Формат DVB-T2 является улучшенным и функционально расширенным последователем формата DVB-T. Сравнительные характеристики обеих систем, заимствованные из соответствующих стандартов, представлены в табл. 1. 

В DVB-T2 [1] сохранены основные идеи обработки цифрового сигнала, реализованные в DVB-T: скремблирование, перемежение, помехоустойчивое кодирование, тип модуляции, но при этом каждый вид обработки данных усовершенствован и дополнен.

Две ключевые технологии DVB-T2 заимствованы из стандарта DVB-S2 [2], а именно:

• системная архитектура транспортных потоков, в первую очередь инкапсуляция цифровых данных в низкочастотные BaseBand-кадры (BB);
• использование помехозащитного кода с низкой плотностью проверок на четность LowDensityParityCheck-Codes (LDPC).

В DVB-T2 заголовок ВВ-кадра (рис. 1) содержит информацию о характере данных. Затем идут собственно цифровые данные ВВ-кадра, после чего следуют контрольные биты помехоустойчивого кодирования LDPC (LowDensityParityCheckCodes). Для устранения ошибок, оставшихся после LDPC-декодирования, информационные цифровые данные дополнительно защищаются коротким BCH-кодом (код Боуза – Чоудхури – Хоквенгема). 

Полная длина кадра с битами помехоустойчивого кодирования FEC (ForwardErrorCorrection) составляет 64 800 бит. При этом доля бит помехоустойчивого кодирования может колебаться от 15 до 50% от общего их числа в FEC-кадре. Допускается и более короткий вариант FEC-кадра длиной в 16 200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек при приеме услуг. Данные, передаваемые внутри ВВ-кадра, как правило, представляют собой последовательность транспортных пакетов стандарта MPEG-2. В то же время поля сигнализации в заголовке BB-кадра полностью совместимы с системой инкапсуляции IP-пакетов по DVB-протоколу под названием Generic-StreamEncapsulation (GSE). Тестовая имитация работы помехоустойчивого кодирования на базе контрольных битов LDPC показала существенное повышение помехозащищенности по сравнению с защитой цифровых данных, используемой в DVB-T, то есть по сравнению со сверточным кодированием (СК). Зависимости коэффициента битовых ошибок (BER) от отношения “сигнал/шум” представлены на рис. 2. Здесь приведены сравнительные данные для обоих случаев. 

Видно, что коды LDPC и BCH обеспечивают более высокую помехоустойчивость, чем коды РС и СК, что позволяет передавать большее количество информации в канале. В DVB-T2 дополнительно введены относительные скорости кодирования 3/5 и 4/5. Выигрыш в отношении “сигнал/шум” за счет использования новых методов помехоустойчивого кодирования для стандарта DVB-T2 при идентичном значении BER составляет примерно 5 дБ.

Кроме помехоустойчивого кодирования, в системе DVB-T2 используется три каскада перемежений. Это практически гарантирует, что искаженные элементы, в том числе при пакетных ошибках, после процедуры деперемежения, выполняемой в декодере, будут раскиданы по FEC-кадру. Это должно позволить декодеру LDPC выполнить восстановление исходных данных без искажений. Перечислим каскады перемежения:

• битовое перемежение, оно осуществляет данную процедуру в пределах каждого FEC-блока;
• временное перемежение – производит процесс перемежения данных FEC-кадра по символам модуляции, что повышает устойчивость сигнала к импульсным помехам и к изменению характеристик радиоканала;
• частотное перемежение – перераспределяет цифровые данные по разным несущим частотам OFDM-символа с целью ослабления влияния селективных частотных замираний в радиоканале.

Ряд опций (новые размерности FFT, величины защитных интервалов, а также новые варианты расположения пилот-сигналов) введен для получения лучшей оптимизации параметров радиоканала в зависимости от его изменяющихся характеристик.

В DVB-T2 [3] инкапсуляция данных может выполняться не только в транспортном потоке MPEG-TS, но и в транспортном потоке общего назначения GSE (GenericStreamEncapsulation), что позволяет снизить объем передаваемой служебной информации и сделать адаптацию транспортного потока к сети более гибкой. По сравнению с DVB-T в DVB-T2 привязки к какой-либо структуре данных на уровне транспорта не существует.

В DVB-T вся полоса частот радиоканала используется для передачи одного транспортного потока (однопоточный режим работы). В отличие от этого в DVB-T2 применяется концепция каналов физического уровня PLP (PhysicalLayerPipes) – передача в одном канале нескольких логических каналов. В DVB-T2 возможны два режима работы: с передачей одного PLP – режим A (single PLP), с передачей нескольких PLP (multi PLP) – режим B. В режиме B несколько транспортных потоков передаются одновременно, причем каждый из них помещается в свой канал физического уровня PLP. Это позволяет обеспечить сосуществование в одном радиоканале услуг (данных), передаваемых с разной степенью помехозащищенности за счет выбора в них разных режимов модуляции и помехоустойчивого кодирования (рис. 3). Иными словами, оператор может выбирать разную скорость передачи цифровых данных, разную помехозащищенность и соответственно разный объем цифровых данных (информации), передаваемых в каждом канале физического уровня PLP. Приемник же декодирует только выбранный PLP и отключается на время передачи других PLP, которые не интересуют абонента, что обеспечивает энергетическую экономию. 

В одночастотных сетях DVB-T2 может поддерживаться технология MISO (MultipleInput – SingleOutput), использующая кодирование Аламоути. В этом случае данные одной и той же программы распределяются по множеству несущих частот. Формат DVB-Т2 включает также возможность раздельного приема сигналов от двух передатчиков. В тех случаях когда приемнику доступен сигнал сразу от двух передатчиков, например при приеме на ненаправленную антенну в небольшой одночастотной сети, это может значительно улучшить работу системы: возможность без потерь разделить и отдельно декодировать сигналы, принятые от двух разных эфирных передатчиков. Предварительные расчеты показали, что эта техника позволяет увеличить зону покрытия небольших одночастотных сетей до 30%.

В системе DVB-Т2 выбран вариант OFDM-модуляции с защитными интервалами (GI-OFDM), который используется и в системе DVB-T. В GI-OFDM каждый блок цифровых данных передается на большом количестве ортогональных несущих частот, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде (модуляция OFDM/QAM). При этом формат DVB-T предусматривает только два режима работы модулятора – 2K и 8K (K = 1024). Эти цифры отражают размерность обратного преобразования Фурье (IFFT), используемого для формирования сигнала с множеством ортогональных несущих частот. Однако фактическое количество несущих частот, используемых для передачи цифровых данных, несколько меньше. Для защиты сигналов модулированных несущих частот (то есть каждой несущей частоты, используемой для передачи данного символа) от возможных искажений в условиях многолучевого распространения введено дублирование конца каждого OFDM-символа в защитном интервале, предшествующем его передаче, что показано на рис. 4. 

Длина защитного интервала OFDM-символа выбирается в зависимости от протяженности радиоканала и других параметров сети передачи. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных вещательных сетях, где сигналы с соседних передатчиков могут приходить в точку приема со значительным запаздыванием относительно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой надстройку, съедающую долю транспортного ресурса. В DVB-T эта надстройка может занимать до 1/4 общего объема передаваемых данных. Для удлинения защитного интервала без увеличения его доли в общем объеме данных в DVB-Т2 были введены два дополнительных режима работы при формировании OFDM-символа. Это режимы 16K и 32K (для увеличения числа ортогональных несущих частот). Рис. 5 иллюстрирует переход к режиму с большим числом несущих частот в OFDM-символе. При этом, что важно, длина защитного интервала OFDM-символа сохраняется прежней, но его доля в общей длительности OFDM-символа снижается. 

Максимальная длительность защитного интервала в системе DVB-Т2 имеет место в режиме 32K при соотношении защитного интервала GI и длины всего символа, равной 19/128. В этом случае длительность защитного интервала GI превышает 500 мкс, что вполне достаточно для строительства крупной одночастотной сети. Таким образом, формат DVB-Т2 предлагает более широкий ряд размерностей FFT и защитных интервалов:

• размерности FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K, где К = 1024;
• относительная длительность защитных интервалов: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4.

Как уже отмечалось выше, каждая несущая частота OFDM-символа модулируется по фазе и амплитуде. В системе DVB-T каждый символ модуляции содержит шесть разрядов при модуляции OFDM/64-QAM, в отличие от этого в DVB-T2 наибольшая длина символа модуляции составляет восемь разрядов (модуляция OFDM/256-QAM). Несмотря на то что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом канала, тестовые испытания показали, что применение помехоустойчивого кодирования LDPC в FEC-кадре обеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования канала по сравнению с DVB-T.

Для увеличения пропускной способности канала, кроме введения режима модуляции OFDM/256-QAM и размерностей быстрого преобразования Фурье (FFT) 16K и 32K, также добавлены новые значения защитных интервалов: 1/128, 19/128, 19/256. Заметим, что появившиеся в DVB-Т2 новые режимы работы (16K и 32K) имеют более крутой спад внеполосных составляющих, чем это свойственно режиму 2K. Это обстоятельство (рис. 6) позволяет размещать несущие соседних каналов ближе к стандартной спектральной маске излучения, которая накладывается на сигналы DVB-Т в полосе 8 МГц, или соответственно увеличивать пропускную способность радиоканала с полосой частот 8 МГц. 

В системах с OFDM-модуляцией, как известно, используются распределенные пилот-сигналы. Они представляют собой модулированные несущие частоты, определенным образом разнесенные по частоте и во времени. Приемнику известны параметры модуляции пилот-сигналов. В DVB-T каждый двенадцатый модулированный элемент OFDM-символа является пилот-сигналом, они занимают в общей сложности 8% в общем объеме данных. Эта пропорция используется при любых вариантах защитных интервалов в системе DVB-T. Однако для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8% оказывается избыточной. В отличие от этого в системе DVB-T2 количество пилот-сигналов может варьировать и составлять 1, 2, 4 и 8% в общем объеме данных. В DVB-T2 варианты размещения пилот-сигналов внутри OFDM-символа динамически выбираются в зависимости от текущего состояния канала, что позволяет оптимизировать их количество. На рис. 7 показаны два возможных варианта размещения пилот-сигналов. 

Более плотное размещение пилот-сигналов в OFDM-символе может использоваться для уменьшения требуемого для нормальной работы приемника отношения “сигнал-шум” или для улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются псевдослучайной цифровой последовательностью. Выбор схемы размещения пилот-сигналов в OFDM-символе зависит от величины его защитного интервала.

Еще одним новшеством в DVB-T2 является вращение сигнального созвездия, позволяющее улучшить помехоустойчивость системы. В табл. 2 приведены значения угла поворота созвездия в зависимости от типа модуляции несущих частот OFDM-символа. 

На рис. 8а изображено созвездие QPSK, а на рис. 8б – поворот этого созвездия. Нетрудно заметить, что каждый вектор такого созвездия (на рисунке точками показаны их вершины) после поворота приобретает свои индивидуальные координаты Ii и Qi, в то же время на диаграмме слева значения проекций для пар векторов совпали. В DVB-T2 в случае потери информации об одной из координат ее можно будет восстановить, поскольку каждому вектору соответствует своя уникальная проекция на ось Х. Очевидно, что одновременная потеря двух координат маловероятна. Каждая координата вектора сигнального созвездия обрабатывается в модуляторе отдельно, и они передаются в OFDM-сигнале также отдельно друг от друга, cмешиваясь с координатами сигнального созвездия другой несущей OFDM-символа, то есть координаты Ii и Qi одного и того же сигнального созвездия могут передаваться на разных OFDM-несущих и в разных OFDM-символах.

В результате перемежения координаты Ii и Qi передаются раздельно, что уменьшает вероятность их одновременной потери. Это существенно повышает помехоустойчивость системы. В приемнике координаты Ii и Qi опять объединяются, формируя исходное сигнальное созвездие, сдвинутое по кругу на определенный угол. Таким образом, если одна несущая или OFDM-символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, что позволит восстановить символ, хотя и с более низким уровнем отношения “сигнал/шум”. При использовании неповернутого созвездия разнесение его координат Ii и Qi смысла не имеет, потому что символ может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в отдельности имеет много двойников, и уникально только их сочетание.

Поворот сигнального созвездия дает выигрыш в отношении “сигнал/шум” на несколько децибел (рис. 9), он может доходить до 5 дБ. 

В качестве примера приведем также режимы работы с максимальной скоростью передачи цифровых данных. Для формата DVB-T это 8К, 1/32, 64-QAM, а для DVB-T2 – 32K, 1/128, 256-QAM (табл. 3). 

Для увеличения расстояния между передатчиками необходимо использовать более длинные защитные интервалы (табл. 4). 

Коммерческие требования к системе DVB-Т2 включают обеспечение различных уровней помехоустойчивости для разных видов услуг (блоков цифровых данных). Это достигается использованием разных схем модуляции и вариантов помехоустойчивого кодирования.

Значительную долю эксплуатационных расходов составляет стоимость электроэнергии, потребляемой передатчиками. OFDM-сигналы характеризуются относительно высоким отношением пиковой и средней мощностей (PAPR). Для уменьшения этого отношения в DVB-Т2 дополнительно включены две технологии, позволяющие снизить отношение PAPR примерно на 20%. А это, в свою очередь, существенно снижает расходы на электропитание, так как чем меньше значение PAPR, тем выше коэффициент полезного действия передатчика.

Речь о следующих двух технологиях:

• сохранение тона, TR (ToneReservation). В этом случае 1% несущих остается в резерве, не перенося никаких данных, но может использоваться передатчиком для введения сигналов, “размазывающих” энергетические пики;
• расширение активного сигнального созвездия ACE (ActiveConstella-tionExtension). В этом случае часть крайних точек созвездия отводится дальше от центра, так, что это уменьшает пики сигналов. Так как изменения касаются только крайних точек, уводимых в область, свободную от других точек, то это не оказывает существенного влияния на способность приемника декодировать данные.

Оба способа могут использоваться одновременно. Однако второй способ предпочтительнее для созвездий с меньшим числом векторов (QPSK), а первый – с большим числом позиций векторов при QAM. У каждого способа имеются и свои недостатки: использование ACE приведет к снижению отношения “сигнал/шум” на входе приемника, а применение технологии TR вызовет небольшое уменьшение емкости канала, поскольку предполагает использование части несущих частот для передачи специальных корректирующих сигналов.

И наконец, формат DVB-Т2 включает два дополнительных инструмента, которые в перспективе можно будет использовать для расширения кадра. Это кадры FEF (FutureExtensionFrames – кадры перспективного расширения). Для них определена только структура заголовка, содержимое не регламентируется (рис. 10). 

Итак, в результате всего вышеизложенного можно заключить, что внедрение в России стандарта DVB-T2, имеющего существенно лучшие параметры по сравнению с DVB-T, является вполне оправданным.

Литература

1. Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). ETSI EN 302 755 V1.3.1 (2011-11).
2. Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2). ETSI EN 302 307 V1.3.1(2012-11).
3. Digital Video Broadcasting (DVB); Modulator Interface (T2-MI) for a second generation digital terrestrial broadcasting television system (DVB-T2), ETSI TS 102 773 V1.1.1, June 2009.

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2014
Источник