CC BY
188
Системы цифрового телевизионного вещания второго поколения
Канев С А., НИИР
Необходимость внедрения новых технологий вещания была вызвана возникновением новых сервисов, таких как телевидение высокой четкости и различных интерактивных приложений (например, видео по запросу), требующих более эффективного использования возможностей частотного ресурса. В связи с этим, во втором поколении стандартов вещательного телевидения получили свое развитие новые технологии канального кодирования и цифровых методов модуляции. Таким образом, появление новых технологий вещания должно в целом благотворно повлиять на рынок предоставления телевизионных услуг.
Вслед за стандартом для спутникового вещания DVB-S2, выпущенным в 2005 г., летом 2008 г. проект DVB выпустил стандарт DVB-T2, предназначенный для неземного ТВ вещания. В данный момент идет работа над созданием стандарта DVB-C2. Данные стандарты позволят существенно расширить пропускные способности первичного и вторичного распределения программ.
Свой вклад в развитие систем ТВ вещания вносит все более широкое внедрение стандарта сжатия видеоданных MPEG-4 AVC/H.264. Сочетание второго поколения стандартов DVB и последних достижений в области компрессии видеоинформации дает возможность значительно расширить возможности вещательных систем по сравнению с широко распространенными на сегодняшний день.
Опыт использования системы DVB-S2, обеспечивающий увеличение пропускной способности канала до 30 % по сравнению с системой DVB-S, послужил катализатором к разработке стандартов DVB-T2 и DVB-C2. Данные системы, как и системы первого поколения, максимально приближены друг к другу 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. Совместное использование систем второго поколения позволит избежать пе-
рекодировки при распространении контента со спутниковых каналов через наземные вещательные и кабельные сети.
Отличительной особенностью систем второго поколения является использования одиночного или системного многоцелевого потока, который в свою очередь может быть пакетированным или непрерывным [2]. В отличии от привычного транспортного потока МРЕО-2, поток образуется при помощи инкапсуляции многоцелевого потока (ОБЕ) следующим образом: в качестве входных данных (рис. 1) берутся протокольные единицы обмена (РР1_1) сетевого уровня (1Р дейтаграммы1, кадры! Е1Ъете1 либо другие пакеты! сетевого уровня), которые целиком или частично помещаются в ОБЕ пакеты! различной длинны1 вместе с информацией о типе сетевого протокола и другими вспомогательными данными. При разделении протокольных единиц обмена сетевого уровня на фрагменты происходит разметка его начала и конца для того чтобы1 в последний ОБЕ пакет можно было включить коды защиты1 С1^С-32 для проверки целостности доставки всех фрагментов. Использование такого метода сопряжения протоколов обеспечивает возможность использования рассматриваемых систем в качестве физического уровня доставки сетевых ресурсов пользователям.
Использование данного метода инкапсуляции ОБЕ позволяет значительно повысить эффективность применения 1Р-дейтаграмм по сравнению с использованием мультипротокольной инкапсуляции (МРЕ) в транспортный поток МРЕО-2, как это было сделано в стандартах РУВ-И и РУВ-БИ. Например, система РУВ-Б2 в интерактивном режиме с использованием ОБЕ сокращает объем сигнальной информации для формирования потока в среднем на 10 % для МРЕ/МРЕО-2 транспортный поток и до 2-3 % для ОБЕ [1].
Перед поступлением на блок канального кодирования входные денные подвергаются предобработке, в которую входит: синхронизация, компенсация задержки для транспортного потока, обнаружение и удаление нулевых пакетов (с дальнейшим их восстановлением на приемной стороне), для пакетированных пакетов применяются коды обнаружения ошибок для дальнейшей обработки. Такая предобработка позволяет адаптировать данные, поступающие на вход системы, к передаче и обнаруживать целостность полученных дан-
Сетевой
Уровень
ш
сп о
47
I
I
I
\7
Инкапсуляция/
фрагментация
С\|
СО
I
со
>
О
Физический уровень
PDU
PDU
PDU
Фрейм в основной полосе частот
Фрейм в основной полосе частот
Рис. 1 . GSE Инкапсуляция внутри стека протоколов DVB
Биты данных в основной Биты кода Биты кода
полосе вен LDPC
64 800 бит или 16 200 бит
РИс. 2. Фрейм данных после канального кодирования внешним и внутренним кодами
ных на приемной стороне.
Если в первом поколении систем DVB кодозащита строилась преимущественно на основе каскадирования кодов Рида-Соломона и свёрточных кодов, то во втором поколении стандартов для канального кодирования применяются БЧХ коды (BCH) в качестве внешних и код 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, а для спутниковой системы дополнительно введены 8/9 и 9/10. Кодированные данные поступают на канальный перемежитель. Длинна полученных блоков составляет 64800 бит (основной режим работы системы) или 16200 бит (для интерактивных режимов работы).
Использование широкого набора скоростей канального кодирования делает системы еще более гибкими к различным условиям вещания и требованиям вещателя. Использование LDPC/BCH-кодов более эффективно по сравнению с каскадами кодов Рида-Соломона и сверточными кодами и тем самым дает возможность понизить отношение сигнал/шум для надежной работы системы. Но с другой стороны, данный способ кодирования требует большей производительности в первую очередь приемного оборудования, что приведет к более высокой стоимости приемников/декодеров.
Еще одной отличительной особенностью новых стандартов DVB являются более широкий набор схем модуляции. При этом становится возможным более гибко подходить к параметрам канала и требованиям вещателей. Все новации, связанные с модуляцией, как и в случае с канальным кодированием направлены на увеличение пропускной способности системы. В спутниковой системе стандарта DVB-S2 с организованным обратным каналом предусмотрен вариант адаптивного кодирования и модуляции, позволяющий использование различных параметров передачи в зависимости от изменений в канале при передаче данных
В системах DVB-S2 применяются следующие методы модуляции: QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK. Для вещательных приложений предусмотрены QPSK, 8PSK. Для каналов с очень низким отношением сигнал/шум рекомендуется использование QPSK модуляции в сочетании с кодовыми скоростями 1/4, 1/3 и 2/5. Модуляция 16APSK в основном предназначена для организации магистральных линий при условии высокой линейности транспондера. Режим 32APSK ориентирован на профессиональное применение и требует высокого отношения сигнал/шум в сочетании с внесением пред искажений нелинейности транспондера на передающей стороне.
В качестве схемы модуляции DVB-T2 как и в DVB-T используется COFDM, но кроме принятых ранее режимов 2k, 4k, 8k, применяются также 1k, 16k, 32k. Варианты использования первичной модуляции также были расширены: введен вариант использования 256QAM дополнительно к QPSK, 16QAM и 64QAM. Дополнительные значения защитных интервалов по сравнению с системой DVB-T: 19/256, 19/128 и 1/128. Кроме того появилась возможность работы с временным перемежением кадров [5].
Использование большего числа поднесущих (режим 16k и 32k)
(с) 16APSK
Рис. 3. Модуляция в системе DVB-S2
Частота, МГц (Относительно центральной частоты)
Рис. 4. Часть теоретического спектра системы РУВ-Т2 для канала 8МГц с защитным интервалом 1/8
благоприятно с точки зрения дальности распространения сигнала, так как при увеличении числа поднесущих увеличивается длительность символа, и, как следствие, происходит увеличение длительности защитного интервала. Таким образом, возрастает защита от отраженньх лучей, как следствие — распространение на большие расстояния. Кроме того, использование режимов с большим числом поднесущих более эффективно с точки зрения использования частотного ресурса, так как при этом форма спектра группового сигнала максимально приближенную к прямоугольной. Минусом режимов 16к и 32к является меньшая устойчивость системы к эффекту Доплера. Таким образом, можно сделать вывод о том, что вещание с параметрами 16к и 32к применимо для вешрния на большие зоны на стационарные приемники, либо на антенны коллективного приема.
Изменения коснулись и пилот сигналов как рассеянных, так и непрерывных. Уменьшилось их число в кадре данных. Если в стандарте РУВ-Т рассеянные пилоты составляли 8% от общего числа данных в кадре, то в стандарте РУВ-Т2 — 1%, 2%, 4% и 8% в зависимости от параметров модуляции. Что касается непрерывных пилотов, то они составляют всего 0,35% в РУВ-Т2 против 2,6% в РУВ-Т [7].Благодаря этому, в режимах 8к, 16к и 32к введена возможность использования расширенного количества поднесущих, что ведет к возможности увеличения пропускной способности системы. Например, для 32к увеличение числа поднесущих происходит с 27 265 до 27 841, что соответствует увеличение пропускной способности примерно на 2% (рис. 4).
Значительные изменения предвидятся и в системе РУВ-С2. Данные преобразования, прежде всего, направлены на максимальную совместимость с системой РУВ-Т2, в связи с этим в данный стандарт была введена модуляция COFDM и пилот сигналы. Кроме того значительно повышено число позиций квадратурной модуляции [8]. Теперь оно может быть равно 4096. При высокой кратности модуляции помимо применения помехоустойчивых кодов ВСНДРРС возникают требований к кабелю, по которому происходит распространения программ, и к условиям его прокладки.
Переход на системы второго поколения требует замены абонентских приставок, что не очень благоприятно с точки зрения потребителя. С этой целью, внедрение новых технологий будет реализовано постепенно, с помощью плавного перехода. Это переход будет основываться на иерархической модуляции: вещание с более высоким приоритетом на старые приемники, а использование новых сервисов — с более низким приоритетом на новые. Приемники нового образца изначально будут значительно дороже, но со временем их цена будет падать.
Для начального периода вещания в новых стандартах необходимо обеспечить поддержку абонентским оборудованием обоих поколений стандартов. Это даст возможность потребителю проще ориентироваться на рынке приемного оборудования. Кроме этого, приемники должны поддерживать возможность приема телевидения высокой четкости, которое начинает иметь все более широкое внедрение. Исходя из этого, данные приемники должны также поддерживать стандарт Н.264, демонстрирующий наибольшую эффективность в данном формате изображения.
Некоторые страны, например Великобритания, уже сегодня заявляют о ближайших планах по полному переходу на вещание с высокой четкостью изображения, в том числе путем использования стандартов вещания второго поколения. Этот факт позволяет сделать вывод о том, что при планировании сетей цифрового вещания
в дальнейшем, необходимо брать в расчет особенности эксплуатации новых систем.
Если рассматривать перспективы перехода на телевидение высокой четкости при условии использования стандарта сжатия H.264, для скорости 7-9 МГц при спутниковом вещании количество телеканалов может составить 5-6 при использовании системы DVB-32, вместо 4 для DVB-3. При передаче телевидения высокой четкости с помощью системы DVB-T2, количество программ возрастает до 4 вместо 2-3 для системы DVB-T.
В связи с программой "Развития телерадиовещания на 20092015 гг." на территории РФ на бюджетные деньги будет организовано вещание одного мультиплекса, состоящего из 8 телеканалов со стандартной четкостью изображения с использованием системы вещания DVB-T (данный вариант возможен при использовании скорости 3Мбит/с на телеканал). Данное количество телеканалов в мультиплексе является предельным на сегодняшний день. При перспективе использования системы DVB-T2, возможное количество программ в мультиплексе увеличивается до 11-12, так как предполагается, что второе поколение стандартов обеспечивает увеличение пропускной способности систем на 30%. При рассмотрении спутниковых систем, переход означает увеличение числа телеканалов стандартной четкости с 10-11 до 14-15 на один частотный канал.
Литература
1. ETSI T3 102 606 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB);Generic Stream Encapsulation (G3E) Protocol.
2. ETSI EN 302 307V1.1.2 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications.
3. ETSI TR 102 376 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB); User guidelines for the second generation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2).
4. ETSI TS 102 441 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-S2 Adaptive Coding and Modulation for Broadband Hybrid Satellite Dialup Applications.
5. Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) http://www.dvb.org/ technology/dvbt2/.
6. The most advanced Satellite Broadcasting system in the world. DVB Fact Sheet — April 2008. http://www.dvb.org/technology/ fact_sheets/index.xml.
7. The world's most advanced Digital Terrestrial TV system. DVB Fact Sheet — August 2008. http://www.dvb.org/technology/ fact_sheets/index.xml.
8. The world's most advanced Digital Cable TV system. DVB Fact Sheet — August 2008. http://www.dvb.org/technology/fact_sheets/index.xml.
