших параметрів мережі передачі. Довші захисні інтервали потрібні в одночастотних мережах, де сигнали з сусідніх передавачів можуть приходити на приймач із значним запізненням щодо основного сигналу. Захисний інтервал являє собою надбудову, що з'їдає частку транспортного ресурсу. У DVB-T ця надбудова може займати до 1 \ 4 загального обсягу переданих даних. Щоб можна було подовжити захисний інтервал без збільшення його частки в загальному обсязі даних в DVB-T2 були введені два нових режиму - 16К і 32К - з відповідним збільшенням числа ортогональних несучих. Рис. 3 ілюструє перехід до режиму з великим числом піднесучих. У даному випадку абсолютна величина захисного інтервалу зберігається, але його частка в загальному обсязі знижується.

Dovgi_symvoly_dvb-t2

Максимальна тривалість захисного інтервалу в DVB-T2 досягається в режимі 32К при відношенні GI і довжини всього символу 19/128. Тривалість GI при цьому перевищує 500 мкс, чого цілком достатньо для будівництва великої загальнодержавної одночастотної мережі.

Таким чином, DVB-T2 пропонує більш широкий ряд розмірностей FFT і захисних інтервалів. А саме:

  • розмірності FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K;
  • відносна тривалість захисних інтервалів: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.

Як вже зазначалося, в OFDM кожна несуча модулюється по фазі та амплітуді. Вища модуляція стандарту DVB-T, 64 QAM, забезпечує передачу 6 біт одним символом (модульованим елементом однієї несучої).

Вища модуляція в DVB-T2 збільшена до 256 QAM, вона дозволяє передавати одним символом 8 біт. Не зважаючи на те, що цей тип модуляції більш чутливий до помилок, обумовленим шумом, тестова імітація показала, що LDPC FEC забезпечує 30%-ве збільшення ефективності використання каналу в порівнянні з DVB-T при типових умовах передачі.

Нові режими, що з'явилися в DVB-T2, - 16К і 32К - мають значно більш крутий спад позасмугових складових, ніж режим 2К. Як показано на рис. 4, це дозволяє розміщувати несучі ближче до стандартної спектральної маски, яка накладається на сигнали DVB-Т у смузі 8 МГц. Таке розширення смуги дозволяє передати ще 2% додаткових даних.

Kryvi_spektru_sygnaliv_dvb-t2

Розподілені пілот-сигнали DVB-T2

У системах OFDM використовуються розподілені пілот-сигнали. Вони являють собою модульовані елементи, певним чином рознесені по несучих і в часі. Приймачу відомі параметри модуляції пілот-сигналів, і він може використовувати їх для оцінки стану каналу. У DVB-T кожен дванадцятий модульований елемент є пілот-сигналом, тобто вони займають 8% у загальному обсязі даних. Ця пропорція використовується при будь-яких варіантах захисних інтервалів, і розміщення пілот-сигналів має бути таким, щоб дозволити вирівняти сигнали із захисним інтервалом 1 \ 4. Однак для менших захисних інтервалів добавка пілот-сигналів в кількості 8% виявляється надлишковою. Тому в DVB-T2 введені вісім різних варіантів розміщення. Кожному варіанту відносної тривалості захисного інтервалу відповідає кілька можливих опцій розміщення пілот-сигналів. Вони динамічно вибираються залежно від поточного стану каналу, що дозволяє оптимізувати їх кількість. На рис. 5 показані два можливих варіанти розміщення.

Pilot-sygnaly_DVB-T2

Більш щільне розміщення пілот-сигналів може використовуватися для зниження необхідного рівня С / N на вході приймача або для поліпшення синхронізації. В останньому випадку пілот-сигнали модулюються псевдовипадковою послідовністю.

Диференційована завадостійкість окремих послуг і структура кадру DVB-T2

Комерційні вимоги до DVB-T2 включали забезпечення різних рівнів завадостійкості для різних послуг. Це може забезпечуватися використанням різних схем модуляції і ступеня завадостійкого кодування. У DVB-T2 це досягається шляхом угруповання OFDM-символів всередині кадру, так що кожна послуга передається цільним блоком, що займає в кадрі певний слот. Цей принцип ілюструється на рис. 6

Struktura_kadriv_DVB-T2

Початок кадру DVB-T2 індукується коротким OFDM-символом P1, що являє собою 1K OFDM-символ з повторами початку і кінця символу на сусідніх несучих (тобто із зсувом по частоті), як це показано на рис. 7. Така структура символу P1 з одного боку дозволяє легко його виявити, а з іншого виключає можливість імітації символу якимось фрагментом основного кадру.

Ilustracia_symvolu_DVB-T2

Це забезпечує простий і надійний механізм виявлення трансляції DVB-Т2-ресивером, скануючим спектр в режимі пошуку, а також швидке захоплення ресивером частоти і 6-бітної сигналізації (наприклад, для визначення розмірності FFT в кадрі DVB-T2).

Стандартна тривалість кадру - близько 200 мс, а надбудова, що вимагається для передачі інформації про структуру кадру, як правило, займає менше 1%.

Перемежування в DVB-T2

У DVB-T2 використовується три каскади перемежування. Це практично гарантує, що спотворені елементи, у тому числі при пакетних помилках, після деперемежування в декодері будуть розкидані по LDPC FEC-кадру. Це повинно дозволити кодеру LDPC виконати відновлення.

Перерахуємо ці каскади:

а) бітовий перемежувач: рандомізує (розподіляє випадковим чином) біти в межах FEC-блоку;

б) тимчасової перемежувач: перерозподіляє дані FEC-блоку по символах в рамках кадру DVB-T2. Це підвищує стійкість сигналу до імпульсного шуму і зміни характеристик тракту передачі.

с) частотний перемежувач: він рандомізує дані в рамках OFDM-символу з метою послабити ефект селективних частотних завмирань.

Поворот констеляційного сузір'я в DVB-T2

У DVB-T2 використовується новаторська техніка повороту констеляційного сузір'я (дві точки сузір'я, розміщені в кожному квадранті, показують один символ сигналу з верхнім пріоритетом, а накладення сигналу здійснюється зрушенням символів в констеляційному поле по колу на кут ± q на певний кругової кут). Такий поворот може істотно підвищити стійкість сигналу при типових проблемах ефіру. За рахунок повороту діаграми на точно підібраний кут кожна точка сузір'я набуває унікальні координати (u1 і u2), що не повторюються іншими точками. Принцип показаний на рис. 8.

Kosteliaciyne_suzir'a_DVB-T2

Кожна координата точки обробляється в модуляторіе окремо, і вони передаються в OFDM-сигналі окремо один від одного, змішуючись з u2 і u1 іншого символу (тобто u2 і u1 можуть передаватися на різних OFDM-несучих і в різних OFDM-символах).

У приймачі u2 і u1 знову об'єднуються, формуючи вихідне констеляційне сузір'я, зрушене по кругу. Таким чином, якщо одна несуча або символ будуть втрачені в результаті інтерференції, збережеться інформація про другій координаті, це дозволить відновити символ, хоча і з більш низьким рівнем співвідношення сигнал / шум. При використанні симетричного (не повернутого) констеляційного сузір'я рознесення u2 і u1 сенсу не має тому, що символ може бути розпізнаний тільки за поєднанням двох координат. Кожна з них окремо має двійників, і унікально тільки їх поєднання.

harakterystyk_DVB-T2

Тестова імітація показала, що виграш в С / N за рахунок застосуванням цієї техніки може доходити до 5 дБ.

Багатоканальне приймання в DVB-T2

DVB-T2 включає факультативну можливість використання коду Аламоуті3, який створює можливість приймання від двох передавачів. У тих випадках, коли ресивер «бачить» сигнал відразу від двох передавачів, наприклад, при прийманні на ненаправлену антену в невеликій одночастотній мережі, його застосування може значно поліпшити роботу системи. Це кодування спільно зі зміною формату пілот-сигналів дає можливість без втрат розділити і окремо декодувати сигнали, прийняті з двох різних ефірних каналів. Причому накладення коду не погіршує приймання, якщо антені доступний тільки один канал. Попередні розрахунки показали, що ця техніка дозволяє збільшити зону покриття невеликих одночастотних мереж до 30%.

Зменшення пікової та середньої потужностей передачі в DVB-T2

Значну частку витрат на передачу становить вартість електрики, живлячої передавачі. OFDM-сигнали характеризуються відносно високим відношенням пікової та середньої потужностей. У зв'язку з цим в DVB-T2 включені дві технології, що дозволяють знизити це відношення приблизно на 20%. А це, в свою чергу, істотно знижує витрати на електроживлення. Йдеться про наступні дві технології:

  • резервування тону - в цьому випадку 1% несучих залишається в резерві, і не переносять ніяких даних, але може використовуватися передавачем для введення сигналів, розмазувати піки;
  • активне розширення констеляційного сузір'я - в цьому випадку частина крайніх точок сузір'я відводиться далі від центру так, що це зменшує піки сигналів. Через те, що зміни стосуються тільки крайніх точок, які переводяться в область, вільну від інших точок, це не робить істотного впливу на здатність ресивера декодувати дані.

Додаткові функції в DVB-T2

Майбутнє розширення кадрів DVB-T2

Специфікація DVB-T2 включає два додаткових інструменти, які в перспективі можна буде використовувати для розширення кадру. По-перше, структура кадру DVB-T2 передбачує можливість введення сигналізації для ще неіснуючих типів кадрів, які будуть призначені для поки ще не визначених типів сигналів (рис. 10).

Kadry FEF

Тобто зміст цих кадрів FEF (Future Extension Frames) поки не визначено. Включення відповідної сигналізації в специфікацію DVB-T2 дозволить ресиверів першого покоління розпізнати і проігнорувати FEF-фрагменти. Але заброньоване вже сьогодні місце забезпечить зворотну сумісність перших систем передачі з майбутніми, в яких ця сигналізація буде переносити інформацію про нові типи вмісту.

Частотно-часова сегментація в DVB-T2

DVB-T2 також включає сигналізацію, необхідну для майбутнього застосування частотно-часового розподілу на слоти (TFS - Time Frequency Slicing). Хоча основна специфікація передбачає приймання без застосування TFS, в сигналізацію включені позначки, які дозволять майбутнім ресиверам, оснащеним двома тюнерами, працювати з TFS-сигналами. Такий сигнал буде займати кілька РЧ-каналів, і різні фрагменти кожної з послуг будуть в загальному випадку передаватися на різних частотах. Ресивер буде стрибками переналаштовуватись з каналу на канал, збираючи фрагменти даних, що відносяться до прийнятої послуги. Це дозволить формувати пакети з розмірами, що значно перевищують допустимі для одного РЧ-каналу, що, в свою чергу, дасть можливість виграшу за рахунок статистичного мультиплексування значної кількості каналів і гнучкості частотного планування.

Пропускна здатність системи DVB-T2

Пропускна здатність системи DVB-T2 визначається вибором цілого ряду системних параметрів. Для цієї мети передбачено безліч опцій, і про конкретні конфігурації приймачі будуть інформуватися за допомогою сигналізації. Вибір параметрів являє собою процедуру оптимізації роботи системи, наприклад, пошук компромісу між часткою службової інформації та часом перемикання з каналу на канал або між пропускною здатністю і стійкістю до перешкод.

Широкий набір конфігурованих параметрів також ускладнює порівняння з іншими системами. Так, наприклад, якщо порівнювати DVB-T2 з DVB-T, то для першого можуть бути обрані параметри, що забезпечують таку ж поведінку сигналу в стандартному гауссівському каналі, але припускають велику стійкість DVB-T2 в умовах складного приймання. Такий варіант вже відповідає значно більш високій пропускній здатності каналу DVB-T2 в порівнянні з DVB-T. Проте можна вибрати і варіант з трохи нижчими показниками для гауссівського каналу, але як і раніше (як очікується) з дещо вищими для каналів зі складними умовами приймання. У цьому випадку приріст пропускної здатності буде ще більшим.

Порівняльні характеристики систем з однаковим поведінкою в гауссівському каналі представлені в таблиці 1. Як можна бачити, очікуваний приріст пропускної здатності щодо британського варіанту DVB-T складе близько 49%. Це результат теоретичних оцінок, оскільки в момент написання цього матеріалу можливості перевірити роботу системи на реальному обладнанні в лабораторії або польових умовах не було.

Tablycia_DVB-T2

Висновок

У цьому матеріалі викладені основні положення нового стандарту DVB-T2. Він розроблявся на базі не тільки DVB-T, але також і DVB-S2 технології, які вже підтвердили свою ефективність на практиці. Додатково, у DVB-T2 з'явилося кілька нових механізмів, що враховують особливості ефірної передачі. Крім того, була розширена лінійка базових параметрів, що дозволяє оптимізувати розмір службово-контрольної надбудови кадрів. Очікується, що все це в комплексі призведе до значного збільшення пропускної здатності і одночасно підвищить стійкість системи, що дозволить побудувати оптимальну мережу для передачі телебачення високої чіткості.

Українська

Додати новий коментар

Користувацький пошук