Кодирование и передача сигналов цифрового ТВ

Геннадий Мамчев, Анатолий Белов

  

Особенности передачи сигналов цифрового телевидения по эфирным каналам связи

Кодирование в цифровом ТВ

Иллюстрация © SNEG5.com

Содержание

Перемежение и скремблирование

Коды, исправляющие ошибки

• Проверка на четность
• Коды Рида-Соломона
• Свёрточное кодирование
• Каскадное кодирование

Способы модуляции, применяемые при передаче сигналов цифрового телевидения по радиоканалу

• COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
• Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

Продолжение серии статей о цифровом телевидении в России. Предыдущие статьи:

• «Изобретение телевидения. История и современность»

• «Аналоговое телевидение как базовая основа цифрового ТВ»

• «Практическое использование видеокомпрессии в телевидении»

• «Цифровое телевидение стандартов DVB-T и DVB-T2»

В цифровых вещательных телевизионных системах по радиоканалам необходимо передавать цифровой сигнал – транспортный поток МРЕС-2 (точнее – транспортный поток стандарта DVB-Т). Этот цифровой сигнал необходимо передавать в выделенной для данного радиоканала полосе частот. При этом необходимо решать задачи модуляции несущего колебания цифровым сигналом и защиты его от помех.

Одним из главных требований к системам цифрового телевидения является использование существующих радиоканалов телевизионного вещания. [1, с. 203]

Одновременно выполняемые операции перемешивания данных и помехоустойчивое кодирование очень часто называются канальным кодированием, которое реализуется непосредственно перед передачей цифровой информации по радиоканалу и, как правило, совмещается е модуляцией. Канальное кодирование, как правило, основано на введении некоторой избыточности в передаваемое сообщение для того, чтобы влияние помех на цифровой сигнал в радиоканале было минимальным. [1, с. 205]

Перемежение и скремблирование

Одним из эффективных методов уменьшения влияния пакетных ошибок является перемежение или перемешивание, являющееся способом безызбыточной перестановки символов передаваемого сигнала с целью их декоррелирования для преобразования на приеме, возможных пакетов ошибок в группы независимых случайных ошибок.

Перемежение в технической литературе иногда называют интерливингом (англ. – interleaving). Данные перед передачей по каналу связи переставляются в заданном порядке, а в приемной части восстанавливается исходный порядок, то есть выполняется деперемежение. При этом пакетная ошибка, возникшая в канале связи, превращается в набор рассредоточенных во времени одиночных ошибок, которые проще обнаруживаются и исправляются с помощью кодов, исправляющих ошибки. [1, с. 205]

Коды, исправляющие ошибки

Помехоустойчивое кодирование передаваемой информации позволяет в приемной части системы обнаруживать и исправлять ошибки. Коды, применяемые при помехоустойчивом кодировании, называются корректирующими кодами или кодами, исправляющими ошибки.

Если применяемый способ кодирования позволяет обнаружить ошибочные кодовые комбинации, то в случае приема изображения можно заменить принятый с ошибкой элемент изображения на предыдущий принятый элемент или на соответствующий элемент предыдущей строки или предыдущего кадра. При этом заметность искажений на экране телевизионного приемника существенно уменьшается. Такой способ называется маскировкой ошибки. [1, с. 207]

Рис. 4.4. Место кодов Рида-Соломона

Рис. 4.4. Место кодов Рида-Соломона в классификации корректирующих кодов

Корректирующие коды разделяются на блочные и сверточные (непрерывные). Блочные коды основаны на перекодировании исходной кодовой комбинации (блока), содержащей k информационных символов, в передаваемую кодовую комбинацию, содержащую n > k символов. Дополнительные р = n – k символов зависят только от k символов исходной кодовой комбинации. Следовательно, кодирование и декодирование осуществляются всегда в пределах одной кодовой комбинации (блока). В противоположность этому в сверточных кодах кодирование и декодирование осуществляются непрерывно над последовательностью двоичных символов.

Блочные коды бывают разделимые и неразделимые. В разделимых кодах можно в каждой кодовой комбинации указать, какие символы являются информационными, а какие проверочными. В неразделимых кодах такая возможность отсутствует.

Следующая ступень классификации — систематические коды. Они отличаются тем, что в них проверочные символы формируются из информационных символов по определенным правилам, выражаемым математическими соотношениями. Например, каждый проверочный символ Xp получается как линейная комбинация информационных символов. [1, с. 210]

Проверка на четность

Один из самых простых и известных примеров помехоустойчивого кодирования — проверка на четность. В каждую кодовую комбинацию вводится один дополнительный двоичный символ Хp, называемый контрольным или проверочным битом. Этот бит устанавливается равным 1, если сумма единиц в исходной кодовой комбинации равна нечетному числу, и равным 0 в противоположном случае. Код с одной проверкой на четность, обнаруживающий только одиночные ошибки, применяется в тех случаях, когда необходимо лишь контролировать качество передачи, например, в каналах связи с достаточно малой вероятностью ошибки. [1, с. 208]

Построение кода с заданными n и k может осуществляться разными способами. Есть хорошо разработанные математические методы решения этой задачи и обширная литература. Для цифровых телевизионных систем большое значение имеет возможность коррекции пакетных ошибок, искажающих сразу несколько соседних двоичных символов. Кроме того, при выборе кода для системы цифрового телевидения необходимо обеспечить по возможности простой метод декодирования, так как декодер должен быть в каждом телевизионном приемнике. [1, с. 209]

Коды Рида-Соломона

В современных системах цифрового телевидения для обеспечения помехоустойчивой передачи цифровых телевизионных сигналов по радиоканалу используются наиболее совершенные коды Рида-Соломона (Reed-Solomon), требующие добавления двух проверочных символов в расчете на одну исправляемую ошибку. Коды Рида-Соломона обладают высокими корректирующими свойствами, для них разработаны относительно простые и конструктивные методы кодирования. Коды Рида-Соломона не являются двоичными. Это надо понимать в том смысле, что символами кодовых слов являются не двоичные знаки, а элементы множества чисел, состоящего более чем из двух знаков (хотя, конечно, при передаче каждый символ заменяется соответствующей двоичной комбинацией).

Коды Рида-Соломона, относящиеся к классу циклических кодов, образуют подгруппу блоковых кодов. Они получаются из любой разрешенной комбинации путем циклического сдвига ее разрядов. Кодирование и декодирование, обнаруживающее и исправляющее ошибки, – это вычислительные процедуры, которые для циклических кодов удобно выполнять как действия с многочленами и реализацию в виде цифровых устройств на базе регистров сдвига с обратными связями. [1, с. 210]

Отметим также, что используемый в цифровом телевизионном вещании код Рида-Соломона часто называют укороченным. Смысл этого термина состоит в следующем. Из теории кодов Рида-Соломона следует, что если символом кода является байт, то полная длина кодового слова должна составлять 255 байт (239 информационных и 16 проверочных). Однако, пакет транспортного потока MPEG-2 содержит 188 байт. Чтобы согласовать размер пакета c параметрами кода, перед кодированием в начало каждого транспортного пакета добавляют 51 нулевой информационный байт, а после кодирования эти дополнительные нулевые байты отбрасывают.

В приемнике для каждого принятого транспортного пакета, содержащего 204 байта, вычисляются синдромы и находятся два полинома: «локатор», корни которого показывают положение ошибок, и «корректор» (evaluator), дающий значение ошибок. Ошибки корректируются, сели это возможно. Если же коррекция невозможна (например, ошибочных байт более 8) данные в пакете не изменяются, а сам пакет помечается путем установки флага (первый бит после синхробайта), как содержащий неустранимые ошибки. В обоих случаях 16 избыточных байт удаляются, и после декодирования длина транспортного пакета становится равной 188 байт. [1, с. 215]

Свёрточное кодирование

Другой класс корректирующих кодов, используемых в современном цифровом телевидении, — это сверточные коды, основанные на преобразовании входной бесконечной последовательности двоичных символов в выходную бесконечную последовательность двоичных символов, в которой на каждый символ входной последовательности приходится более одного символа. Увеличение количества передаваемых двоичных символов при использовании сверточных кодов характеризуется относительной скоростью кода, иногда называемой просто скоростью кода. [1, с. 215]

Для декодирования сверточных кодов чаще всего применяется алгоритм Витерби, который позволяет из множества возможных путей, приводящих к последнему декодируемому символу принятой последовательности, выбрать относительно небольшое число путей, являющихся наиболее правдоподобными, и определить правильное значение символа исходной последовательности. [1, с. 217]

Каскадное кодирование

В системах наземного цифрового телевизионного вещания, как правило, используется каскадное кодирование, которое может быть как последовательным, так и параллельным.

Современные системы цифрового телевизионного вещания, передающие потоки данных с высокой степенью сжатия, обладают повышенной чувствительностью к ошибкам, поэтому они предъявляют очень высокие требования к надежности кодовой защиты. Кодовое расстояние зависит от избыточности кода. Поэтому для исправления пакетов ошибок (ошибок большой степени кратности) потребовалось бы значительно увеличить избыточность кода Рида-Соломона и тем самым загрузить канал передачи избыточной информацией в ущерб основной. Наиболее высокая исправляющая способность по отношению к одиночным и пакетированным ошибкам достигается при использовании каскадного кодирования, впервые предложенного Форни. [1, с. 218]

Термин каскадное кодирование последовательного типа характеризует случай использования двух последовательно включенных кодеков, как правило, различного типа, оптимизированных для исправления ошибок различной структуры (рис. 4.8). [1, с. 219]

Рис. 4.8. Схема каскадного кодирования

Рис. 4.8. Схема каскадного кодирования

Каскадное кодирование с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним сверточным кодом при относительной скорости R = 1/2 (с декодером Витерби) позволяет работать в радиоканале с отношением сигнал/шум 3 дБ, обеспечивая вероятность ошибки декодирования Р = 10-10. [1, с. 220]

Способы модуляции, применяемые при передаче сигналов цифрового телевидения по радиоканалу

Один из основных вопросов, касающихся передачи данных c заданной скоростью, — распределение энергии в спектре электрического сигнала, переносящего данные, и согласование этого распределения с характеристиками канала связи. По своей природе двоичные сигналы – это последовательность прямоугольных импульсов, а для передачи таких импульсов без искажений требуется теоретически бесконечно большая полоса частот.

Однако реальные каналы связи могут обеспечить лишь ограниченную полосу частот, поэтому необходимо согласовывать передаваемые сигналы с параметрами каналов. Такое согласование выполняется благодаря кодированию исходных данных за счет обеспечения специальной формы импульсов, переносящих данные, например, путем сглаживания прямоугольной формы спектральной плотности импульса по косинусоидальному закону, а также с помощью различных видов модуляции.

Модуляция несущей цифровыми сигналами заключается в том, что модулируемый параметр несущей может принимать в результате модуляции ряд дискретных значений. Параметры несущего колебания меняются дискретно и во времени. Интервал времени, в течение которого эти параметры остаются постоянными, называется символьным интервалом или интервалом канального символа. В течение каждого символьного интервала передается один бит или одновременно несколько бит, образующих канальный символ. [1, с. 223]

Теоретически «барьер Найквиста» может быть преодолен за счет повышения отношения сигнал/шум в канале связи до очень большого значения, что практически не возможно. Для повышения эффективности использования полосы частот канальный символ должен содержать по возможности больше бит передаваемой информации. Для этого в каждый момент времени сигнал в канале связи должен иметь не два, а больше возможных значений. Поэтому для повышения удельной скорости передачи данных (преодоления барьера Найквиста) необходимо перейти к многопозиционной (комбинированной) модуляции, при которой каждая электрическая посылка несет более 1 бита информации.

К способам многопозиционной модуляции, используемым в системах наземного цифрового телевидения, относится многочастотная схема модуляции с ортогональным частотным распределением несущих в полосе канала вещания, называемая иногда частотным уплотнением с ортогональными несущими (OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing). [1, с. 223]

COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

В современных системах цифрового наземного телевидения модуляцию несущей совмещают с помехоустойчивым кодированием, при котором вводится дополнительная избыточность, обеспечивающая повышение помехоустойчивости. Такую модуляцию, совмещенную с кодированием, называют кодированной модуляцией (Coded Modulation). В частности, сочетание помехоустойчивого кодирования с OFDM называют COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

При выборе метода модуляции очень важно учитывать характеристики канала передачи.

Практически в любом канале связи наземного телевидения со стандартными полосами частот 6; 7 и 8 МГц возникают помехи из-за многолучевого приема, обусловленного рельефом местности, и отражений, вызванных как статическими объектами, например зданиями, так и динамическими объектами, например, самолетами.

В этом случае основным разрушающим фактором для цифрового канала становится интерференция, при которой в декодер поступают две (или несколько) одинаковые по характеру чередования символов, но сдвинутые по времени последовательности. Если задержка одного из лучей становится равной или больше половины длительности символа, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного разрушения канала.

Каналы связи наземного телевидения отличает высокий уровень промышленных помех. Из-за переполнения частотного диапазона, в котором возможно наземное вещание, велика вероятность интерференционных помех за счет взаимодействия с сигналами совмещенных и соседних каналов. При выборе способа модуляции в наземном цифровом телевидении следует учитывать способность работы в условиях приема на комнатные антенны и антенны портативных телевизионных приемников, а также возможность функционирования в одночастотных сетях.

При этом прием сигналов цифрового телевидения в мобильных условиях рассматривается не как обязательное требование, а как желательная возможность. Способность работы в условиях быстроменяющихся характеристик канала связи также не является абсолютным условием.

В данном случае примером одночастотной сети может служить сеть синхронных радиопередатчиков малой мощности, располагающихся в зонах плохого приема сигнала основного передатчика и работающих на той же самой частоте, что и основной.

Модуляция типа COFDM отвечает сформулированным выше требованиям. [1, с. 224]

При использовании модуляции типа OFDM поток данных передается с помощью большого числа несущих. В этом случае высокоскоростной последовательный цифровой поток разделяется на большое число низкоскоростных потоков, передаваемых на отдельных несущих. Благодаря большому числу несущих длительность символа, то сеть группы из нескольких бит, рассматриваемых как единое целое, в каждом из параллельных потоков оказывается в тысячи раз больше, чем в исходном последовательном потоке.

Такая большая длина символа обеспечивает хорошую защиту от межсимвольных искажений, обусловленных интерференцией, так как отражение сигнала чаще поражают не весь, а лишь часть символа. Подобно квадратурной модуляции, способ OFDM использует ортогональные несущие, но в отличие от квадратурной модуляции частоты этих несущих не являются одинаковыми, они расположены в некотором диапазоне частот, отведенном для передачи данных путем модуляции и кратны некоторой основной частоте. [1, с. 225]

Читать или скачать эту статью в формате PDF, 12 стр

Кодирование и передача сигналов цифрового ТВ

Контейнер данных COFDM отлично приспособлен к условиям передачи данных в наземном телевидении благодаря возможности раздельной обработки сигналов большого числа несущих. Благодаря применению COFDM возможна организация сетей телевизионного вещания c перекрытием частот передающих станций, работающих на одной частоте.

Скорость передачи данных в канале связи с модуляцией типа COFDM зависит от вида модуляции несущих, установленных значений кодовой скорости и защитного интервала между символами. Если кодовая скорость находится в пределах от 1/2 до 7/8 (разность между знаменателем и числителем равна числу добавленных проверочных бит), то скорость цифровой передачи составляет:

при QPSK — 4,98…10,56 Мбит/с;
при QAM-16 — 9,95…21,11 Мбит/с;
при QAM-64 — 14,93…31,67 Мбит/с.

Для достижения требуемой помехоустойчивости модулирующие потоки данных могут кодироваться кодами с разными скоростями. [1, с. 230]

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)

Данный способ модуляции относится к комбинированным. В случае QAM промодулированный сигнал представляет собой сумму двух ортогональных несущих: косинусоидальной и синусоидальной, амплитуды которых принимают независимые дискретные значения. [1, с. 230]

В системах цифрового телевидения широко используются QAM-16 и QAM-64. В данном случае числа в обозначениях типа модуляции означают количество вариантов суммарного сигнала. Например, в модуляции QAM-64 несущая может иметь 9 значений амплитуды и 48 значений фазы. В многопозиционных способах модуляции разрядность символа, соответствующего любой позиции сигнального вектора, равна log 2 σ, где σ – количество вариантов суммарного сигнала, то есть кратность модуляции. [1, с. 233]

Оси координат на рис. 4.15 соответствуют синфазной J и квадратурной Q составляющим сигнала. В модуляции типа QAM- 16 несущая может иметь три значения амплитуды и 12 значений фазы, причем каждой позиции сигнального вектора соответствует четырехразрядный символ, состоящий из двоичных импульсов. При формировании подобных символов используется код Грея, поэтому соседние символы отличаются значением бита только в одном разряде, что минимизирует вероятность ошибки на символ.

Рис. 4.15. Векторная диаграмма

Рис. 4.15. Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при ОАМ-16 (х = 1) [4, с. 231]
Рис. 4.17. Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при QAM-16 (х = 2)
Рис. 4.18. Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при QАМ-64 (х = 4) [4, с. 233]

С точки зрения помехоустойчивости важно сохранить достаточно большим минимальное расстояние между двумя соседними точками в фазово-амплитудном пространстве. Доказано, что это условие выполняется при размещении сигнальных точек в узлах квадратной решетки. [1, с. 231]

Рис. 4.16. Возможная структурная схема модулятора QAM-16

Рис. 4.16. Возможная структурная схема модулятора QAM-16 [1, с. 232]

Для примера рассмотрим принцип построения квадратурного модулятора QAM-16 (рис. 4.16). Входной поток данных вначале подвергается необходимой цифровой обработке в процессоре данных. Так как модуляция QAM-16 обеспечивает удельную скорость передачи 4 (бит/с)/Гц, то для последующей модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разделяется на четыре подпотока с соответственно сниженными скоростями.

Затем производится цифро-аналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один четырехуровневый с одновременным формированием их спектра в ЦТФ, где импульсам придается сглаженная форма. Четырехуровневые сигналы в каналах J и Q управляют работой балансных модуляторов, выходные сигналы которых складываются, образуя сигнал QAM-16 с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные модуляторы несущая поступает со сдвигом π/2, то есть в квадратуре.

Выходной сигнал модулятора на промежуточной частоте несущей проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внеполосные излучения, и может быть конвертирован в полосу любого вещательного канала. [1, с. 232]

Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

QPSK — это дискретная фазовая манипуляция е основным дискретом π/2 при постоянной амплитуде сигнала. В этом методе модуляции все импульсы входной информационной последовательности модулятора разбиваются на пары – на двухбитовые символы, и при переходе от символа к символу начальная фаза сигнала изменяется на величину Δᵩ, которая определяется битами символа в соответствии с алгоритмом, приведенном в табл. 4.1.

Векторная диаграмма возможных состояний сигнала в случае модуляции QPSK представлена на рис. 4.19.

Таблица 4.1 Закон фазовой манипуляции метода QPSK.  Рис. 4.19. Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при QPSK

Таблица 4.1 Закон фазовой манипуляции метода QPSK.
Рис. 4.19. Векторная диаграмма возможных состояний сигнала при QPSK [1, с. 234]

Обобщенная функциональная схема модулятора QPSK приведена на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Функциональная схема модулятора QPSK

Рис. 4.20. Функциональная схема модулятора QPSK

Цифровые потоки J и Q подвергаются сглаживанию в формирующих фильтрах (ФФ), выходные сигналы которых непосредственно управляют работой четырехфазового модулятора, состоящего из двух балансных модуляторов и сумматора. [1, с. 234]

Источник

Мамчев, Г. В. Цифровое телевизионное вещание. Учебное пособие для ВУЗов / Г. В. Мамчев. — Москва : Горячая линия — Телеком, 2014. — 448 c. — Текст : непосредственный. 

Общая оценка материала: 4.9
Оценка незарегистрированных пользователей:
[Total: 25 Average: 5]