: архив : архив журнала "625" : 1999 : #7

Методы передачи данных в цифровом телевидении
Часть 2. Стандарт цифрового телевидения ATSC
Константин Гласман, иллюстрации Маргариты Покопцевой

Концепция системы ATSC

Цель и задачи
Cтандарт цифрового телевидения ATSC (Advanced Television Systems Committee) описывает систему, спроектированную с целью передачи высококачественного изображения, звука, а также дополнительных данных в полосе частот 6 МГц, соответствующей ширине канала аналогового телевидения NTSC. Техническими задачами, решаемыми в процессе проектирования, были минимизация объема данных, несущих информацию об изображении и звуке, и достижение предельно высокой пропускной способности канала связи при сохранении заданного качества. Хотя стандарт не регламентирует строго формат представления передаваемого изображения, ясно, что речь идет о телевидении высокой четкости.

Система телевизионного вещания не может обойтись без компрессии. Ведь если это телевидение высокой четкости, то оцифрованное изображение имеет скорость потока данных порядка 1 Гбит/с, а чтобы передать такой поток в полосе 6 МГц, надо добиться удельной скорости передачи более 150 (бит/с)/Гц. Барьер Найквиста (2 (бит/с)/Гц), как известно, преодолеть можно, но для этого надо повысить отношение сигнал/шум до огромных величин, что в наземном телевидении просто невозможно. Современные методы видеокомпрессии позволяют добиться более плотной "упаковки" изображения, при которой можно уменьшить скорость передачи данных раз в 50. Таким образом система, должна передавать в канале связи шириной 6 МГц поток данных примерно 20 Мбит/с, для чего требуется удельная скорость передачи данных несколько выше 3 (бит/с)/Гц. Такая задача по плечу современной технике связи, хотя она далеко не тривиальна, ведь наземное телевидение характеризуется сравнительно высоким уровнем разнообразных шумов, помех и искажений. Система ATSC предназначена для формирования и передачи потока данных ТВЧ со скоростью 19,28 Мбит/с в условиях наземного телевизионного вещания и двух потоков данных по 19,28 Мбит/с каждый в сетях кабельного телевидения в одном канале шириной 6 МГц.

Подсистемы

Концепция системы ATSC отвечает принципу модульности. В ее структуре, основанной на рекомендациях Исследовательской группы ITU 11/3, можно выделить три подсистемы, выполняющих кодирование источника, формирование транспортного потока, канальное кодирование и модуляцию (рис. 1). Целью кодирования источника является компрессия телевизионного изображения и звука. В подсистеме кодирования источника ATSC используется синтаксис потока MPEG-2 для кодирования изображения и правила стандарта компрессии AC-3 для кодирования звука. При формировании транспортного потока используется синтаксис транспортного потока MPEG-2 для пакетизации потоков видео, звука и дополнительных данных. Формируемые транспортные пакеты имеют фиксированную длину 188 байтов (первый из них является байтом синхронизации), которая считается оптимальной для условий передачи сигналов телевизионного вещания. Таким образом, в значительной части система ATSC представляет собой подмножество MPEG-2. Стандарту MPEG-2 соответствуют подсистемы кодирования источника и транспортного мультиплексирования. В подсистеме канального кодирования и модуляции, трансформирующей транспортный поток данных в радиосигнал, используется многоуровневая амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой. Эта подсистема часто называется VSB (Vestigial Sideband - частично подавленная боковая полоса).

Форматы сигналов и компрессии

Стандарт ATSC не регламентирует форматы входных цифровых сигналов изображения, которые могут использоваться при производстве телевизионных программ. Но в стандарте приводятся некоторые принятые в США форматы (они находятся в Таблице 1 приложения А к стандарту ATSC), которые могут использоваться в качестве входных для выполнения компрессии (табл. 1). В будущем могут использоваться сигналы и других форматов.

Таблица 1. Допустимые стандарты изображения
	Стандарт
Параметр	SMPTE 274M	SMPTE S17.392	ITU-R BT.60 1-4
Число активных строк	1080	720	483
Число активных элементов в строке	1920	1280	720

Система ATSC основывается на подмножестве MPEG-2, определяемом как высокий уровень основного профиля MPEG-2 MP@HL. Это подмножество включает форматы с числом активных строк до 1152 и числом элементов в активной части строки до 1920, причем скорость потока компрессированных данных не должна превышать 80 Мбит/с. Параметры системы ATSC находятся в пределах этих ограничений. Это означает, что декодеры, отвечающие требованиям MPEG-2 MP@HL, должны декодировать поток данных, образованный в соответствии со стандартом ATSC (но обратное не является обязательным). В таблице 2 приведены форматы компрессии, в соответствии с которыми компрессируются и передаются данные стандарта ATSC (эта таблица известна как Таблица 3 приложения А).

Тадлица 2. Разрешенные форматы компрессии
Число активных строк	Число элементов в активной части строки	Формат изображения	Частота кадров, Гц	Разложение
1080	1920	16:9	24,30	Построчное
			30	Прогрессивное
720	1280	16:9	24, 30, 60	Построчное
480	704	4:3, 16:9	24, 30, 60	Построчное
			30	Прогрессивное
	640	4:3	24, 30, 60	Построчное
			30	Прогрессивное

- стандарт компрессии MPEG-2 требует, чтобы число строк было бы кратно 32 при чересстрочном разложении и 16 - при построчном. Поэтому в случае использования входного сигнала стандарта SMPTE 274M кодер работает с 1088 строками (1088=32х34). Дополнительные 8 строк являются "пустыми", они всегда располагаются последними (их расположение выбрано, исходя из простоты реализации кодирующего устройства). Эти 8 строк не несут полезной информации, хотя и добавляют некоторое количество данных к общему потоку;

Таблица 3. Параметры систем VSB для наземного и кабельного телевидения
Параметр	Наземное телевидение 8T-VSB	Кабельное телевидение 16-VSB
Ширина полосы частот канала, МГц	6	6
Превышение предельной ширины полосы частот, %	11,5	11,5
Частота следования символов, МГц	10,76	10,76
Количество битов на символ	3	4
Скорость решетчетого кодирования	2/3	-
Кодирование Рида-Соломона	Т=10 (207,187)	Т=10 (207,187)
Длина сегмента, количество символов	832	832
Синхросигнал сегмента, количество символов на один сегмент	4	4
Синхросегмент поля	1 на 313 сегментов	1 на 313 сегментов
Скорость передачи данных, Мбит/с	19,3	38,6
Режекторная фильтрация сигнала NTSC в приемнике	Режекторный фильтр	-
Относительная мощность пилот-сигнала, дБ	0,3	0,3
Пороговое отношение сигнал/шум C/N, дБ	14,9	28,3

- для формата 480 активных строк в каждой активной строке может быть лишь 704 или 640 элементов (это также связано с особенностями кодирования MPEG-2). Если входной сигнал основывается на стандарте ITU-R BT/601-4, то он содержит 483 активных строки по 720 элементов, или пикселов, в каждой. Но только 480 строк из 483 и 704 пиксела из 720 используются для кодирования. Формат 480 строк по 640 пикселов соответствует формату VGA, используемому в компьютерной технике, что позволяет передавать цифровой телевизионный сигнал прямо на VGA-монитор компьютера;

- кроме частоты кадров 60 Гц, разрешенной также является и частота 59,94 Гц (60/1,001). Такие же разрешенные парные частоты существуют и для частот кадров 24 и 30 Гц;

- для формата с 1080 активными строками (с общим числом строк в кадре, равным 1125, и числом элементов в строке - 2200) используется частота дискретизации 74,25 МГц при тридцати кадрах в секунду. Такая же частота дискретизации используется для формата с 720 активными строками (с общим числом строк в кадре, равным 750, и числом элементов в строке - 1650) при частоте кадров 60 Гц. При использовании формата 480 активных строк (525 полных строк в кадре, 858 элементов в полной строке) частота дискретизации равна 13,5 МГц при частоте полей 59,94 Гц.

Принципы передачи данных в системе VSB

Синхронизация
Подсистема канального кодирования и модуляции VSB разработана специально для цифрового телевидения, но она впитала в себя особенности используемого в США способа передачи аналогового телевизионного сигнала NTSC, благодаря которым система NTSC является довольно надежной и устойчивой в условиях наземного вещания. Система цифрового телевидения ATSC в течение продолжительного времени должна сосуществовать с аналоговой системой NTSC. Некоторое сходство двух систем, конечно, должно облегчить врастание ATSC в существующую инфраструктуру сетей телевизионного вещания.

Система NTSC обладает высокой помехоустойчивостью с точки зрения надежности синхронизации по строкам и полям. Приемник NTSC хорошо синхронизируется даже при таком большом уровне флуктуационных и импульсных помех, при котором изображение сильно искажено и практически неприемлемо для зрителя. Это объясняется достоинствами используемого в системе NTSC способа синхронизации с включением синхронизирующих импульсов строк и полей. Параметры импульсов стандартизованы, они повторяются со строгой периодичностью, что позволяет создавать высококачественные схемы для их выделения. За счет лишь частичного подавления несущей и нижней боковой полосы достигается высокое качество демодуляции принимаемого радиосигнала при сравнительно простых схемах детектирования. Эти две особенности NTSC: включение дополнительных сигналов для синхронизации и амплитудная модуляция с частично подавленной несущей и нижней боковой полосой - используются и в системе VSB.

Достижения цифровой технологии позволяют улучшить качество передачи сигнала изображения при том же уровне помех за счет применения кодирования, обнаруживающего и исправляющего ошибки. Но при значительном уровне помех качество изображения и звука в цифровой системе все равно падает до неприемлемого. В аналоговых системах передачи небольшому увеличению уровня шума соответствует также небольшое ухудшение качества, а в цифровых системах ситуация принципиальна другая. Сначала увеличение шума не приводит ни к каким последствиям (так происходит до тех пор, пока системы исправления ошибок справляются с шумами и помехами), но потом падение качества с ростом уровня шума является скачкообразным. Уровень шума (а также соответствующее ему отношение сигнал/шум), при котором передаваемый сигнал полностью и практически сразу разрушается, называют пороговым. При проектировании системы VSB ставилась задача, чтобы приемник надежно синхронизировался даже при уровне помех, превышающем пороговый, при котором качество изображения и звука становится неприемлемым. В качестве примера ситуации, когда это необходимо, можно привести вращение антенны, при котором сигнал падает до уровня, когда нет изображения и звука, но остается синхронизация и индикация параметров принимаемого сигнала. Другими примерами могут быть частотно-избирательное затухание из-за многолучевого приема или пакетная ошибка из-за импульсной помехи. В этих случаях данные, потерянные из-за уменьшения уровня сигнала, могут быть восстановлены или исправлены, но только при условии, что синхронизация не нарушена.

Для обеспечения надежной синхронизации в системе VSB используются три дополнительных сигнала:

- пилот-сигнал низкого уровня с частотой несущей, обеспечивающий надежное выделение несущего колебания на приемной стороне;
- сигнал синхронизации сегмента данных, обеспечивающий восстановление тактовой частоты пакета данных и ее подстройку, как по частоте, так и по фазе;
- сигнал синхронизации кадра данных, служащий для правильного структурирования данных в приемнике, а также для настройки корректоров сигнала в приемнике.

Спектр

Структура и параметры радиосигнала системы NTSC позволяют обеспечить надежную синхронизацию, за счет увеличения мощности передатчика и снижения эффективности использования полосы частот. Спектр радиосигнала NTSC (рис. 2) неравномерен, в нем выделяются три гармонических колебания с частотами FV (несущая сигнала яркости изображения), FC (поднесущая сигнала цветности) и FA (несущая звукового сигнала). На передачу этих гармонических колебаний расходуется основная доля мощности, что и означает неэффективное использование мощности передатчика. Кроме того, средняя мощность излучаемого сигнала зависит от содержания изображения. Требуемая ширина полосы частот канала равна 6 МГц, а ширина спектра сигнала яркости составляет всего 4,2 МГц, что означает не слишком эффективное использование полосы частот (полоса канала на 43% больше ширины спектра). Однако надо отметить, что в полосе 6 МГц передаются еще и цвет и звук, что повышает эффективность использования полосы частот.

В системе VSB (рис. 3) эффективность использования полосы частот канала и мощности передатчика гораздо выше. Система VSB позволяет передавать поток данных, в котором символы следуют друг за другом с частотой 10,76 МГц. Пределу Найквиста соответствовала бы полоса частот канала 5,38 МГц. Полоса 6 МГц, занимаемая сигналом VSB при использовании амплитудной модуляции с частично подавленной боковой полосой, лишь на 0,62 МГц, или на 11,5% больше теоретического предела. Эффективность использования полосы частот канала связи - весьма высока.

Излучаемый цифровой сигнал является шумоподобным, его спектр характеризуется высокой равномерностью. В спектре присутствует лишь один гармонический пилот-сигнал низкого уровня с частотой FP (это частично подавленная несущая), что означает высокую эффективность использования мощности передатчика. Величина несущей - невелика и добавляет всего 0,3 дБ к общей мощности радиосигнала. Отсутствие в спектре сигнала VSB мощных гармонических колебаний означает также, что он будет создавать сравнительно мало помех для сигналов передатчиков NTSC, работающих в том же частотном канале. Надо отметить, что энергетические показатели, с помощью которых целесообразно описывать цифровые и аналоговые радиосигналы, не совпадают. В сигнале NTSC средняя мощность сильно зависит от содержания изображения. Показателем является мощность радиочастотной несущей, измеренная во время интервала синхроимпульса, то есть пиковая мощность.

В цифровом сигнале средняя мощность достаточно стабильна благодаря квазислучайному характеру сигнала. Поэтому именно средняя мощность и является измеряемым показателем. Распределение пиков мощности имеет случайную природу, например, сигнал VSB характеризуется тем, что 99,9% времени сигнал находится в пределах диапазона 6,3 дБ от средней мощности.

Модуляция

В системе VSB допустимы как двухпозиционный модулирующий сигнал, так и многопозиционный. При двухпозиционной передаче (рис. 4), обозначаемой как 2-VSB, модулирующий сигнал совпадает по форме с сигналом передаваемых данных и принимает в интервале каждого символа один из двух уровней (характеристические значения его симметричны относительно нуля, например +1 и -1). Удельная скорость передачи данных, благодаря тщательной отработке системы модуляции 1,79 (бит/с)/Гц, близка к теоретическому пределу. При многопозиционной передаче характеристические значения, располагающиеся симметрично относительно нуля, выбираются так, чтобы интервалы между ними были одинаковыми. Например, при восьмипозиционной передачи в системе 8-VSB (рис. 5) модулирующий сигнал принимает в интервале символа одно из восьми значений (-7, -5, -3, -1, +1, +3, +5, +7). В интервале одного символа передаются три двоичных разряда потока данных. При увеличенной в три раза удельной скорости в полосе 6 МГц система 8-VSB способна передавать поток данных 32,3 Мбит/с.

Система VSB разработана в нескольких вариантах, предусматривающих разную структуру модулирующего сигнала: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 8T-VSB, 16-VSB. Количество уровней модулирующего сигнала меняется от двух до шестнадцати, при этом соответственно изменяется и скорость передачи данных, вычисляемая как частота следования символов, умноженная на логарифм количества уровней. Чем больше количество уровней модулирующего сигнала, тем меньше помехозащищенность. Исключением из этого правила является только система 8T-VSB, в которой используется дополнительное кодирование с целью борьбы с помехами (буква T - Trellis символизирует наименование этого кодирования - решетчатый код). Скорость этого кода равна 2/3, то есть к каждым двум передаваемым битам добавляется один проверочный. Кодирование увеличивает помехозащищенность, но снижает скорость передачи данных, по сравнению с системой 8-VSB. Общий объем передаваемых за единицу времени полезных данных в системе 8T-VSB такой же, как в 4-VSB. Система 8T-VSB была выбрана для наземного вещания, характеризуемого сравнительно высоким уровнем помех, а 16-VSB - для кабельного цифрового телевизионного вещания.

Структурирование потока данных в системе VSB

Сегменты
Данные на входе системы VSB представляют собой последовательность пакетов транспортного потока MPEG-2. В них передаются видеосигнал, сигнал звукового сопровождения и различные дополнительные данные. Поступающие данные разбиваются на сегменты, состоящие из 832 символов (рис. 6). Частота следования символов равна FS=10,76 МГц во всех режимах работы. Длина сегмента согласуется с форматом пакетов данных транспортного потока MPEG-2, состоящих их 188 байтов каждый. Из пакета исключается байт синхронизации, а к оставшимся 187 байтам данных добавляются двадцать проверочных байтов кода Рида-Соломона. Структура образованного кодового слова (207,187) позволяет исправлять до десяти ошибочных байтов в каждом слове. Каждые два бита из пакета длиной 207 байтов трансформируются в процессе решетчатого кодирования в три бита, которые и определяют, какой из восьми уровней принимает модулирующий сигнал в интервале символа.

Из приведенных выше соображений следует, что один байт преобразуется в четыре символа, а 207 байтов пакета - в 828. Вместо байта синхронизации в сегмент включается синхросигнал сегмента длиной в четыре символа. Синхросигнал сегмента представляет собой импульс отрицательной полярности от уровня +5 до уровня -5 (длительность самого импульса равна длительности двух символов). Синхросигнал сегмента представляет собой периодически повторяющуюся структуру, с использованием которой может быть восстановлена частота следования символов и определены границы сегмента независимо от передаваемых данных. Благодаря квазислучайной природе данных периодически повторяющийся синхросигнал сегмента легко выделяется в приемнике с использованием корреляционного метода даже при отношении сигнал/шум около 0 дБ, то есть в условиях, когда шум равен сигналу. Введение синхросигнала не снижает эффективности передачи данных, так как он заменяет синхробайт транспортного пакета MPEG-2.

Поля и кадры

Группа из 312 сегментов, дополненная синхросегментом, образует поле данных, а два поля по 313 сегментов - кадр данных. Синхросегмент представляет собой структуру (рис. 7), длина которой равна длительности 832 символов (как и сегмент данных). Он включает в себя синхросигнал сегмента и на большей части своей длительности принимает всего два уровня (+5 и -5). Синхросегмент позволяет осуществить кадровую синхронизацию данных при отношении сигнал/шум до 0 дБ. Он используется для определения условий приема, таких, например, как отношение сигнал/шум, а также в качестве опорного сигнала при автоматической настройке корректоров приемника.

Пакет опорного сигнала PN511, состоящий из 511 двоичных символов, используется для настройки корректоров, построенных на многоточечных трансверсальных цифровых фильтрах и компенсирующих искажения канала на больших интервалах времени. Для настройки корректоров "малого времени" используются три опорные последовательности PN63. Средняя из трех последовательность PN63 инвертируется от поля к полю для идентификации полей. Псевдослучайные последовательности PN511 и PN63 формируются с использованием регистров сдвига, охваченных цепями обратной связи и тактируемых с частотой следования символов (рис. 8 и 9). Перед началом каждого поля данных производится инициализация генераторов последовательностей, заключающаяся в загрузке в регистры заданных двоичных чисел (100111 - в регистр, используемый в генераторе PN63, и 010000000 - в регистр PN511).

Рис. 8. Формирование последовательности PN63

Рис. 9. Формирование последовательности PN511

Последовательность ID представляет собой кодовое слово, указывающее на количество позиций модулирующего сигнала, то есть на режим VSB, что позволяет автоматически производить соответствующие перестройки в приемнике. Сигнал ID всегда передается в двоичной форме. В кодовое слово ID вводится избыточность для обнаружения и исправления ошибок, что обеспечивает его высокую помехозащищенность.

После 92 резервных интервалов передаются 12 символов, представляющих собой повторение 12 последних символов предшествующего сегмента. Эти повторяющиеся символы, включаемые только в системе 8T-VSB, используются для настройки устройств приемника.

Пилот-сигнал

Все варианты VSB используют идентичные синхросигналы для совместимости. Во всех системах добавляется также пилот-сигнал низкого уровня. Он создается путем добавления постоянного смещения величиной в 1,25 единицы к сигналу данных. Поскольку все уровни символов данных приблизительно равновероятны, то сигнал данных имеет нулевую постоянную составляющую. Амплитудная модуляция таким сигналом высокочастотной несущей была бы балансной, то есть в спектре модулированного колебания были бы только боковые полосы, самой несущей не было бы. Добавление смещения означает появление в модулированном радиосигнале несущей постоянной уровня. Величина несущей невелика и добавляет всего 0,3 дБ к общей мощности радиосигнала, но этого оказывается достаточно для восстановления несущей в приемнике в целях синхронного детектирования. Схемы восстановления несущей и синхросигналов действуют независимо от количества позиций многоуровневого модулирующего сигнала и работают при отношении сигнал/шум до 0 дБ.

Информационная емкость

Структура сформированного кадра данных, состоящего из двух полей данных, показана на рисунке 10. Используемая терминология невольно наводит на мысль об аналоговом сигнале. Да и длительности интервалов сегмента, поля и кадра данных близки к длительности аналоговой телевизионной строки, поля, кадра (длительность сегмента - 77,3 мкс, длительность поля данных - 24,2 мс, длительность кадра - 48,4 мс, 313 сегментов - поле и 626 - в кадре данных). Конечно, эти числа не случайны, стремление сохранить достоинства аналогового способа передачи и передать поток цифровых данных в канале аналогового телевидения в условиях сосуществования обеих систем наложило свой отпечаток, но никакой привязки кадра данных к кадру аналогового телевидения здесь нет. Поле и кадр данных определяют структуру цифрового потока, содержащего информацию о компрессированных изображении и звуке.

Рис. 10. Кадр данных VSB

Объем дополнительных данных, добавляемых к полезным для синхронизации и исправления ошибок, сравнительно невелик и составляет 11% ((207/187)x(313/312)=1,11) во всех режимах. Однако в системе наземного вещания 8T-VSB используется дополнительное решетчатое кодирование со скоростью 2/3, что увеличивает избыточность до 67%. Эти числа позволяют рассчитать важные параметры потока, приводимые в стандарте. Система VSB с восьмью уровнями модулирующего сигнала способна передавать три бита данных в интервале одного символа, что дает значение скорости передачи 3FS=32,29 Мбит/с. Однако если принять во внимание, что решетчатое кодирование имеет скорость 2/3, то эта величина сократится до 2FS=21,52 Мбит/с. Скорость непрерывного потока данных на выходе транспортного кодера Tr и частота следования символов должны быть жестко связаны друг с другом, поэтому скорость потока данных, принимаемого системой 8T-VSB с выхода формирователя транспортного потока и доставляемого на вход декодера транспортного потока в приемнике, равна Tr=2FSx(188/208)x(312/313)=19,39 Мбит/с. Чтобы найти объем полезных передаваемых данных, надо рассчитанную скорость уменьшить в соответствии со структурой кадра: 2FSx(312/313)x(828/832)x(187/207)=19,29 Мбит/с. Коэффициент (187/207) учитывает потери, связанные с добавлением проверочных данных при кодировании с целью обнаружения и исправления ошибок, коэффициент (828/832) позволяет учесть наличие сигнала синхронизации сегмента, а (312/313) - включение синхросегмента, отвечающего за синхронизацию кадров данных. В системе 16-VSB используются 16-уровневые модуляционные символы и нет решетчатого кодирования, поэтому каждый символ переносит четыре бита и скорость передачи полезных данных удваивается, по сравнению с 8T-VSB. Соответствующие расчеты дают 38,58 Мбит/с.

Обработка данных и сигналов в системе VSB

Принципы кодирования Система
VSB - подсистема ATSC, в которой выполняется кодирование с целью исправления ошибок и модуляция. Реальные каналы связи характеризуются столь разнообразными шумами, помехами и искажениями, что практически невозможно предложить эффективное решение проблемы ошибок с использованием лишь какой-либо одной системы кодирования. В канале связи проявляются флуктуационные шумы, приводящие к периодическому искажению отдельных битов потока данных; промышленные шумы и импульсные помехи типа разряда молнии, приводящие к длинным пакетным ошибкам; искажения из-за многолучевого приема, проявляющиеся в виде повторов, замираний и частотно-селективного подавления компонентов радиосигнала. И это еще не полный список. Исправление больших пакетов ошибок в принципе может быть достигнуто за счет увеличения длины кодового слова блокового кода, но такой лобовой подход на практике, как правило, не реализуем (можно вспомнить историю борьбы с ошибками из-за выпадений и флуктуационных шумов в цифровой видеозаписи). Эффективное решение проблемы борьбы с шумами и искажениями канала может быть только комплексным, включающим как применение нескольких каскадно-включенных кодеров, рассчитанных на разные типы ошибок, так и использование разнообразных способов перемешивания и перемежения данных. Поэтому обработка передаваемых данных перед модуляцией играет важнейшую роль.

Рандомизация

Данные на входе передатчика 8T-VSB (рис. 11) представляют собой последовательность пакетов транспортного потока MPEG-2. В этих пакетах передаются видеосигнал, сигнал звукового сопровождения и различные дополнительные данные. Первой операцией обработки данных, предшествующей обработке сигналов и модуляции, является рандомизация. Цель рандомизации - превращение сигнала данных в квазислучайный, что придает спектру излучаемого радиосигнала плоскую форму. Это повышает эффективность работы передатчика и минимизирует мешающее действие радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому сигналу NTSC совмещенного канала. Шумоподобная структура сигнала данных также способствует надежному выделению сигналов синхронизации. Дерандомизация (процедура возвращения потока данных в исходное состояние) выполняется на последнем этапе обработки данных в приемнике системы 8T-VSB (рис. 12), то есть непосредственно перед направлением принятых данных на вход декодера MPEG-2.

Рис. 11. Преобразование данных и сигналов в передатчике 8T-VSB

Рис. 12. Преобразование сигналов и данных в приемнике 8T-VSB

Рис. 13. Формирование псевдослучайной последовательности для рандомизации данных

Рандомизация выполняется путем сложения потока данных с псевдослучайной последовательностью. Генератор псевдослучайной последовательности строится на базе 16-разрядного регистра сдвига, охваченного обратной связью, которая подается на восемь промежуточных точек (рис. 13). Выходные сигналы восьми триггеров регистра образуют байты псевдослучайной последовательности (D0, D1, …,D7), которые поразрядно складываются по модулю 2 (с использованием элементов "исключающее ИЛИ") с байтами передаваемых данных. Инициализация генератора псевдослучайной последовательности осуществляется путем загрузки в регистр шестнадцатиричного числа F18016 (в триггер регистра, с выхода которого снимается сигнал обратной связи, записывается старший бит числа начальной загрузки). Инициализация производится в начале поля данных во время импульса синхронизации первого сегмента данных.

Кодирование Рида-Соломона

Кодирование Рида-Соломона заключается в добавлении к 187 байтам данных двадцати проверочных байтов. Такая система кодирования позволяет исправлять до десяти ошибочных байтов в каждом кодовом слове. Затем данные перемешиваются (порядок их следования меняется) в устройстве перемежения. Сигналы и слова синхронизации не перемешиваются, они должны сохранять свою структуру и периодичность для надежного выделения в приемнике. В приемнике исходный порядок следования данных восстанавливается. Но при этом длинные пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами, разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным кодовым словам кода Рида-Соломона. В каждое кодовое слово попадает лишь малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме проверочных данных.

Межсегментное перемежение

Первое перемежение данных, используемое в передатчике системы VSB, представляет собой межсегментное перемежение сверточного типа, выполняемое на коммутируемых регистрах, в которых каждая ячейка содержит один байт данных (рис. 14). Байты данных последовательно направляются в разные ветви, и после выходного коммутатора порядок их следования меняется. Благодаря перемежению в сегмент попадают байты из разных транспортных пакетов и разных кодовых слов кода Рида-Соломона. Межсегментное перемежение перемешивает байты данных в пределах 52 сегментов данных одного поля данных, что соответствует 1/6 части поля или приблизительно 4 мс во времени. Перемежению подвергаются только байты данных. Начало процесса сверточного перемежения привязано к первому байту данных поля.

Рис. 14. Межсегментное перемежение данных (M=4, B=52, BxM=N, N=208)

Перемежение - это мощный и эффективный способ борьбы с пакетными ошибками, не уменьшающий скорость кода. Межсегментное перемежение предназначено для повышения эффективности исправления больших пакетов ошибок с помощью кодирования Рида-Соломона. Но в системе 8T-VSB, предназначенной для использования в наземном телевизионном вещании, используется еще и вторая система кодирования для исправления ошибок -Trellis-кодирование. Оно принципиально отличается от блокового и является в некоторой степени аналогом внутреннего кодирования в цифровой видеозаписи. Для повышения эффективности Trellis-кодирования также используется перемежение, которое является в этом случае внутрисегментным.

Решетчатое кодирование

При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины. К каждому блоку информационных символов добавляется некоторое количество проверочных символов, то есть в поток данных вводится избыточность, что и позволяет при декодировании обнаруживать и исправлять ошибки. Важно указать, что каждый блок кодируется независимо от других. При другом древовидном способе кодирования поток данных разбивается на блоки гораздо меньшей длины, которые принято называть "кадрами информационных символов". Обычно кадр включает лишь несколько символов, или битов. К каждому кадру также добавляются проверочные символы, образуя кадры кодовых слов, но кодирование каждого кадра производится с учетом предыдущих. Таким образом, процесс кодирования связывает между собой последовательные кадры кодовых слов. Наиболее важным представителем древовидных кодов являtтся сверточныq код, обладающиq свойствами линейности и постоянства во времени. Сверточные и некоторые другие коды удобно описывать с помощью специальной диаграммы, или графа, узлы которого находятся в прямоугольной координатной сетке, называемой решеткой. От этого способа описания и идет название - решетчатые коды (trellis - решетка).

В системе 8T-VSB используется решетчатое кодирование со скоростью 2/3 (на кадр из двух информационных битов приходится кадр из трех кодированных битов на выходе кодера). Однако на самом деле из двух входных битов один подвергается предкодированию для интерференционного режекторного фильтра радиосигнала NTSC в приемнике, а второй - кодированию сверточного типа со скоростью 1/2 с использованием двухтриггерного цифрового автомата с четырьмя состояниями, который добавляет к каждому биту еще один (рис. 15). В устройстве решетчатого кодирования осуществляется также преобразование трехбитовых кадров, полученных из двух битов каждый, в восьмиуровневые символы, модулирующие несущее колебание в модуляторе.

Рис. 15. Решетчатое кодирование и формирование 8-позиционного сигнала

Внутрисегментное перемежение

Внутрисегментное перемежение осуществляется вместе с решетчатым кодированием. Для этого используется двенадцать одинаковых сверточных кодеров и предкодеров (рис. 16). На входной коммутатор-демультиплексор поступают байты с устройства межсегментного перемежения, причем каждый байт обрабатывается целиком одним сверточным кодером. Биты 7, 5, 3, 1 каждого байта подвергаются предкодированию, а биты 6, 4, 2, 0 - сверточному кодированию. Пары битов, дополненные в сверточном кодере третьим, используются для образования символов данных, трансформируемых в восьмиуровневые модуляционные символы. Из одного байта в кодере образуются четыре символа. Внутрисегментное перемежение достигается путем кодирования символов группами: символы 0, 12, 24, 36,… образуют символы первой группы, символы 1, 13, 25, 37,… - второй, и так далее, всего образуется 12 групп. Данные, получаемые с выходного мультиплексора, переключаются от кодера номер 0 до кодера номер 11 в первом сегменте поля данных, но во втором сегменте порядок следования меняется, и символы считываются сначала от кодеров 4-11, а затем от 3-11. В третьем сегменте символы считываются с кодеров 8-11, а затем с 0-7. Структура перемежения в трех сегментах повторяется в 312 сегментах поля. После того, как вставлены синхросигналы сегментов данных, порядок следования символов данных таков, что символы с одного кодера отстоят друг от друга на расстоянии 12 символов.

Рис. 16. Внутрисегментное перемежение при решетчатом кодировании

Обработка сигналов

Решетчатое кодирование завершает обработку данных в передатчике системы 8T-VSB. Следующей стадией является уже обработка сигналов, первый этап которой - включение импульсов синхронизации сегмента и синхросегментов полей и кадров (структура этих синхросигналов сложна, но это всегда двухуровневые импульсы). Включение пилот-сигнала предшествует самой амплитудной модуляции с частично подавленной нижней боковой полосой - VSB. Непосредственно модулируемой несущей является колебание промежуточной частоты 44 МГц. Фильтрация выходного сигнала VSB-модулятора осуществляется фильтром, частотная характеристика которого в переходной области вместе с характеристикой соответствующего фильтра приемника имеет косинусоидальную форму. Сглаживание спектра сигнала по косинусоидальному закону характеризуется очень небольшим коэффициентом сглаживания, в результате чего полоса частот, занимаемая радиосигналом, лишь на 11,5% превышает предельную. В полосу частот одного из телевизионных каналов спектр модулированного колебания переносится в результате преобразования частоты.

В других системах, например 16-VSB, решетчатого кодирования нет, поэтому группы битов сразу преобразуются в многоуровневые символы, поступающие на модулятор VSB. Параметры двух подсистем канального кодирования и модуляции, предлагаемых для системы ATSC, приведены в таблице 3. Система 8T-VSB, включающая в себя решетчатое кодирование, предназначена для наземного телевизионного вещания. Она позволяет передавать данные со скоростью 19,3 Мбит/с. Система 16-VSB, позволяющая передавать 38,6 Мбит/с, то есть два потока данных телевидения высокой четкости в канале шириной 6 МГц, предназначена для кабельного телевидения. Система 8T-VSB является более помехоустойчивой, пороговое отношение сигнал/шум, определяемое как отношение размаха несущей к пороговому уровню белого шума канала, составляет 14,9 дБ, в то время как для системы 16-VSB это отношение равно 28,3 дБ. Это обстоятельство и определяет сферы применения систем. 8T-VSB способна передавать данные в условиях наземного вещания, отличающегося высоким уровнем разнообразных шумов и помех, многолучевым приемом, интерференционным взаимодействием с радиосигналами других передатчиков, в том числе аналоговыми радиосигналами NTSC. Для 16-VSB допустимыми оказываются лишь более мягкие условия кабельного телевидения.

Режекторная фильтрация сигнала NTSC в приемнике 8T-VSB

Цель
Системы телевизионного вещания ATSC и NTSC будут сосуществовать в течение ряда лет. Это означает, что принимаемый сигнал ATSC будет искажаться интерференционными помехами совмещенного канала со стороны сигнала NTSC, в котором есть ярко выраженные гармонические колебания, переносящие значительную долю мощности (рис. 2). Для подавления интерференционных помех в приемнике системы 8T-VSB используется режекторная фильтрация несущих колебаний видео, цвета и звука, содержащихся в спектре радиосигнала NTSC (рис. 17). Такая фильтрация не только подавляет наиболее мешающие компоненты в спектре NTSC, но и ухудшает прием основного сигнала - ATSC. При этом, например, увеличивается пороговое отношение сигнал/шум (на 3 дБ). Поэтому в схеме, показанной на рисунке 17, предусмотрен детектор сигнала NTSC, который выключает режекторный фильтр, если интерференционные помехи отсутствуют. В детекторе сравниваются принятый и идеальный опорные сигналы (известен приемнику), а по результатам сравнения принимается решение об использовании гребенчатого фильтра.

Рис. 17. Режекторная фильтрация помех от сигнала NTSC совмещенного канала

Гребенчатая фильтрация

Режекторный фильтр построен по схеме гребенчатого фильтра. Принцип действия фильтра иллюстрирует рисунок 18, на котором приведены схема с использованием линии задержки и вычитателя задержанного сигнала из прямого, импульсный отклик фильтра, и амплитудно-частотная характеристика, вычисленная как модуль преобразования Фурье импульсного отклика. Как видно, гребенчатый фильтр подавляет компоненты спектра, отстоящие друг от друга на величину, обратную длительности задержки. Отсчеты белого шума, отстоящие на величину задержки, некоррелированы, поэтому в вычитателе задержанного сигнала из прямого мощность шума удваивается, что и дает увеличение порогового отношения сигнал/шум на 3 дБ.

Параметры

При надлежащем выборе длительности задержки в гребенчатом фильтре можно совместить "нули" частотной характеристики фильтра с частотами гармонических составляющих сигнала NTSC и добиться уменьшения интерференционных помех. Оптимальным значением задержки является величина D=12T, где T=1/FS - длительность символа, то есть величина, обратная частоте следования символов, заданной в таблице 3 (10,76 МГц). При таком выборе задержки поднесущая сигнала цветности и несущая сигнала звука могут попасть в соседние "нули" частотной характеристики гребенчатого режекторного фильтра NTSC (рис. 19). Расстояние между гармоническими составляющими в спектре NTSC таково, что между несущими видео и звука должно быть пять максимумов, тогда несущая звука попадает в шестой "нуль", поднесущая цветности - в пятый, если за первый считать нуль, в котором должна быть несущая видео. Становится ясным и необходимое положение частоты пилот-сигнала системы VSB: он должен отстоять от несущей видео NTSC на расстояние, равное интервалу между соседними "нулями" (именно от частоты пилот-сигнала должны отсчитываться частоты "нулей" гребенчатого фильтра; ведь режекторная фильтрация выполняется после демодуляции, представляющей собой синхронное детектирование с использованием в качестве опорного гармоническое колебание с частотой, равной частоте пилот-сигнала).

Рис. 18. Гребенчатый фильтр (а), его импульсный отклик (б) и частотная характеристика (в)

Рис. 19.

Частота строк NTSC и частота символов ATSC

Надо отметить, что описание приемника системы ATSC приведено в приложении к стандарту, которое не является нормативным и служит лишь информационным целям. Стандартизуемым является формат сигнала, однако описание принципов, которые могли бы быть положены в основу работы приемника, позволяет, во-первых, лучше понять особенности функционирования новой системы цифрового телевидения, а во-вторых, дать первичный импульс разработчикам и изготовителям аппаратуры для обеспечения совместимости приемников со всеми сигналами системы ATSC, с которыми вещатели будут выходить в эфир.

Один из важных параметров стандарта, приведенных в таблице 3, - скорость передачи полезных данных, был рассчитан выше с использованием в качестве исходной величины частоты следования символов FS=10,62 МГц.

В стандарте ATSC приведено точное значение этой частоты FS=4,5x(684/286) МГц. Данные рисунка 19 позволяют понять смысл коэффициентов формулы. 4,5 МГц - это расстояние между несущими видео и звука, которое, с другой стороны, равно 286 гармонике частоты строчной развертки в системе NTSC (4,5 МГц=286xFH). Это означает, что частота следования символов в системе ATSC равна 684 гармонике частоты строчной развертки в системе NTSC. (FS=684xFH). Длительность задержки в гребенчатом фильтре при этом оказывается равной D=12/FS=1/(57xFH), расстояние между соседними нулями - 57xFH. Ширина спектра (измеренная на уровне 0,5 с учетом сглаживающих фильтров передатчика и приемника) сигнала системы VSB равна, с одной стороны, половине частоты следования символов системы ATSC (FS/2=5,381 МГц), а с другой - 342 гармонике строчной частоты системы NTSC (342xFH=5,381 МГц). Да и полная ширина спектра сигнала ATSC, равная 6 МГц, может быть выражена как (381+1/3)xFH.

Детали спектра ATSC в пограничных областях канала показаны на рисунке 19г. Точное смещение частоты пилот-сигнала ATSC относительно несущей видео NTSC устанавливается равным (56+19/22)xFH, поэтому спектр ATSC сдвинут на 45,8 кГц по отношению к границам номинального канала, достигая границы верхнего смежного канала на уровне примерно -40 дБ. Эксперименты показали, что это не приводит к заметным последствиям для принимаемых сигналов. Если же в верхнем канале находится сигнал цифрового телевидения, то он также сдвинут вверх по частоте, и перекрытия спектров вообще не происходит.

Приведенные расчеты являются иллюстрацией лишь одной стороны проблемы. Заданные стандартом числа и коэффициенты являются результатом оптимизации всей системы ATSC, например, есть тесная взаимосвязь параметров гребенчатой режекторной фильтрации с алгоритмом решетчатого кодирования. Однако жесткая привязка некоторых параметров VSB к параметрам NTSC является фундаментальным фактом. Именно эта привязка обеспечивает минимальные взаимные искажения сигналов двух систем на этапе совместной работы и плавное врастание системы цифрового телевидения ATSC в существующую инфраструктуру аналогового телевизионного вещания по системе NTSC. Сочетание методов кодирования цифрового сигнала и хорошо отработанного способа модуляции с частично подавленной нижней боковой полосой VSB позволило создать надежную систему передачи данных для цифрового телевидения.