CC BY
84
23 декабря 2011 r. 11:30
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Искажения в системе цифрового вещательного телевидения DVB-T
Анализируются причины искажений возникающие в системе наземного цифрового телевидения стандарта РУВ-Т.
Игнатов Ф.М., Андрейко Д.Н.
Одними из основных причин искажений сигналов в системе DVB-Т связаны с системой модуляции OFDM являются:
— высокий пик-фактор сигнала OFDM,
— чувствительность к смещениям поднесущих частот,
— искажения в переходные моменты между символами.
Высокий пик-фактор (CF) это отношение пикового значения сигнала к его среднеквадратичному значению, обусловленный тем, что в модеме OFDM на периоде символа происходит одновременное сложение модулированных сигналов нескольких тысяч псщнесущих, например, при условии, что все поднесущие будут промодулирова-ны одинаковыми битами, пиковый уровень суммарного сигнала станет в N раз больше одиночного значения, величина CF может достигать значения порядка 10 дБ. На рис. 1 приведен пример такого случая.
Реальности вероятность возрастания пикового уровня до вышеназванного предела крайне маловероятна, так как с увеличением числа несущих, согласно центральной предельной теореме, распределение суммы их ампигуд приближается к гауссовскому закону, а интегральная функция вероятности для пикового значения сигнала OFDM может быть приблизительно оценена по формуле (1):
P(CF > у) = [ 1 - (l - с УТ
(id
=Lp.n..
<n) 2'‘
,Р
(n) D .
При этом каждый из векторов представляет собой фазовый множитель;
j-ф
Р = С
(п) I
(1)
В частности, для уменьшена пик-фактора могут использоваться блоковые коды со специально подобранной книгой кодовых слов, которые минимизируют CF, то есть, таким образом устраняется необходимость передавать сочетания кодовых слов, чрезмерно влияющих но возрастание CF Однако, хотя для большого количества поднесущих (или высоких скоростей передачи данных) подобные кодовые схемы и существуют, реализуется процесс кодирована/декодирования в таком случае слишком сложно.
Другой метод в общих чертах выглядит следующим образом: для заданного символа OFDM с индексом V, состоящего из суммы некоторого количества поднесущих частот, имеется набор D векторов Р|пу
где показатель степени (фаза) распределен равномерно на интервале (0...2Я).
Данные, получаемые на выходе маппера (точки сигнальных созвездий, формирующие спектр сигнала OFDM), умножаются на массив векторов Р^, формируя D вариантов одного символа OFDM. Затем эти варианты преобразуются во временную область, определяется символ с минимальным пик-фактором и именно он поступает в канал. Для данного метода отсутствуют как таковые ограничения на количество поднесущих частот и вид манипуляции. Единственно, в данном случое необходимо передавать в канале дополнительную информацию об используемом векторе Р^.
Очевидно, что присутствие резких всплесков в огибающей сигнала OFDM накладывает ограничение на используемые усилители, которые в данном случае должны работать в неэффективных режимах линейного усиления, поднимая для вещателя уровень затрат на закупку и эксплуатацию оборудования связи [1].
Можно предложить ещё один вариант борьбы с высоким пик-фактором, заключающийся в отслеживании всплесков уровня сигнала OFDM с выработкой противофазного сигнала коррекции, поступающего с выхода специального детектора огибающей (рис.2).
При этом следует учитывать то, что амплитуда суммарного сигнала изменяется независимо от символа к символу, так как для каждого нового символа OFDM существует свой набор комплексных амплитуд образующих его поднесущих ч ост от. Поэтому в схему введена линия задержки на величину Ts — период символа OFDM.
Вторая проблема — высокая чувствительность к смещениям поднесущих частот, отрицательно влияющая на характеристики системы. Демодуляция сигнала со смещёнными частотами вызывает резкое возрастание частоты следования ошибочных битов (BER). Это является следствием нарушения ортогональности поднесущих
FW: 1. Иллюстрация высокого пик-фактора сигнала Of DM
Рис Z Упрощется схема коррекции пик фактора
T-Comm, #9-2011
83
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
OFDM, приводящим к интерференции между ними. Частотные смещения происходят в основном из-за нестабильностей частот гетеродина на передаче и приеме, а также из-за эффекта Доплера.
Рассмотрим первый случай. Известно, что чостоты гетеродинов на передающей и приемной сторонах любой радиосистемы отличаются друг от друга на некоторую случайную величину Дгдо. Математически это может быть выражено посредством умножения принимаемого сигнала во временной облости на комплексную экспоненту, в степени которой содержится частота, соответствующая этому сдвигу. Данное явление обычно компенсируется системами автоматической подстройки чостоты, однако некоторая остаточная ошибка все равно существует и вызывает пропорциональное смещение спектра принимаемого сигнала OFDM, приводя в конечном итоге к потере ортогональности. Таким образом, поднесущие чостоты OFDM теряют взоимонезовисимостъ вследствие того, что отсчеты БПФ (быстрые преобразования Фурье) берутся не точно в местах максимумов каждой из поднесущих, где, как известно, спектральные составляющие других частот близки или равны нулю, а на позициях отличных от эталонных на неизвестную величину AfLO (рис 3). Это явление носит название "утечки БПФ" [2].
н-
Afio
\Tirk
FW. 3. Явление "утечки БПФ"
На каждую из поднесущих оказывают влияние "утечки" от всех остальных, причем максимальное воздействие будет наблюдаться от близлежащих частот. Согласно центральной предельной теореме сумма большого числа случайных процессов приводит к формированию сигнала с гауссовским распределением. Вследствие этого влияние "утечек БПФ* можно рассматривать как снижающий отношение сигнал-шум в системе в целом, для исправления ситуации существует большое количество алгоритмов отслеживания и подстройки частоты.
Теперь рассмотрим второй фактор, способствующий смещениям поднесущих частот. Движения приёмною и передающего устройств вызывают так называемый дэп перовский сдвиг частоты. Здесь нужно учитывать, что в отличие от первого случая где все поднесущие испытывали одинаковое смещение, каждая из частот теперь получает своё приращение, так как доплеровский сдвиг пропорционален её абсолютному значению. Кроме того, вследствие работы в условиях многолучевого распространения, происходит до-плеровское расширение спектра, вызываемое разностью в относительных скоростях для отл^ных путей распространения сигнала DVB-T/OFDM. В результате этого сигнал оказывается частотно-модулированным по некоторому случайному закону, поскольку число многолучевых компонент весьма значительно. Борьба с данными эффектами методами автоматической подстройки частоты малоэффективна.
Для упрощения процесса синхронизации на приёмной стороне, в составе кадра OFDM передаются на повышенном энергетическом уровне фиксированные пил от-сигналы (177 и 45 в режимах 8к и 2к соответственно). Эти пилоты позволяют приемному устройству войти в синхронизм и подстроить свои генераторы, благодаря опорной
информации, параметры которой априорно ему известны.
Трепя проблема — высокий уровень искажений в частотной области в переходные моменты между двумя стволами OFDM
(рис. 4).
Л Л ’ Л Л f
0.5 1 \ 1 1 \ I \ \ / \ /«
0 /1 / \ /
-0.5 '/ \ \ \ / \ / •
-1.0 ! V/ V - .
0 Символ 1 * Символ 2 * Символ 3 3
fcc 4. Межсимволыше переходы
В связи с этим, очевидно, возникает задача минимизации указанных исхажений. Решается она двумя способами: либо с помощью использованю формирующих фильтров, либо посредством выбора некоторой оконной функции, отличной от прямоугольной, с целью локализации сигнала OFDM в частотно-временной области, либо обоими способами совместно. Реализуется процедура наложения "окна" посредством умножения отсчётов сигнала после БПФ на отсчеты выбранной функции. Существует очень много типов оконных функций, включая прямоугольную (boxcar), треугольную (triangle), косинус квадратичную (squared cosine), Гаусса (Gauss), Хэ*#лин-ra (Hamming), Хэннинга (Hanning), Блэкмэна (Blackman), Барлетта (Bariett), Кайзера (Kaiser) и др. На рис. 5 приведен пример оконной функции Хэмминга и ее применения на периоде одного символа OFDM.
Заметим что стандарт ETSI EN 300744 никаким образом не оговаривает использование оконных функций, он лишь определяет "маску", за пределы которой не должны выходить спектральные компоненты сигнала DVB-T COFDM.
Наземный канал сявзи. Как известно, во время распространения сигналы испытывают ослабление. Эго происходит из-за того, что фронт радиоволны расширяется с расстоянием от источника и, соответственно, происходит уменьшение плотности мощности по направлению на точку приема. В свободном пространстве волна является сферической и ее плотность мощности убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Для направленных антенн, форма волны остается той же, что и для всенаправленных, разница
Rc. 5. Осонная функция Хэннинга (вверху), сигнал до наложения оконной функции (в центре) сигнал после наложения оконной функции (внизу)
84
T-Comm, #9-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
лишь в том, что энергия волны больше концентрируется в определённом направлении. Описанная выше наипростейшая модель радиоканала может быть использована лишь в очень ограниченном количестве случаев, например, в спутниковой связи, но она становится не пригодной для разнообразных вещательных приложений (цифровое телевидение, радио), для анализа беспроводных локальных или мобильных сетей. Для этих систем радиоканал обретоет несравнимо более сложную структуру, соответственно делая задачу моделирования много труднее [3J.
Диапазон, из которого по возможности будут назначаться частоты для системы DVB-Т в России, это 470-862 МГц соответствующие длины волн: 64-35 см
На пути распространения радиосигнала встречается множество препятствий (здания, автомобили, возвышенности местности, дерева и тд), проходя сквозь которые сигнал испытывает затухание. Данное явление называют иначе затенением, вследствие него происходит частичная потеря энергии волны — это так называемые потери на распространение. Величина этих потерь зависит от размеров, конструкции, материала встречающихся объектов, а также от частоты радиосигнала. Несмотря на то, что большая часть материалов "прозрачна" по отношению к РЧ сигналу, различные металлические элементы в конструкциях вызывают отражение радиоволн, препятствуя их прямому прохождению. В результате возникает эффект многолучевого распространения. Все это, вкупе с явлениями рефракции и дифракции, приводит к тому, что в точку приема приходят по большей части отраженные лучи, и гораздо реже (особенно это касоется сотовой подвижной связи) прямой луч.
Движение приёмного устройства, передающего устройства, или отражающего объекта приводит к изменению потерь на распространение, вследствие изменения самой траектории распространения радиосигнала, например, в случае передвиженга с линии прямой видимости за какой-нибудь массивный объект. Эти вариации в потерях становятся заметны через сравнительно большие расстояния (обычно 10-100 длин волн). Вследствие медленной прирсщы изменения уровня принимаемого сигнала, донное явление называют медленными замиран*«ми. Помимо этого, перемещение приёмного устройства относительно передающего вызывает доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала пропорциональный значению излучаемой частоты, скорости и направлению передвижения приемника (данный вопрос весьма актуален для систем стандарта DVB-Т, поскольку последний ориентирован, в том числе и на подвижный прием программ телевизионного вещания).
Другим типом замираний являются быстрые, или иначе мелкомасштабные замирания. Их причиной является интерференция множества россеяно-отраженных волн в точке приёма, а результатом — значительные изменения амплитуды и фазы сигнала (провалы огибающей могутдостигатъ60-70дБ и более, для сравнена, при медленных замираниях а наложный показатель не превышает 10-15 дБ). Изменению амплитудно-фазовой картины при быстрых замираниях способствуют даже небольшие изменения расстояний между приемником и передатчиком (порядка половины длины волны). Для каждого из лучей радиосигнал проходит свой путь» занимающий определенное время. Рассматривая для наглядности синусоидальное РЧ колебание, отметим что различные значения задержек распространения приводят к случайному (а точнее говоря — пропорциональному разнице длин путей) вращению фаз сигналов соответствующих лучей.
М
li
го отрезка пути равного длине волны /. Следовательно, два луча будут в противофазе, если разность их хода равна нечетному количеству длин полуволн (Л/2, ЗА,/2, 5Х. /2,..., пЛ/2, где п — нечетное натуральное число). Все эти лучи складываются в приёмнике, приводя к конструктивной или деструктивной интерференции- Каждый из многолучевых сигналов имеет случайно изменяющиеся амплитуду и фазу и может быть представлен в виде вектора (рис. 6). Закон изменения одплитуд векторов определяется выбранной моделью канала связи, о чем будет сказано ниже.
Кроме того, в наземном канале могут присутствовать помехи импульсного характера от работающих неподалеку устройств разного назначения — бытовые приборы, промышленные объекты, электротранспорт и тд. При этом спектр импульсной помехи, как правило, гораздо шире спектра самого сигнала и воздействует, таким образом, на все поднесущие в символе OFDM.
Исходя из изложенного выше, можно рассмотреть модель наземного канала связи. Итак, многолучевой канал с переменными параметрами можно представить в вине к параллельных передающих ветвей (с постоянными характеристиками — задержкой t в j-ом луче и коэффициентом передачи этого луча (X((t), где j-l, 2,...k). Теоретически, количество ветвей в такой модели бесконечно, но его всегда можно ограничить конечным числом (обычно 3.. .6). Коэффициенты u(t) с различными индексами j коррелированны между собой, однако коэффициент корреляции быстро уменьшается с возрастанием разности индексов ветвей приема. К сигналу на выходе многолучевого канала добавляется аддитивная помеха.
Существуют два типа многолучевых каналов, которые принято называть каналами ис памятью" и "без памяти". Размер "памяти" многолучевого канала определяется длительностью периода между моментами приема первого и последнего луча (Тк - X,). Память канала считают "короткой", если она значительно меньше длительности элемента сигнала Т^, и "длинной", если она соизмерима с этой длительностью или больше ее.
Канал "без памяти" фактически представляет собой радиоканал, в котором все помехи независимы Вероятность приема сигнала по то-кому каналу зависит только от характера искажений при распространении радиоволн и от уровня помех, поскольку принятие решения осуществляется лишь за время длительности одного элемента си тала
В канале "с памятью" вероятность приема зависит от значения предыдущих или последующих элементов принятого сигнала. Решение принимается за время Ts Ч, где L — конечная память конала, иногда называемая временем реакции канала.
Импульсный отклик многолучевого канала может быть представлен в виде формулы:
1 V|6 (t - Т|) + n(t) (2)
Многолучевые
компоненты
Результирующий вектор (случайная амптитула и фаза)
Время распространения
При этом фаза изменяется на 360 для каждо- Рис 6, Импульсный отклик и амплитудно-фазовая диаграмма многолучевого канала
T-Comm, #9-2011
85
