78Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания. Работа одночастотной сети


Сергей Песков, зам. директора по науке компании «Контур-М», к.т.н., Анна Бителева Теле-Спутник - 7(141) Июль 2007 г.


Продолжаем нашу серию публикаций по цифровому эфирному вещанию — DVB-T, подготовленную компанией «Контур-М». Базируясь на предыдущих публикациях, более детально описываются принципы вещания одночастотной сети — SFN. Основное внимание уделено вопросам синхронизации, временным задержкам и защитным интервалам как самым необходимым условиям надежного и безпомехового вещания.
Напомним нашим читателям, что особенностями SFN сетей являются:

  • Простота реализации ретрансляторов для исключения теневых зон, увеличения радиуса покрытия и возможности перекомбина-ции транслируемых программ.
  • Повторное использование той же самой несущей частоты при многократном покрытии расстояния.
  • Спектральная эффективность.
  • Эффект усиления поля при наличии передатчиков с перекрывающимися зонами покрытия.
  • Отсутствие четкой зоны покрытия (сглаженный контур).
  • Простота покрытия теневых зон или увеличения зоны покрытия за счет установки простейших ретрансляторов.
Варианты исполнения.
Принципиально возможно исполнение SFN по трем вариантам:
  • Перетрансляция сигнала из одной зоны в другую посредством простейшего переусиления по ВЧ (рис. 1).



    В этом случае в составе SFN сети используется единственный, общий для всех COFDM кодер (DVB-T модулятор). Такой радиорелейный способ трансляции сигнала хорошо известен читателям по аналоговому TV вещанию, в значительной степени отражен в более ранних публикациях и не нуждается в пояснениях.
  • Второй вариант использует аналоговое распределение по ПЧ (например, посредством ВОЛС) COFDM сигнала к каждому из передатчиков (рис. 2).



    При этом также в сети используется единственный COFDM кодер.
  • В третьем варианте (рис. 3)предусматривается цифровое распределение самого исходного MPEG потока (TS) по любой из имеющейся транспортной сети (например, PDH, ATM, SDH и т.п.).



    В этом случае число передатчиков эквивалентно числу COFDM кодеров. Такая технология — самая сложная, но в то же время и самая совершенная, гибкая и мощная. Она может использоваться в комбинации с любой из двух вышеупомянутых альтернативных технологий или в сочетании с обеими сразу. Именно эта перспективная цифровая технология распределения MPEG сигнала к целому семейству одночастотных DVB передатчиков будет рассматриваться далее по тексту.

Ограничения SFN

Как было отмечено выше, для одночастотной технологии необходимо, чтобы сигнал, принимаемый от любого передатчика, был идентичен с эхо-сигналом, полученным от любого другого передатчика данной сети. Как следствие, все связанные сигналы данной SFN должны быть идентичными, то есть должны быть синхронизированы по времени, по частоте и на уровне передачи битов. Рассмотрим эти важные составляющие более детально.
Частотная синхронизация. COFDM сигнал состоит из множества параллельных несущих, и каждая из этих тысяч несущих, передаваемая целым семейством передатчиков, работающих в единой SFN, должна излучаться на одной и той же высокой частоте. Требуемая точность частоты зависит от частотного интервала между соседними несущими, который часто именуется как «разнос несущих частот», обозначается f. Если за fк обозначить идеальную позицию кi несущей в спектре ВЧ несущей, то каждый из передатчиков должен излучать эту кi несущую с допуском не хуже:

, (1)


что подтверждается практическими испытаниями.
Для выполнения этого требования все каскадно включенные гетеродины передатчика (от базовой полосы baseband до выходной частоты) должны иметь допуск по стабильности не хуже, чем это определено формулой (1). Так, если разнос несущих частот для режима 8k составляет 1116 Гц (таблица 1 в [1]), то стабильность частоты должна быть не хуже 1,1 Гц (для режима 2k — 4,5 Гц). Такая стабильность достигается проще за счет использования гетеродинов с внешним генератором опорного сигнала.
В качестве генераторов синхронизирующих импульсов используют сигналы с GPS (Global Positioning Satellite — спутник глобального местонахождения), как показано на рис. 4.



Временная синхронизация. Системы COFDM предусматривают возможность пересечения зон покрытия от разных передатчиков без появления помех. Причем, в пределах определенной зоны наложение сигнала от дальнего передатчика не создает помех, а, напротив, усиливает полезный сигнал. Такой эффект возможен только при временной синхронизации всех передатчиков SFN, так как один и тот же символ должен излучаться в один и тот же момент из нескольких мест, независимо от временной задержки, вводимой магистральной распределительной сетью (МРС). Из-за наличия определенной величины длительности защитного интервала (Т) требуемая точность синхронизации не очень высока. Считается, что точность временной синхронизации с разбросом в пределах ±1 мкс является вполне достаточной.
Тем не менее, следует отметить встречающиеся практические случаи работы SFN, связанные с неизбежным наличием эхо-сигналов. В частности, когда временная задержка эхо-сигналов превышает длительность защитного интервала, будет наблюдаться эффект очень быстрой деградации рабочих характеристик, обязанной двум причинам:
  1. Нарушается правило ортогональности из-за межсимвольных помех, что приводит к резкому увеличению вероятности ошибки (BER). Разумеется, что большее значение BER будет соответствовать более высокой скорости передачи цифрового потока, то есть режиму 64QAM, а не QPSK.
  2. При наличии эхо-сигналов, задерживаем свыше четверти полезной длительности символа Тv, детектор приемника не в состоянии правильное его распознать. Следует помнить, что режим Тv/4 является предельным [1] в части предоставления предельно допустимых скоростей, однако наиболее защищенным в части эхо-сигналов.

Как следствие, фактическая зона покрытия набором SFN передатчиков строго зависит от рабочих характеристик подсистемы временной синхронизации. Всякое смещение синхронизации в конкретном узле сети можно рассматривать как изменение зоны покрытия или, что фактически эквивалентно, изменение требуемого C/N на входе приемника.
Битовый уровень синхронизации. Излучение одного и того же символа в одно и то же время требует, чтобы все несущие были тождественно модулированы. Следовательно, одни и те же биты должны модулировать ту же самую кi несущую. Допуск по этой норме — нуль.Синхронизация энергетической дисперсии. Данные MPEG-2 TS, поступающие на вход модулятора, скремблируются (рандомизируются). Это обеспечивает выравнивание спектра радионесущей и устойчивость тактовой синхронизации приемника. Скремблирование осуществляется за счет логического сложения информационных данных транспортных пакетов с псевдослучайной последовательностью PRBS. Генератор псевдослучайной последовательности перезапускается через каждый восемь пакетов. Для обеспечения идентичности скремблированных потоков, передаваемых всеми модуляторами, PRSB также должен формироваться идентичным образом.

Сетевые требования

Как уже отмечалось ранее, все сетевые адаптеры (см. рис. 4) должны удовлетворять требованиям стан-дарта [2]. Ниже бу-дут рассмотрены вре-менные проблемы, возникающие в МРС при доставке MPEG пакетов.
Максимальное время прохождения сигнала в сети — это разность между временем прохождения сигнала от мультиплексера через сеть до самого ближайшего передатчика и временем прохождения того же самого сигнала до самого удаленного передатчика. Эта разность во времени будет зависеть, в основном, от технологии исполнения SFN. Наиболее вероятно, что максимальная разница во времени будет наблюдаться в смешанных сетях, например, когда MPEG-2 TS до одних передатчиков будет доставляться посредством ВОЛС, а до других передатчиков — посредством спутниковой линии связи. Однако очень маловероятно, чтобы разница во времени превышала хотя бы одну секунду.
Стабильность времени прохождения сигнала. Время прохождения сообщения в пределах рассматриваемой ветви сети не обязательно постоянное. Например, положение спутника на геостационарной орбите не является абсолютно устойчивым и колеблется в пределах куба около 75 км3 в течение одного месяца. Поэтому время прохождения сигнала по спутниковой линии связи может изменяться на ±250 мкс, что намного больше допуска. Такую особенность необходимо учитывать при рассмотрении механизма сетевой временной синхронизации, который должен быть терпимым к нестабильности времени прохождения сигнала.
Введение абсолютной системы отсчета времени. В SFN сети все модуляторы питаются от единого мультиплексера (рис. 4) через МРС, которая неизбежно вносит временную задержку. Она будет разной у всех передатчиков в силу их разной удаленности от мультиплексера даже при единой технологии распределения сигнала (например, ВОЛС). В силу этого имеется потребность во внешнем абсолютном провайдере времени, способном предложить каждому участку сети генератор синхросигналов с точностью не хуже 1 мкс. Для этой цели наилучшим источником оказался GPS. Для реализации единой временной синхронизации сети в состав каждого из DVB-T модулятора включают специальный GPS приемник, обеспечивающий как опорную частоту (10 МГц), так и опорную фазу абсолютного времени.
В части временной синхронизации добавим, что стандартом [3] предусмотрено множество различных конфигураций модуляторов, в силу чего применительно к SFN трудно гарантировать, что конфигурация всех COFDM кодеров позволит им работать синхронно. Для устранения такой проблемы вводится дистанционное управление кодерами сети с центральный станции, где размещен общий для них мультиплексер. Управление может быть реализовано, например, путем внедрения соответствующих данных в MPEG пакеты. Для целей синхронизации и координации работы всех передающих станций в транспортный поток вводится новая структура — мега-фрейм.

Мега-фрейм

Цель введения мега-фрейма. Один фрейм DVB-T вне зависимости от параметров передачи включает 68 OFDM символов. Для режима 8к — 68 символов всегда соответствуют целому числу пакетов MPEG -2 с наложенным кодом Рида-Соломона. Этот факт не зависит от уровня модуляции и относительной скорости внутреннего кодирования. В режиме 2к такая целостность, к сожалению, не соблюдается, поэтому пришлось ввести понятие супер-фрейма, включающего четыре последовательных фрейма (вне зависимости от количества базисных функций быстрого преобразования Фурье1). В пределах супер-фрейма упомянутая целостность сохраняется для обоих режимов.
Тем не менее, для потоков MPEG-2 TS, предназначенных для передачи по одночастотной сети, следует ввести еще понятие мега-фрейма, в рамках которых можно обеспечить синхронный рестарт генераторов псевдослучайной последовательности PRBS, налагаемой на информационные потоки для введения энергетической дисперсии.

Реализация мега-фрейма. Архитектура системы раздачи сигнала DVB-T передатчикам одночастотной сети показана на рис. 5. Блоки, введенные для обеспечения синхронной работы передатчиков, выделены серым фоном. Они могут быть выполнены в виде отдельных устройств или быть интегрированы в мультиплексер и/или в модулятор.
В состав SFN сети входят следующие функциональные блоки и модули:

  • MPEG-2 ремультиплексер — ремультиплексирует программы от различных входных каналов, обновляет SI (Service Information) и формирует MPEG-2 TS;
  • SFN адаптер — формирует мега-фрейм, состоящий из n TS пакетов, соответствующих 8 DVB-T фреймам для режима 8k или 32 фреймам для режима 2k, и вводит Пакет инициализации мега-фрейма (MIP), которому присваивается отдельный PID (Packet IDentifer). MIP c информацией о мега-фрейме с номером M+1 вводится в любую часть мегафрейма с номером M . Он, в частности, содержит указатель, позволяющий обнаружить начало мегафрейма M+1. В MIPM заносится временная разница между последним импульсом эталонной последовательности pps (one pulse per second) от системы GPS, предшествующим началу мегафрейма М+1, и фактическим началом этого мега-фрейма (первого бита его первого пакета). Этот параметр называется Меткой временной синхронизации (Synchronization Time Stamp —STS) Длительность мега-фрейса не зависит от величины полезной части символа, типа модуляции и скорости помехозащитного кодирования сигнала DVB-T .
Его длительность будет определяться только защитным интервалом, в зависимости от величины которого она может принимать одно из следующих значений:
• 0,502656 с ( / TU = 1/32);
• 0,517888 s ( / TU = 1/16);
• 0,548352 s ( / TU = 1/8);
• 0,609280 s ( / TU = 1/4).
Последовательность на выходе SFN адаптера должна быть полностью совместима с форматом DVB/MPEG-2 TS .
  • Сетевые адаптеры передатчика/приемника должны обеспечивать прозрачную стыковку параметров потока MPEG-2 TS при переходе из одной среды в другую в процессе передачи от центрального станции к удаленным. Максимальное время задержки МРС (обязанное различным частям МРС) системы синхронизации не должно превышать 1 с. Как правило, сетевые адаптеры являются многоканальными, то есть рассчитанными для одновременной работы с несколькими потоками, в силу чего они пригодны и для иерархического режима работы.
  • Система син-хронизации обеспечивает компенсацию ремени распро-странения, сравнивая вводимую STS (Synchro- nization Time Stamp) с местной системой отсчета времени, и вычи-сляет дополнительное время задержки, необходимое для синхронизации SFN.
  • DVB-T модулятор должен обеспечивать фиксированное время задержки между входным цифровым и выходным ВЧ интерфейсами. Информация, вводимая в MIP, может быть использована для управления режимами работы модулятора. Все DVB-T модуляторы должны быть синхронизированы по времени, а все излучаемые сигналы — идентичны с точностью до бита.
  • GPS — самая эффективная, экономичная и доступная система отсчета времени из существующих в настоящее время. GPS приемники доступны по цене и формируют как опорную частоту в 10 МГц, так и систему отсчета времени 1 импульс в секунду (1 pps). Система эталонного времени в 1 pps, используемая для синхронизации SFN, работает на базе генератора импульсов с периодом 100 нс ( с частотой 10 МГц).

Формирование мега-фрейма. Каждый мега-фрейм состоит из n пакетов , где n — целое число, значение которого зависит от количества пакетов с кодировкой Рида-Соломона (RS), входящих в состав 1 супер-фрейма. Для режима 8k n будет равно удвоенному количеству RS пакетов в супер-фрейме, а в режиме 2к количество RS пакетов надо умножить на восемь.
Каждый мега-фрейм содержит один и только один пакет инициализации мега-фрейма (MIP). Место размещения MIP произвольно и может меняться от одного мега-фрейма к другому. Для указания начала следующего мега-фрейма в MIP используется соответствующий индикатор (указывается число пакетов, оставшихся до его начала). На рис. 6 показана структура мега-фрейма и MIP его состава. Начало мега-фрейма в DVB-T всегда задается так, чтобы оно совпадало с началом супер-фрейма и началом инвертированного байта синхронизации.
Формат MIP. MIP представляет собой MPEG-2 совместимый транспортный пакет длиной 188 байт, структура которого приведена в [4]. MIP, передаваемый в составе мега-фрейма с номером M, содержит описание мега-фрейма M+1, за исключением поля tps-mip, которое относится в мега-фрейму M+2. Некоторые данные TPS, уже присутствующие в служебных таблицах, вводятся мультиплексером еще и в поле tps-mip. Это упрощает дистанционное программирование всех распределенных по сети канальных кодеров в плане выбора числа базисных функций для Быстрого преобразования Фурье, уровня модуляции, относительной скорости помехозащитного кодирования и размеров защитного интервала.
В состав MIP может быть также включена информация для конфигурации отдельных передатчиков, которая позволяет им выполнять подстройку своих временных, частотных или мощностных параметров. Такая информация может передаваться индивидуально для каждого передатчика. Возможные варианты применения. Для обеспечения источника эталонного времени для мультиплексеров, размещенных на удаленных передающих станциях, может быть использован следующих механизм.
В каждой точке может быть установлен 24-битный счетчик, который переключается эталонным генератором 10 МГц и раз в секунду сбрасывается импульсным маркером GPS. Для обозначения начала мегафрейма M+1 в MIP мегафрейма М мультиплексер указывает значение своего личного счетчика, которое будет достигнуто в момент начала пакета мегафрейма M+1. Это значение заносится в трехбайтное поле STS (synchronization_time_stamp). Величина задержки вводится оператором в трехбайтное поле MD (maximum_delay). Она должна быть заведомо больше возможной задержки сигнала в сети на его пути к передатчику и выражаться в количестве 100 нс (1/10 МГц) периодов.
Благодаря тому, что PID MIP’a заранее известен всем канальным кодерам сети, они смогут извлечь информацию, хранимую в этих полях, и сложить ее (synchronization_time_stamp + maximum_delay), а затем, дождавшись, когда местный счетчик досчитает до полученного значения, начать передачу мега-фрейма M+1. Под началом передачи подразумевается начало излучения первого символа, относящегося к мега-фрейму, передающей антенной. При этом канальный кодер дополнительно должен внести коррективы задержек, связанных с обработкой сигнала в самом кодере и в усилительных устройствах каналообразующего тракта.

Авторы с удовольствием ответят на все вопросы и практические замечания.
Вопросы можно присылать на е-mail: anna@telesputnik.ru


Литература
1. С.Н. Песков , И.А. Колпаков и др. Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания. «Теле-Спутник» 2007, №2, с.32-35.
2. CENELEC EN 50083-9: «Cable networks for television signals, sound signals and interactive services — Part 9: Interfaces for CATV/SMATV headends and similar professional equipment for DVB/MPEG-2 transport streams».
3. ETSI EN 300 744: «Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television».4. Specification of a mega-frame for SFN synchronization (TS 101 191 ).
1 Количество базисных функций соответствует числу ортогональных поднесущих и определяется выбранным режимом передачи 2к или 8к.


 
Теле-Спутник Июль 2007
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт