Разработка возбудителя для осуществления канального кодирования и модуляции сигнала по стандарту DVB-T

дипломная работа

1.3 Современные цифровые технологии и особенности построения ТВ передатчиков для DVB-T

Поясним основные этапы обработки сжатых цифровых телевизионных сигналов и цифрового потока данных в передающем и приемном устройствах наземного телевизионного вещания в модификации стандарта DVB-T.

Аналоговые сигналы видео- и аудиоканалов поступают на вход своих кодеров, где преобразуются в сжатые цифровые сигналы стандарта MPEG-2. Далее три цифровых потока (видео, аудио и данных) поступают на блоки формирования программного потока MPEG-2 и мультиплексора. К мультиплексору подводятся опорные и синхронизирующие сигналы, позволяющие разделить на приемной стороне цифровые потоки видео-, аудиосигналов и данных, а также выделить сигналы, передаваемые для оценки состояния радиоканала и об используемых режимах модуляции.

Видеоканал. Видеоканал преобразуется в цифровой поток с помощью алгоритма MPEG-2. MPEG-2 - это целое семейство совместимых цифровых стандартов сжатия телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов (ISO/IEC 13818-2). В спутниковом вещании в настоящий момент используется так называемый основной уровень с форматом разложения на 576 строк в кадре и 720 отсчетов на строку. Для сжатия видеоданных строятся кадры трех типов. Кадры типа - I (interfarme) - это полные кадры, сжатые по методу, аналогичному JPEG. Такой метод позволяет добиться различной степени компрессии - выше сжатие - больше потерь качества изображения и наоборот. Кадры типа - Р (predicted - предсказанные) получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. В Р-кадрах, если сравнивать их с I-кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных. Кадры типа - В (bidirectional - двунаправленные) получаются четырьмя различными алгоритмами в зависимости от характера видеоданных. B-кадры содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

Звуковой канал. Звуковые каналы преобразуются в цифровой поток по нескольким алгоритмам. Вообще, звуковой канал с CD-качеством звука (дискретизация 44.1 кГц ) требует скорости передачи до 1400 бит/Сек, что недопустимо много. Использование сжатия по методу MPEG Audio Уровня 3 позволяет добиться сжатия аудиоданных в 4-12 раз. Уровень 1 сжимает данные 1:4 и требует скорости 384 кбит/Сек, Уровень 2 сжимает в 6-8 раз и требует скорости 256..192 кбит/Сек, а Уровень 3 - в 10-12 раз и требует 128..112 кбит/Сек для стереосигнала.

Синхронизация. Синхронизация обеспечивается эталонным генератором 27 МГц на приемной стороне. Для подстройки частоты и фазы эталонного генератора периодически должно передаваться Поле Эталонных часов - PCR (Program Clock Reference). Кроме того, как уже говорилось, видеопоток содержит Метки Времени DTS и PTS.

Стандарт сжатия видео изображения. MPEG-2 - это целое семейство взаимосогласованных совместимых цифровых подстандартов сжатия телевизионного сигнала с различной степенью сложности алгоритмов. Стандарт предусматривает 5 профилей:

1. Простой (simple) -- для реализации видеопотока без В-кадров

2. Главный (main) -- для реализации всех уровней, но без масштабируемости.

3. Масштабируемый по отношению сигнал/шум (SNR scalable)

4. Пространственно масштабируемый (spatiallyscalable)

5. Профессиональный (professional 4:2:2), пространственно масштабируемый и масштабируемый по отношению сигнал/шум.

Каждый из этих профилей можно подразделить на 4 уровня:

1. Низкий (LL)

2. Главный (ML)

3. Высокий 1440 (Н1440)

4. Высокий (HL)

В профиле простой используется наименьшее число операций: компенсация движения и гибридное дискретное косинусное преобразование (ДКП). Профиль главный содержит дополнительную операцию - предсказание по двум направлениям, что улучшает качество изображения.

Профиль, масштабируемый, по отношению сигнал/шум предусматривает повышение устойчивости системы при снижении отношения сигнал/шум. Поток видеоданных разделяют на две части:

Программный поток. Программный поток объединяет элементарные потоки, образующие телевизионную программу. При формировании программного потока образуются блоки из PES-пакетов в рис. 1. Блок содержит заголовок блока, системный заголовок (необязательный), за которым следует некоторое количество PES-пакетов.

Рис. 1. Формирование программного потока

Длина блока программного потока может быть произвольной, единственное ограничение - заголовки блока должны появляться не реже, чем через 0,7 секунды. Это связано с тем, что в заголовке содержится важная информация - опорное системное время. Системный заголовок содержит информацию о характеристиках программного потока, например, максимальная скорость передачи данных, число видео и звуковых элементарных потоков. Декодер использует эту информацию, для того, чтобы решить, может ли он декодировать этот программный поток.

Транспортный поток. Транспортный поток может объединять пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Он состоит из коротких пакетов фиксированной длины (188 байтов). Элементарные потоки видео, звука и дополнительных данных разбиваются на фрагменты, равные по длине полезной нагрузке транспортного пакета (184 байта) и мультиплексируются в единый поток, который приведен на рис. 2.

Это процесс подчиняется ряду ограничений:

- первый байт каждого PES- пакета элементарного потока должен быть первым байтом полезной нагрузки транспортного пакета; каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного PES-пакета;

- если PES-пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из транспортных пакетов не заполняется данными PES-пакета полностью. В этом случае избыточное пространство заполняется полем адаптации.

Рис. 2. Формирование транспортного потока

Рис. 3. Преобразование данных и телевизионных сигналов в передатчике DVB-T

Расщепление транспортного потока, в случае необходимости, позволяет сформировать два потока с разным уровнем приоритета. Поток, обозначенный пунктиром, имеет низший приоритет (несколько меньшую помехоустойчивость), но вместе с тем обеспечивает повышенную скорость передачи данных. Поток высшего приоритета имеет повышенную степень кодовой защиты от помех. Таким способом реализуется возможность передачи телевизионных программ в двух вариантах; программа низшего приоритета передается с повышенной четкостью (при хорошем прохождении сигналов качество изображения будет высоким). При плохом сигнале передается программа пониженной четкости, но с высшим приоритетом защиты, что позволяет обеспечить равноценное качество изображения. В случае изменения условий приема пользователь может переключать приемник с одного канала на другой, выбирая лучший.

Синхронизация. Принцип постоянной задержки. Кадры телевизионного изображения поступают на вход кодера MPEG-2 с постоянной частотой, точно с такой же частотой должны воспроизводиться кадры телевизионного изображения на выходе декодера приведена на рис. 4. Это означает, что общая задержка в системе, представляющая собой сумму задержек отдельных элементов системы, должна быть постоянной.

Рис. 4. Принцип компрессии с постоянной задержкой

Объем данных, необходимый для представления кодированных изображений, не является постоянной величиной. Он зависит от детальности изображения, от наличия быстро перемещающихся объектов, от способа кодирования (I,B и P изображения характеризуются разными объемами данных). Энтропийное кодирование формирует слова с переменной длиной. А для равномерной загрузки канала связи, данные должны следовать с постоянной скоростью. Проблема решается за счет использования буфера кодера (данные поступают в буфер с переменной скоростью, а выходят - с постоянной).

Кодированные изображения (блоки доступа), в силу отмеченных особенностей кодирования, поступают в декодер с переменной частотой, но воспроизводиться должны с постоянной частотой, равной частоте кадров. Проблема решается за счет буфера в декодере.

Рандомизация. Рандомизация (скремблирование) цифрового потока, что позволяет улучшить условия электромагнитной совместимости с другими системами.

Внешнее кодирование и перемежение. В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона [5]. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов. При декодировании на приемной стороне это позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта.

Внутреннее кодирование. Внутреннее кодирование в системе вещания DVB-T основано на сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым в процессе кодирования добавляется некоторое количество проверочных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других. При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но гораздо меньшей длины, их называют "кадрами информационных символов".

Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов. Внутреннее перемежение в системе DVB-T тесно связано с модуляцией несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные несущие колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он является основой принципов модуляции OFDM в системе DVB-T.

Допустим, что необходимо передать в одном радиоканале 4 ТВ-программы с высоким качеством изображения. В этом случае скорость цифрового потока для одной ТВ-программы может быть выбрана в пределах 7...8 Мбит/с, и соответственно для 4-х ТВ-программ необходимо передать цифровой поток 28...32 Мбит/с исходя из этих данных по табл. 2.

"right">Таблица 2

Вид модуляции

Биты на поднесущую

Внутренний коэффициент кодирования

Скорость кодирования

1/4

1/8

1/16

1/32

QPSK

2

Ѕ

4.98

5.53

5.85

6.03

2

2/3

6.64

7.37

7.81

8.04

2

ѕ

7.46

8.29

8.78

9.05

2

5/6

8.29

9.22

9.76

10.05

2

7/8

8.71

9.68

10.25

10.56

16-QAM

4

Ѕ

9.95

11.06

11.71

12.06

4

2/3

13.27

14.75

15.61

16.09

4

ѕ

14.93

16.59

17.56

18.10

4

5/6

16.59

18.43

19.52

20.11

4

7/8

17.42

19.35

20.49

21.11

64-QAM

6

Ѕ

14.93

16.59

17.56

18.10

6

2/3

19.91

22.12

23.42

24.13

6

ѕ

22.39

24.88

26.35

27.14

6

5/6

24.88

27.65

29.27

30.16

6

7/8

26.13

29.03

30.74

31.67

Сверточные коды с относительными скоростями: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8, в результате чего скорость цифрового потока после помехоустойчивого кодирования увеличится в число раз, равное единице, деленной на относительную скорость кода.

Исходя из этих данных табл. 2 не зависят от режима модуляции 8К или 2К, так как при переходе от режима 8К к режиму 2К с уменьшением числа несущих в 4 раза одновременно в 4 раза увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей.

"right">Таблица 3

Основные параметры системы с модуляцией COFDM

Модификация

Длительность рабочего интервала, мкс

896

224

Число несущих в спектре группового сигнала

6817

1705

Частотный разнос несущих, Гц

1116

4464

Ширина радиоспектра группового сигнала, МГц

7,61

7,61

Относительная длительность защитного интервала

1/4, 1/8, 1/16, 1/32

1/4, 1/8, 1/16, 1/32

Длительность защитного интервала, мкс

224; 112; 56; 28

56; 28; 14; 0

Длительность символа сообщения, мкс

1120; 1008; 952; 924

280; 252; 238; 231

Территориальный разнос между передатчиками в одночастотной сети, км

67; 34; 17; 8,4

17; 8,4; 4,2; 2

Делись добром ;)