Продолжаем серию публикаций под общей тематикой «Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания». Во всех публикациях использована единая аббревиатура, оговоренная в [1]. Настоящая статья завершит рассмотрение вопросов, связанных с выбором режимов работы DVB передатчика.

Выбор схемы модуляции и внутреннего кодирования
Как рассматривалось в [1], в спецификации DVB-T доступны три различные схемы модуляции: QPSK, 16 и 64QAM. Любая из этих схем модуляции может комбинироваться с любой из пяти различных относительных скоростей кодирования: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. Специфика режима передачи зависит от общего эффекта скорости кодирования и схемы модуляции; поэтому с точки зрения характеристик невозможно рассматривать выбор формата модуляции отдельно от выбора скорости внутреннего кодирования.По сравнению с QPSK (b=2) модуляцией, при фиксированной скорости кодирования (CR) пропускная способность того же самого канала с 16QAM модуляцией является удвоенной (b=4), а для 64QAM – утроенной (b=6). Соответствующие значения C/N, необходимые для уверенного приема, увеличиваются на 6 и 12 dB соответственно.
Аналогично при повышении CR увеличиваются как пропускная способность канала, так и требуемое C/N (см. табл. 2 в [1]). Имитация канала Райса (Ricean)1 показывает, что скорость кодирования 7/8 требует значения C/N примерно на 6 dB выше в сравнении со скоростью кодирования 1/2 для заявленной сигнальной констелляции, в то время как пропускная способность канала увеличивается фактором 7/4. Отметим, что реальная разница в требуемом C/N будет еще больше (6 dB – это теоретическая модель), особенно для формата модуляции 64QAM.
Требуемое минимальное значение C/Nтреб, реализуемое на входе STB при оговоренной (требуемой) зоне покрытия, непосредственно влияет на требуемую эффективно излучаемую мощность (ERP) передатчика. При проведении же проектных системных расчетов DVB-T/H всегда желательно снижение ERP передатчика со многих точек зрения (цена, простота получения лицензии, вредность облучения и т.п.). Более того, максимальная величина ERP ограничена из-за опасности возможной интерференции по отношению к уже задействованным аналоговым TV системам.
Не вдаваясь пока в особенности системных расчетов систем DVB-T/H, отметим, что выбор схемы модуляции и скорости кодирования в значительной степени также зависит и от природы ослаблений, ожидаемых в канале. Так (см. рис. 5 в [1]), разница в требуемых C/N для приема на стационарную направленную антенну НТВ для канала Райса (Rice profile) и для приема на мобильную штыревую ненаправленную антенну (канал Рэлея – Rayleigh profile) весьма мала при относительной скорости кодирования в 1/2, но уже составляет 8 dB (!) при относительной скорости кодирования в 7/8. Это объясняется тем, что одна из особенностей кодирования, используемого по спецификации стандарта DVB-T, заключается в устойчивости OFDM системы по отношению к частотно-селективной интерференции, которая незначительно изменяется от одного OFDM символа к последующему (типа стационарных задерживаемых сигналов или интерференции от аналогового TV вещания). Таким образом, если основными ограничениями при приеме будут являться переотраженные эхо-сигналы или стационарные помехи, то очевидно, что более низкая скорость кодирования позволит реализовать значительно лучшие характеристики.
Возьмем другой пример. Сравнение двух режимов 64QAM c CR = 1/2 и 16QAM c CR = 3/4 показывает, что оба режима обеспечивают одну и ту же скорость передачи данных (см. табл. 2 в [1]), варьирующуюся в пределах 14,93…18,1 Мбит/с в зависимости от длительности защитного интервала. Но передаточные характеристики зависят от канала: в каналах Гаусса и Райса (соответствуют стационарному приему на крыше) режим 16QAM c CR = 3/4 лучше, тогда как в Рэлеевском канале с большим количеством переотражений (соответствует портативному приему) предпочтительным выбором является режим 64QAM c CR = 1/2. Поэтому выбор формата модуляции всегда должен проводиться вместе со скоростью кодирования в зависимости от природы канальных ослаблений.
Прием на портативные приемники является одним из очевидных случаев, где основным ограничительным фактором являются переотраженные эхо-сигналы и помехи. Но даже при приеме стационарными направленными антеннами область покрытия DVB-T передатчиками, работающими в одном частотном диапазоне с аналоговыми TV сетями, может быть ограничена помехами от аналоговых TV передатчиков. При работе в SFN сети следует также учитывать и задержанные эхо-сигналы от соседних передатчиков. Таким образом, в силу того, что устойчивость по отношению к помехам от аналоговых TV сигналов и к задержанным эхо-сигналам сильнее связана со скоростью кодирования, чем с форматом модуляции, рекомендуется выбирать режим с более низким значением CR.

Выбор числа несущих
Длительность защитного интервала Т определяется как пропорция (доля) полезного сигнала TU. Максимальная длительность защитного интервала (см. табл. 1 в [1]) составляет 224 мкс для режима 8k (6817 несущих) и 56 мкс для режима 2k (1705 несущих). Защитный интервал предназначен для защиты полезного сигнала от неизбежных естественных и искусственных (при наличии SFN сети) эхо-сигналов. Минимального защитного интервала (7 мкс) в режиме 2k обычно бывает достаточно для защиты полезного сигнала от естественных (ландшафтных) эхо-сигналов. Эхо-сигналы с задержкой более 7 мкс могут наблюдаться только в гористых областях.
Основными критериями при выборе длительности защитного интервала являются дистанционный разброс между передающими станциями (сразу отметим, что радиус покрытия DVB-H сетей значительно меньше, чем DVB-Т сетей) и собственно размер SFN сети. Выбор числа несущих главным образом зависит от вопроса, будет ли сеть одночастотной. Если сеть будут многочастотной (MFN), то для защиты от природных эхо-сигналов может быть рекомендован режим 2k (малая длительность задержки). Если же ожидаются очень длинные эхо-сигналы (в основном это обусловлено наличием других передатчиков), то более высокая скорость передачи может быть достигнута режимом 8k.
В общем случае могут наблюдаться четыре вида SFN:
SFN с большой областью покрытия (множество передатчиков большой мощности с большими дистанционными разносами);
региональная SFN (несколько передатчиков большой мощности с большим дистанционным разносом);
MFN с локальными SFN вокруг каждого MFN передатчика (SFN передатчики средней мощности со средними дистанционными разносами);
SFN ретрансляторы для перекрытия мертвых зон (маломощные передатчики для заполнения теневых зон).
Режим 8k может справиться с проблемами всех представленных архитектур SFN сетей. Режим 2k успешно решает проблемы четвертой архитектуры (с ретрансляторами). Он также может справиться и с MFN/SFN ситуацией при достаточно малых дистанционных разносах между передатчиками (см. табл. 1 в [1]). Разумеется, что возможный дистанционный разнос зависит не только от абсолютной длительности защитного интервала, но в значительной степени также и от длительности полезного интервала TU (значительно лучший охват с режимом 8k, чем с режимом 2k с той же самой абсолютной длительностью защитного интервала, то есть 56 мкс), сигнальной констелляции, скорости кодирования и, естественно, от условий приема и самого приемника.
Поэтому для заявленной длины защитного интервала режим 8k обеспечивает более высокую скорость передачи данных сети. Выбор между двумя режимами также зависит и от необходимости работы SFN в полной сети, а также доступности и стоимости приемников (STB). Очевидно, что приемники, разработанные только для режима 2k, не могут принимать передачи режима 8k. Универсальные же приемники с двойными режимами 2k/8k могут принимать как 2k, так и 8k передачи.
Спецификация DVB-T стандарта позволяет осуществить выбор между иерархическим и неиерархическим режимами передачи [1]. Эта особенность отражена на функциональной блок-схеме (рис.1) такой системы, отражающей обработку сигнала в тракте передачи. Для работы в иерархическом режиме должны быть задействованы модули, показанные пунктирной линией по одному из каналов. Два полностью независимых MPEG транспортных потока, именуемых как высокоприоритетный и низкоприоритетный, обрабатываются раздельно до объединения в сигнальную констелляцию.
Неиерархический режим предусматривает жестко привязанное направление сигнальной обработки. В этом режиме все MPEG транспортные пакеты подвергнутся одной и той же процедуре чередования и канальному кодированию, а затем будут отображаться на соответствующем рисунке констелляции. Физически это означает, что все MPEG транспортные потоки будут одинаково обрабатываться модулятором и, таким образом, будут иметь одинаковую погрешность при передаче. Из соображения реализации максимальной скорости цифрового потока, для неиерархического режима передачи модуляционный параметр a = 1 (равномерная модуляция) является обязательным.
Неиерархический режим подразумевает, что в одном ВЧ канале одновременно может передаваться как одна, так и несколько TV программ. Наиболее вероятно, что в пределах одного OFDM сигнала, то есть в одном ВЧ физическом канале, будут одновременно передаваться несколько программ (мультипрограммный режим). Максимальное число TV программ, подвергаемых мультиплексированию, зависит от выбранной (рассчитанной) суммарной скорости MPEG TS согласно табл. 2, приведенной в [1]. Суммарная скорость всех потоков не может превышать заявляемую максимальную скорости передачи RU, зависящую от целого ряда параметров. В неиерархическом режиме передачи все MPEG транспортные пакеты обрабатываются и кодируются одинаково, приводя, таким образом, к одинаковым показателям по модуляционной ошибке (MER) и помехоустойчивости в пределах этого потока.Чтобы выделить одну желаемую TV программу из принимаемого потока, цифровой приемник (STB) должен выбрать требуемую программу посредством идентификации соответствующих MPEG транспортных пакетов после демодуляции. Такая функция осуществляется демультиплексором, обычно встраиваемым в STB.
В общем случае неиерархический режим может использоваться как для однопрограммной, так и для многопрограммной передачи. Чаще всего однопрограммный режим используется в тех случаях, когда констелляция передачи требует использования полной полосы канала для одной вещательной TV программы. Типовым примером может служить телевидение высокой четкости (HDTV) в сочетании с многоканальным звуком (например, DD5.1 или DTS). При однопрограммном вещании значительно проще добиться весьма значительной площади покрытия одним TV передатчиком. При многоканальной передаче вся полоса канала делится между несколькими TV программами. Как уже оговаривалось выше, число TV программ зависит от степени компрессии одного MPEG TS и от устанавливаемых режимов работы передатчика (CR, T и формат модуляции).
Иерархический режим передачи предусматривает возможность сервисного мультиплексирования по двум независимым каналам (см. рис.1), которые могут иметь свою собственную степень помехозащищенности в целях оптимального соответствия физическому каналу или требованиям зоны покрытия. Для иерархического режима характерны два различных режима работы, именуемые как simulcast (одновременная трансляция) и multi-programme (многопрограммное вещание).
Режим Simulcast предполагает, что по обоим каналам передаются потоки, идентичные по набору передаваемых программ, но различные по параметрам компрессии видео и аудио. То есть в суммарном канале существуют низкоскоростной (LS) и высокоскоростной (HS) потоки. Низкоскоростной поток обычно кодируется с высокой степенью помехозащищенности, то есть с использованием низких относительных скоростей кодирования (например, 1/2 или 2/3). Для LS обычно используется QPSK модуляции в комбинации с a > 1 (четыре квадранта на констелляционной диаграмме). Эти две особенности совместно будут гарантировать высокую надежность в процессе передачи. Такой LS именуется высокоприоритетным (High Priority – НР) потоком. НР поток соответствует передаче информации, которая будет приниматься при самых неблагоприятных условиях распространения и приема (мобильный прием, комнатная антенна, плохие погодные условия и т.п.) даже в пограничной зоне покрытия.Второй же цифровой TS несет тот же самый контент, но передается уже по второму каналу с более высокой скоростью передачи данных (HS), то есть кодируется с низкой степенью помехоустойчивости (например, CR = 5/6 или 7/8). Прием такого скоростного, но низкоприоритетного (Low Priority – LP) потока обеспечит лучшее качество воспроизведения на дисплее, но будет требовать и лучших условий приема в сравнении с НР.
В зависимости от установки антенны и условий приема, STB способен декодировать наиболее удобный цифровой поток, то есть или LP или НР. На рис. 2 представлена зависимость частоты битовой ошибки (BER) при приеме в зависимости от требуемого C/N для иерархической передачи с LP и НР. Из рис. 2 можно видеть, что LP поток требует значительно лучшего отношения несущая/шум (C/N) для реализации того же самого значения BER, как и в НР потоке.
Параметрами, которые можно модифицировать, являются:
модуляционный параметр a (иногда его именуют фактором модуляции), увеличение которого (например, a = 2) приводит к незначительному повышению устойчивости
(помехозащищенности) НР потока, но смещает LP кривую к более высоким отношениям C/N;
относительная скорость кодирования, от которой в противоположной зависимости будут изменяться скорость передачи данных и помехозащищенность (надежность связи).
При смене устанавливаемых параметров модулятора будет изменяться место положения кривых рис. 2, но сама их форма (крутой наклон) сильно не изменится. Для воспроизведения полной характеристики одной кривой рис. 2 достаточно всего одной точки. В системной спецификации DVB-T для этой цели используется точка, соответствующая отношению C/N, необходимому для обеспечения величины BER = 2 x 10-4 после декодирования Viterbi. Такой уровень BER является пороговым для нормальной работы декодера Рида-Соломона, следующего за Viterbi. В табл. 1 и 2 приведены параметры модуляции и канального кодирования, обеспечивающие пороговое С/N.