10.5 Системы цифрового наземного вещания dab и dvb-t

Система цифрового звукового вещания DAB (Digital Audio Broadcasting) предназначена для доставки высококачественных звуковых программ и данных, передаваемых наземными и спутниковыми передатчиками в метровом (88...114 МГц) и дециметровом (0,5...2 ГГц) диапазонах частот и принимаемых автомобильными, переносными и стационарными приемниками цифровых сигналов, а также распределяемых с помощью кабельных сетей. Система DAB разработана для так называемой одночастотной передающей сети (ОЧС).

Система цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video Broadcasting) имеет три разновидности: DVB-C для кабельного вещания, DVB-S для спутникового вещания и DVB-T для наземного вещания.

Структурные схемы передающей и приемной части систем цифрового вещания DAB и DVB-T практически идентичны и соответствуют рис.10.20

С целью обеспечения безошибочной работы в DAB производится помехоустойчивое кодирование с помощью CRC-кода, скремблирование и временное перемежение цифровых символов.

В DVB-T для этой цели используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры. В системе внешнего кодирования для защиты всех байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона. Внутреннее кодирование в системе вещания DVB-T основано на сверточном коде.

Для передачи цифровых сигналов в DAB используется фазовая манипуляция с четырьмя состояниями фазы каждой несущей (4-FM или QPSK-модуляция) так же, как в системах NICAM и DSR (Digitale Satteliten Radio). Каждой паре битов АВ цифровой последовательности соответствует одно из четырех возможных значений фазы несущей: 45° (00); 135° (01); 225° (11); 315° (10). Полная полоса частот системы DAB составляет 1,54 МГц.

Табл.10.3. Основные характеристики системы цифрового радиовещания DAB
Характеристики системы DAB	Параметры
Значения несущих частот, МГц, не более:
режим передачи I - одночастотная сеть DAB	250
режим передачи II - сеть местного радиовещания DAB	1000
режим передачи III - спутниковое и кабельное цифровое радиовещание	2500
Номинальное значение центральной несущей частоты радиоканала, МГц	16
Полоса частот радиоканала, МГц, не более:
на уровне излучения минус 26 дБ	1,54
на уровне излучения минус 56 дБ	1,94
на уровне излучения минус 71 дБ	1,94
на уровне излучения минус 106 дБ	3,50
Радиосигнал системы DAB:
тип модуляции	OFDM
количество несущих частот:
режим передачи I	1536
режим передачи II	384
режим передачи III	192
величина разноса несущих частот, кГц:
режим передачи I	1
режим передачи II	4
режим передачи III	8
длительность символа OFDM, мкс:
режим передачи I	1246
режим передачи II	312
режим передачи III	156
защитный интервал между символами OFDM, мкс
режим передачи I	246
режим передачи II	62
режим передачи III	31
модуляция несущих частот	QPSK (4-ФМ)
значение фазы несущих,град, от сочетаний пары двоичных символов на входе QPSK-модулятора
0 0	0
0 1	-90
1 0	-270
1 1	-180
Системная тактовая частота, МГц	2,048
Формат передачи	по фреймам
Длительность фрейма радиосигнала, мс:
режим передачи I	96
режим передачи II	24
режим передачи III	24
Конфигурация системы DAB и скорости цифровых потоков при передаче звуковых сигналов и сигналов данных, кбит/с:
вариант 1: 9 стереопрограмм	9х2х64=1152
сигнал данных	16
вариант 2: 6 стереопрограмм	6х2х96=1152
сигнал данных	16
вариант 3: 4 стереопрограммы	4х2х128=1024
сигнал данных	144
вариант 4: 2 стереопрограммы	2х2х128=512
3 стереопрограммы	3х2х96 =576
сигнал данных	80
вариант 5: 3 стереопрограммы	3х2х128=768
3 стереопрограммы	3х2х64= 384
сигнал данных	16
вариант 6: 1 стереопрограмма	1х2х128=256
4 стереопрограммы	4х2х96= 768
сигнал данных	80
Суммарная скорость передачи цифровых данных,кбит/с	1168
Каналы цифровых потоков:
каналы пользователя MSC	Программы радиовещания, сопутствующие данные, дополнительные данные AIC, не передаваемые в канале FIC
канал быстрой информации FIC	данные о конфигурации мультиплексирования MCI, сервисная информация SI, информация быстрого доступа FIDS
канал синхронизации	нулевой символ OFDM; опорный символ OFDM
Входные сигналы системы DAB:
цифровые звуковые сигналы радиовещания:
частота дискретизации, кГц	48
квантование, бит	линейное, 16...22
предыскажение J17 МККТТ	J17 МККТТ
интерфейс AES/EBU	документ IEC 958
полоса частот исходного аналогового сигнала, Гц	20...20000 40...15000
цифровые сигналы данных	программы радиовещания, сервисная информация, данные о конфигурации мультиплексирования
Передача данных общей информации в каналах пользователя MSC	имеется
Кодирование звуковых сигналов программ радиовещания
стандарт кодирования	MPEG-1 ISO/IEC 11172-3
уровень кодирования	Layer II
объем выборки звукового сигнала, семплы	1152
длительность звукового фрейма, мс	24
скорость цифрового звукового потока, кбит/с	32…384
Защита от ошибок:
в каналах передачи звуковых сигналов радиовещания:
помехоустойчивое кодирование	CRC-код, временное перемежение логических фреймов
в каналах передачи данных
помехоустойчивое кодирование	CRC-код
в радиоканале	кодирование несущих частот
Скремблирование для устранения нежелательной регулярности в цифровом сигнале	имеется
Режимы передачи звук/данные	потоковый, пакетный
Режимы передачи звуковых сигналов радиовещания	моноканал, обычное стерео, совмещенное стерео, моно
Сигнал идентификатора передатчика	имеется
Условный доступ к информации звук/данные	имеется

Табл.10.4 Общие характеристики фрейма передачи системы DAB
Наименование характеристики	Режим I	Режим II	Режим III	Режим IV
Ширина полосы частот радиоканала, МГц	1,536	1,536	1,536	1,536
Количество несущих частот	1536	384	192	768
Разнос несущих по частоте, кГц	1	4	8	2
Суммарная скорость передачи данных, Мбит/с	2,4	2,4	2,4	2,4
Суммарная длительность OFDM-символа, TGS, мкс	1250	312,5	156,25	625
Длительность полезной части OFDM-символа, TS, мкс	1000	250	125	500
Длительность защитного интервала, TG, мкс	250	62,5	31,25	125
Длительность фрейма сигнала DAB, мс	96	24	24	48
Частота следования OFDM-символов, 1/TGS, кГц	0,8	3,2	6,4	1,6
Число символов OFDM во фрейме передачи радиосигнала системы DAB	76	76	153	76
Скорость передачи в канале MSC, кбит/c	2304	2304	2304	2304
Скорость передачи данных в канале FIC, кбит/c	96	96	128	96
Число бит на OFDM-символ	3072	768	384	1536
Область частот, ГГц, менее	0,375	1,5	3	0,75
Расстояние между передатчиками, км, не более	75	18,8	9,4	48

Рис. 10.20. Система цифрового вещания

Поскольку речь идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность использования частотного диапазона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных передатчиков, многочастотных и одночастотных сетей. Система цифрового вещания должна успешно бороться с эхо-сигналами и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распространения радиоволн. Является желательным создание условий для приема в движении и на комнатные антенны. Все эти требования были выполнены благодаря применению новой системы модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex- частотное уплотнение с ортогональными несущими).

OFDM отличается передачей сигнала с использованием большого количества несущих колебаний. Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию модулированных колебаний даже в условиях частичного перекрытия полос отдельных несущих.

Рис.10.21

В частотной области огибающая спектра каждой поднесущей равна нулю на частотах максимума соседней. Таким образом исключается взаимное влияние поднесущих и достигается максимальное использование частотной полосы при наличии перекрытия спектров отдельных поднесущих. При обычных видах модуляции с несколькими поднесущими невозможно обойтись без защитного интервала.

Рис.10.22 Сравнение OFDM с обычной модуляцией n поднесущих

Однако многолучевое распространение радиосигнала в точку приема приводит к ослаблению и даже полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных. Кодирование превращает OFDM в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).

В результате появления задержанного сигнала происходит перекрытие во времени текущего и предыдущего символов. Это является причиной межсимвольных помех, которые нарушают ортогональность поднесущих OFDM.

Рис.10.23 Влияние многолучевого распространения

Для устранения такого рода искажения в начале каждого символа вводится защитный интервал, представляющий собой копию последней части символа. Ортогональность в течение защитного интервала при этом сохраняется. В результате задержка менее длительности защитного интервала не вызывает межсимвольных искажений.

Величина защитного интервала зависит от расстояния между передатчиками в одночастотных сетях вещания или от задержки естественного эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением частотных каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длительность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен быть как можно короче. Одна четвертая часть от величины полезного интервала является, видимо, разумной оценкой максимального значения длительности защитного интервала. Исследования показали, что если одночастотные сети будут строиться в основном с использованием существующих передатчиков, то абсолютная величина защитного интервала должна быть около 250 мкс. Это позволяет создавать большие одночастотные сети регионального уровня.

Если защитный интервал в 250 мкс составляет четвертую часть полезного интервала, то длительность самого полезного интервала должна быть установлена на уровне около 1 мс. Величина шага частот несущих связана с шириной основного лепестка спектра одного модулированного несущего колебания и определяется величиной, обратной длительности полезного интервала, поэтому расстояние между соседними несущими будет равно примерно 1 кГц. При ширине полосы частот канала 8 МГц и шаге 1 кГц число несущих должно быть равно 8000.

Независимо от способа (QPSK или QAM) модулированное колебание представляет собой сумму синфазной компоненты (косинусоиды) с амплитудой, равной вещественной части нормированного комплексного модуляционного символа Re{c}=c_I, и квадратурной компоненты с амплитудой, равной мнимой части модуляционного символа Im{c}= c_Q. Значения модуляционных символов в процессе передачи меняются в соответствии с передаваемыми данными.

Cигнал несущей с номером k и частотой f_k, модулированной символом c_k, может быть записан в виде вещественной части произведения комплексного модуляционного символа c_k и комплексной экспоненты, или комплексного колебания с частотой f_k:

s_k(t)=Re{c_kexp(j2πf_kt)}=Re{c_kexp(j2πkt/T_U)}. (10.1)

Частота f_k представляет собой k-тую гармонику основной частоты 1/T_U, то есть величины, обратной длительности полезной части символа и равной расстоянию между частотами соседних несущих. Сигнал OFDM, записанный на интервале одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами:

s(t)=Σs_k(t) = ΣRe{c_kexp(j2πkt/T_U)}, (10.2)

где суммирование выполняется по всем значениям k от k_min до k_max.

Поскольку цифровая система передачи данных – это система с дискретным временем, то при вычислениях в цифровой форме вместо непрерывной переменной t надо подставить ее дискретный аналог nT (здесь T - интервал дискретизации, а n - номер отсчета):

s(nT)= s_n = Re{Σc_kexp(j2πknT/T_U)}. (10.3)

Имеет смысл сравнить выражение (10.3) с формулой обратного дискретного преобразования Фурье:

x_n = ΣX_kexp(j2πkn/N). (10.4)

Последняя формула также предполагает действия с комплексными числами, она позволяет вычислить значения сигнала x_n в моменты nT путем суммирования его гармонических составляющих с известными комплексными амплитудами X_k (здесь N - количество отсчетов сигнала и соответственно количество его составляющих (включая постоянную), которое может быть рассчитано в дискретной форме, причем суммирование выполняется по всем k от 0 до (N-1)). При описании сигнала формула позволяет перейти из частотной области во временную, используя для этого суммирование всех гармонических составляющих сигнала, которые являются ортогональными.

Формулы (10.3) и (10.4) аналогичны, ведь радиосигнал OFDM на интервале символа также представляет собой результат суммирования ортогональных гармонических колебаний с заданными в процессе обработки и кодирования данных амплитудами. Более того, формулы для обратного преобразования Фурье и радиосигнала OFDM становятся тождественными, если положить N=T_U/T и ввести в формулу для сигнала OFDM суммирование от 0 до (N-1), причем считать нулевыми значения модуляционных символов для вновь введенных дополнительных номеров. Т.е. частотное уплотнение с ортогональными несущими представляет собой вещественную часть обратного дискретного преобразования Фурье.

Рис. 10.24 OFDM модулятор

Преимущества системы OFDM проявляются при очень большом числе несущих (например, при нескольких тысячах), т.к. в этом случае прямое аппаратурное формирование сигнала OFDM потребовало бы огромных схемотехнических затрат в виде тысяч генераторов и модуляторов в передатчике и такого же числа детекторов в приемнике. Для преобразований Фурье в последние десятилетия разработаны быстрые и эффективные алгоритмы прямого и обратного преобразования Фурье (БПФ и ОБПФ) и созданы процессоры БПФ в виде больших интегральных схем.

Отношение T_U/N=T (здесь N - размер массива БПФ), определяющее интервал дискретизации в формуле (3), играет важную роль в спецификации стандарта DVB-T. Величина 1/T называется системной тактовой частотой. И время символа, и защитный интервал являются целыми кратными T. В системе DVB-T, рассчитанной на каналы шириной 8 МГц, системная тактовая частота равна 1/T=64/7 МГц. Эта величина является оптимальной с точки зрения уменьшения интерференционных помех из-за взаимодействия с излучаемыми радиосигналами аналогового телевидения.

Можно использовать не только вещественную, но и мнимую части вычисленного обратного преобразования Фурье. Выполним в соответствии с формулой обратного преобразования Фурье вычисление и вещественной и мнимой частей (мнимая часть обозначается как s_Q(t), вещественная - обозначается здесь как s_I(t) и дает уже описанный сигнал s(t)):

Σc_kexp(j2πf_kt)= s_I(t)+js_Q(t).

Рис.10.25. Формирование радиосигнала OFDM

Умножим вещественную часть на колебание с частотой F₀ (будем называть его "синфазным"), а мнимую часть - на квадратурное колебание той же частоты (сдвинутое по фазе по отношению к синфазному на 90°). Тогда суммирование полученных произведений дает сигнал OFDM, спектр которого смещен на частоту F₀. Такая операция соответствует преобразованию частоты, которое неизбежно используется для переноса радиосигнала в полосу частот выбранного канала вещания:

s₀(t)=s_I(t)cos(2πF₀t) + s_Q(t)sin(2πF₀t)=Σ{c_Ikcos[2π(f_k +F₀)t] - c_Qksin[2π(f_k +F₀)t]}.

Именно такое преобразование иллюстрирует схема формирования радиосигнала OFDM (рис.10.25).

Рис.10.26. Спектр мощности радиосигнала OFDM (защитный интервал Tu/4, fc - центральная частота)

Форма огибающей спектральной плотности мощности сигнала OFDM близка к прямоугольной (рис.10.26).

Основные параметры, характеризующие передачу данных в системе DVB-T, приведены в табл.10.5 (числа, приведенные курсивом, являются приблизительными величинами). Число несущих, передающих полезную информацию, зависит только от режима и равно 1512 для режима 2k и 6048 для режима 8k. Число «полезных» несущих в обоих режимах отличается ровно в четыре раза. Если учесть, что и длительность полезного интервала при переходе от режима к режиму также меняется в четыре раза, то такой важный параметр, как частота следования символов данных R_S, оказывается в двух режимах одинаковым и равным 6,75 миллионам символов в секунду (R_S=1512/224мкс=6048/896мкс=6,75МГц= =6,75Мегасимвол/с).

Используя величину R_S, нетрудно найти скорость передачи данных в разных режимах и при различных сочетаниях параметров системы DVB-T: R_SU=R_S•b•C_RI•C_RRS•(T_U/T_S) (здесь b – количество битов, передаваемых в одном символе с помощью одной несущей, C_RI – скорость внутреннего сверточного кода; C_RRS – скорость внешнего кода Рида-Соломона, равная 188/204; (T_U/T_S) – отношение длительности полезного интервала к общей длительности символа. Результаты такого подсчета скорости передачи полезных данных приведены в табл.10.6.

Табл.10.5. Основные параметры системы DVB-T
Параметр	Режим
	8k	2k
Число несущих	6817	1705
Длительность полезного интервала TU, мкс	896	224
Длительность защитного интервала Tg, мкс	224, 112, 56, 28	56, 28, 14, 7
Интервал между несущими, Гц	1116	4464
Интервал между крайними несущими, МГц	7,61	7,61
Модуляция несущих	QPSK, 16-QAM, 64-QAM	QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Скорость внутреннего кода	½, 2/3, ¾, 5/6, 7/8	½, 2/3, ¾, 5/6, 7/8

Табл.10.6. Скорость передачи данных системой DVB-T
Модуляция	CRI	C/N, дБ (гауссов канал)	Скорость передачи данных, Мбит/с
			Tg/Tu=1/4	Tg/Tu=1/8	Tg/Tu=1/16	Tg/Tu=1/32
QPSK	½	3,1	4,98	5,53	5,85	6,03
QPSK	2/3	4,9	6,64	7,37	7,81	8,04
QPSK	¾	5,9	7,46	8,29	8,78	9,05
QPSK	5/6	6,9	8,29	9,22	9,76	10,05
QPSK	7/8	7,7	8,71	9,68	10,25	10,56
16-QAM	½	8,8	9,95	11,06	11,71	12,06
16-QAM	2/3	11,1	13,27	14,75	15,61	16,09
16-QAM	¾	12,5	14,93	16,59	17,56	18,10
16-QAM	5/6	13,5	16,59	18,43	19,52	20,11
16-QAM	7/8	13,9	17,42	19,35	20,49	21,11
64-QAM	½	14,4	19,91	22,12	23,42	24,13
64-QAM	2/3	16,5	19,91	22,12	23,42	24,13
64-QAM	¾	18,0	22,39	24,88	26,35	27,14
64-QAM	5/6	19,3	24,88	27,65	29,27	30,16
64-QAM	7/8	20,1	26,13	29,03	30,74	31,67

В табл.10.6 приведены также расчетные значения отношения сигнал/шум C/N на выходе канала связи с гауссовым шумом. Этот показатель является пороговым, если отношение сигнал/шум выше приведенной в таблице величины, тогда внутренний декодер способен довести частоту ошибок до величины, меньшей, чем 2•10-4, а внешний – до 10-11. При таких показателях наблюдается одна нескорректированная ошибка за час работы на входе демультиплексора MPEG-2 в приемнике.

Как видно из табл.10.6, в системе DVB-T скорость передачи полезных данных может меняться в значительных пределах: от 4,98 до 31,67 Мбит/с (это перекрывает весь диапазон потребностей, начиная с телевидения ограниченной четкости и заканчивая телевидением высокой четкости). Самое малое значение скорости 4,98 Мбит/с, имеющее место при модуляции несущих типа QPSK и скорости внутреннего кода, равной ½, характеризуется самой высокой помехозащищенностью системы передачи (для практически безошибочной работы достаточно отношение сигнал/шум в гауссовом канале всего 3,1 дБ). Но для достижения скорости 31,67 Мбит/с (модуляция несущих 64-QAM и скорость внутреннего кода 7/8) должно быть обеспечено отношение сигнал/шум не менее 20,1 дБ.

Для демодуляции сигналов OFDM предназначены чипы фирмы Motorola MC92314 и MC92315.