: архив : архив журнала "625" : 2000 : #3

Методы передачи данных в цифровом телевидении
Константин Гласман

Часть 4 (окончание) [ начало ]
Система цифрового наземного телевизионного вещания ISDB-T

Обработка данных и сигналов в системе ISDB-T

Общая схема системы передачи
Концепция системы ISDB-T предполагает, что и на входе и на выходе сигнал имеет вид транспортного потока MPEG-2. Благодаря использованию компрессии MPEG-2 система ISDB-T содержит элементы, входящие в состав других систем передачи: спутниковой и кабельной. Преобразование входного сигнала в виде транспортного потока MPEG-2 в радиосигнал включает в чебя мультиплексирование, канальное кодирование, модуляцию, а так же управление конфигурацией передачи и функциями приемника (рис.1). Транспортный поток MPEG-2 демультиплексируется и затем мультепликсируется повторно, при этом образуются сегменты данных. После канального кодирования сегменты данных трансформируются в частотные сегменты OFDM, каждый из которых занимает полосу частот, зависящую от ширины полосы частот канала (429 кГц для для канала с шириной полосы 6 МГц, 500 кГц - для канала 7МГц, 571 кГц - для канала 8 МГц). 12 частотных сегментов занимают полосу соответственно 5,6; 6,5 или 7,4 МГц.

Рис. 1. Схема передачи ISDB-T

Несколько сегментов могут объединяться в группы, называемые слоями, которые образуют логические каналы связи в рамках одного физического канала ("625", 2000, №2, рис.1). В одном канале может передаваться до 3 слоев в одно и то же время. Иерархическая передача достигается передачей слоев с различными параметрами. Допускается изменение способа модуляции несущих, скорости внутреннего кода и интервала временного перемежения.

Рис.2. Канальное кодирование данных

Частотные сегменты OFDM содержат не только данные, полученные в результате мультиплексирования из транспортного потока MPEG-2, но и пилот-сигналы. В системе ISDB используются непрерывные пилот-сигналы (CP - Continual Pilot), распределенные пилот-сигналы (SP - Scattered Pilot) и пилот-сигналы, содержащие данные управления конфигурацией передачи и мультиплексирования (TMCC - TraNsmission and Multiplexing Configuration Control-Pilot). Данные каждого сегмента форматируются во временной области и объединяются в кадры OFDM (объем данных одного кадра соответствует 204 модуляционным символам OFDM).

При иерархической передаче вводится понятие кадра мультиплекса. Длительность кадра мультиплекса соответствует длительности кадра OFDM, однако число пакетов транспортного потока, входящих в кадр мультиплекса больше, чем число пакетов, фактически передаваемых в кадре OFDM. Разница зависит от порядка обратного быстрого преобразования Фурье, используемого в процессе модуляции OFDM, и величины защитного интервала. Разница компенсируется вставленными в транспортный поток MPEG-2 "пустыми" (Null) пакетами, которые затем исключаются при обработке данных.

Канальное кодирование

Внешнее кодирование выполняется с помощью кода Рида-Соломона с параметрами (204,188). Это означает, что к каждым 188 байтам пакета транспортного потока MPEG-2 добавляется 16 проверочных байтов кода Рида-Соломона (рис.2). Такой код позволяет исправлять до 8 ошибок в каждом пакете из 204 байтов. Для упрощения схемы "пустые" пакеты также кодируются и превращаются в пакеты из 204 байтов. В составе каждого пакета 1 байт представляет собой байт синхронизации S, 187 байтов основных данных службы I и 16 проверочных байтов P (рис.3). Поток данных с выхода внешнего кодера делится на несколько предварительно определенных слоев в соответствии с информацией управления иерархической передачей и мультиплексированием. Деление потока байтов осуществляется в конце синхробайта. Пустые (Null) пакеты удаляются и не поступают ни в один из слоев передачи. В случае неиерархической передачи разделения на слои не происходит. Байт синхронизации первого пакета кадра мультиплекса, задержанный на один байт, рассматривается как синхробайт, или заголовок кадра OFDM. При битовом описании самый старший значащий бит байта заголовка считается синхробитом кадра OFDM.

Рис. 3. Распределение пакетов транспортного потока

Для того, чтобы обеспечить достаточное количество переходов в потоке двоичных данных, сигнал с выхода разделителя данных на слои (рис.2) подвергается рандомизации путем сложения с псевдослучайной последовательностью. Внешнее перемежение выполняется как перемешивание порядка следования байтов. Схема внешнего перемежения совпадает со схемой системы DVB-T. Процесс перемежения байтов сопровождается задержкой, зависящей от выбранного режима, схемы модуляции, скорости канального кодирования и числа сегментов в слое. При иерархической передаче с разными параметрами модуляции и кодирования задержка меняется от слоя к слою. Для компенсации этих различий выполняется коррекция задержки (включая задержку в процессе обратного перемежения в приемнике) в отдельных слоях до процесса перемежения байтов на передающей стороне. После коррекции задержка в каждом слое становится равной продолжительности одного кадра мультиплекса независимо от параметров передачи слоев. Внутреннее кодирование сверточного типа выполняется так же, как в системе DVB-T.

Рис. 4. Модуляция OFDM

Модуляция несущих

Рис. 5. Схема блока модуляции несущих

Первым этапом процесса модуляции OFDM (рис.4) является модуляция несущих. Непосредственно перед формированием модуляционных символов выполняется внутреннее перемежение, или перемежение битов (рис.5). Перемежение битов связано с задержкой комплексных символов, которая зависит от режима, способа модуляции и количества сегментов в слое. Благодаря коррекции общая задержка в передатчике доводится до 2 символов OFDM. Затем данные каждого слоя трансформируются в комплексную область в процессе образования комплексных модуляционных символов I+jQ.

Рис. 6. Схема дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции DQPSK

Перемежение битов и формирование символов выполняются различным образом для разных способов модуляции несущих. В случае дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) последовательность битов с выхода внутреннего кодера после коррекции задержки преобразуется в параллельный двухбитовый поток (рис.6). Включением задержки в 120 битов во вторую ветвь преобразователя-демультиплексора достигается перемежение битов. Пары битов затем трансформируются в последовательность символов I+jQ. В используемом в системе ISDB-T варианте дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции комбинации битов определяют угол , на который сдвигается фаза несущей при переходе от одного символа Ij-1+jQj-1 к следующему Ij+jQj (рис.7). Например, при значениях битов b0'=0 и b1'=0 сдвиг фазы равен , а при b0'=1 и b1'=1 сдвиг . Вторая задержка, показанная на (рис.6), должна соответствовать объему данных, передаваемых за период одного символа во всех сегментах, в которых используется дифференциальная фазовая манипуляция. Если таких сегментов Ns1, то задержка составляет 96Ns1*2 битов в режиме 1, в котором полезные данные передаются на 96 несущих в каждом сегменте. В режиме 2 она равна 192Ns1*2 битам, в режиме 3 - 384Ns1*2 битам. Связь между текущим символом Ij+jQj, подлежащим передаче, и предыдущим Ij-1+jQj-1 показана на рис.7 в матричной форме и в виде диаграмм. Количество точек диаграммы равно 8, хотя всего существует 4 значения фазового сдвига.

Рис. 7. Диаграммы дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции DQPSK

При квадратурной фазовой манипуляции QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) последовательный поток битов также преобразуется в параллельный двухбитовый (рис.8). Перемежение битов достигается включением задержки в 120 битов во вторую ветвь преобразователя - демультиплексора. Пары битов преобразуются в комплексные символы I+jQ.

В случае 16-позиционной квадратурной амплитудной модуляции 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) входной поток битов распределяется на 4 направления (рис.9), при 64-позиционной 64QAM - на 6 (рис.10). Перемежение битов достигается включением задержек в выходные ветви преобразователя - демультиплексора.

Рис. 8. Схема и диаграмма квадратурной фазовой манипуляции QPSK

Для того, чтобы средняя мощность радиосигнала не зависела бы от вида модуляции, комплексные символы z=I+jQ делятся на нормирующий коэффициент. При модуляции DQPSK и QPSK этот коэффициент равен 2, что соответствует нормированному символу . В случае модуляции 16QAM нормировка дает комплексный символ , а в случае 64QAM - .

Рис. 9. Схема и диаграмма квадратурной амплитудной модуляции 16QAM	Рис. 10. Схема и диаграмма квадратурной амплитудной модуляции 64QAM

Синтез потоков данных слоев

Рис. 11. Синтез иерархического потока данных

После формирования модуляционных символов комплексные данные каждого слоя символ за символом направляются в буферы сегментов (рис.11), объединенных в слои (первая группа из Ns1 сегментов соответствует слою A, вторая группа из Ns2 сегментов - слою B, третья группа из Ns3 сегментов - слою C, Ns=Ns1+Ns2+Ns3=13). Назначение 13 сегментов устанавливается следующим образом. Если используется парциальный прием, то для него отводится один сегмент. Некоторое количество сегментов предназначается для слоя, передаваемого с дифференциальной модуляцией. Оставшиеся сегменты отводятся для слоя с когерентной модуляцией. Данные, записанные в буферах всех сегментов, считываются в циклическом режиме с частотой, равной тактовой частотой обратного преобразования Фурье, или системной частоте.

Рис. 12. Структура сегмента данных (nc=96 в режиме 1, nc=192 в режиме 2, nc=384 в режиме 3)

Структура сегмента данных определяется как таблица адресов комплексных данных, с которыми выполняются операции преобразования частоты следования данных, временного и частотного перемежения (рис.12). Структура этой таблицы соответствует объему данных сегмента OFDM без пилот-сигналов. В обозначении нормированного комплексного символа Si,j,k индекс i соответствует номеру несущей в пределах сегмента, j - номеру символа в пределах кадра, а k - номеру сегмента. Количество строк таблицы адресов равно числу несущих, соответствующих данным службы, в разных режимах (в этой таблице nc=96 строк в режиме 1, nc=192 - в режиме 2, nc=384 - в режиме 3).

Временное и частотное перемежение

Рис. 13. Временное перемежение данных	Рис. 14. Внутрисегментное временное перемежение

После синтеза потока данных выполняется временное перемежение символов. Принцип временного перемежения иллюстрируют (рис.13 и 14). Целое число I представляет собой параметр, устанавливающий длину временного перемежение. Чем больше эта длина, тем более помехоустойчивой является передача данных по отношению к временным флуктуациям условий распространения радиоколебаний. Параметр I задается для каждого слоя независимо от значений I в других слоях. Временное перемежение связано с задержкой. Эта задержка корректируется в каждом слое таким образом, чтобы общая задержка (включая задержку в процессе обратного перемежения в приемнике) составляла бы целое число кадров OFDM.

Рис. 15. Частотное перемежение данных

Рис. 16. Межсегментное частотное перемежение (режим 1, nc=96, nc - число сегментов, выделенных для дифференциальной или когерентной модуляции)

Частотное перемежение складывается из межсегментного и внутрисегментного перемешивания данных (рис.15). Межсегментное перемежение производится в пределах группы сегментов, в которых используется одна и та же схема модуляции, т.е. среди сегментов с дифференциальной модуляцией DQPSK и среди сегментов с когерентной модуляцией (QPSK, 16QAM или 64QAM). Расположение комплексных данных до и после межсегментного перемежения в пределах n сегментов, в которых используется один вид модуляции, показано на рис.16 для режима 1 (число nc=96, которое играет ключевую роль в схеме перемежения рис.16, равно числу несущих, используемых для передачи полезных данных в режиме 1). Si,j,k обозначает комплексный символ k-го сегмента, располагающийся в i-той строке и j-ом столбце таблицы адресов сегмента (см. рис.12) до межсегментного частотного перемежения. Внутрисегментное частотное перемежение складывается из внутрисегментного вращения несущих, за которым следует рандомизация порядка следования несущих в пределах сегмента. Пример внутрисегментного вращения в режиме 1 показан на рис.17. Порядок рандомизации задается в табличной форме.

Форматирование кадра

Рис. 17. Частотное перемежение данных: внутрисегментное вращение несущих (режим 1, nc=96)

Форматирование кадра сегмента OFDM выполняется после временного и частотного перемежения (рис.16 и 17). В случае дифференциальной модуляции к полезным данным добавляется непрерывный пилот-сигнал CP, в случае когентной модуляции - распределенные пилот-сигналы SP. Структуры сегмента OFDM дифференциальной и когерентной модуляции несущих показаны на рис. 18 и 19. Непрерывный пилот-сигнал всегда передается с помощью несущей с номером 0. Распределенные пилот-сигналы переносятся каждой двенадцатой несущей и в каждом четвертом символе OFDM. Кроме непрерывных или распределенных пилот-сигналов в составе кадра передаются сигналы управления конфигурацией передачи и мультиплексирования TMCC, а также дополнительные данные AC (Auxiliary Channel). Расположение несущих, предназначенных для данных AC и TMCC устанавливается для каждого из режимов с помощью специальных таблиц. В результате дополнения данных, переносящих информацию о телевизионных или радиопрограммах пилот-сигналами CP и SP, сигналами управления TMCC и дополнительными данными AC количество несущих в каждом сегменте увеличивается с nc=96 до Nc=108 в режиме 1, с nc=192 до Nc=216 - в режиме 2 и с nc=384 до Nc=432 - в режиме 3.

Рис. 18. Структура сегмента OFDM при дифференциальной модуляции несущих (Nc=108 в режиме 1, Nc=216 в режиме 2, Nc=432 в режиме 3)

Пилот-сигналы SP и CP представляют собой псевдослучайные последовательности, формируемые с использованием регистра с обратной связью. Сигналы управления TMCC несут разнообразную информацию о свойствах системы передачи и об их изменениях. 204 бита, модулирующих одну несущую, распределяются следующим образом. После бита инициализации для схемы дифференциальной двоичной фазовой манипуляции следует слово синхронизации из 16 битов, меняющее свою полярность с каждым кадром, пакет из 3 битов, определяющий тип модуляции (111 - в случае дифференциальной модуляции, 000 - в случае когерентной), пакет из 102 битов, которые собственно и несут информацию о конфигурации мультиплексирования и передачи, и 82 проверочных бита, защищающих 102 информационных бита от ошибок.

Рис. 19. Структура сегмента OFDM при когерентной модуляции несущих (Nc=108 в режиме 1, Nc=216 в режиме 2, Nc=432 в режиме 3)

Из 102 информационных битов 2 бита отводятся для описания системы (пока используется лишь одна из четырех возможных комбинаций, указывающая на систему ISDB-T, остальные три комбинация являются резервными). 4 бита позволяют разместить счетчик обратного счета, стартующий за 15 кадров до смены параметров передачи. Изменение параметров должно происходить тогда, когда счетчик переключается с комбинации 0000 на 1111. Обычное состояние счетчика - 1111. 1 бит отводится для флага активизации сигнала тревоги. 40 битов используются для описания текущей конфигурации системы. Это - флаг парциального приема (1бит) и 3 группы по 13 битов, описывающих схему модуляции в каждом из слоев: вид модуляции (3 бита), скорость внутреннего кода (3 бита), параметр I - длина временного перемежения (3 бита), число сегментов, используемых в слое (4 бита). Следующая группа из 40 битов представляет собой информацию о следующей конфигурации системы после смены параметров передачи. 15 битов представляют собой резерв для будущего использования.

Вид модуляции несущих пилот-сигналов - дифференциальная двоичная фазовая манипуляция DBPSK, причем уровень мощности повышен на одну треть.

Спектр передаваемого радиосигнала
Несущие сегментов передаваемого радиосигнала располагаются оси частот с одним и тем же шагом, задаваемым режимом системы. Сегменты нумеруются так, как показано на рис.20. Сегмент для парциального приема имеет номер 0 и находится в центральной части спектра. Внутренние сегменты передаются с использованием дифференциальной модуляции, внешние -когерентной. В верхней части спектра добавляется еще одна несущая, служащая для передачи еще одного непрерывного пилот-сигнала.

Рис. 20. Спектр передаваемого радиосигнала (Ns - количество сегментов)

Способ передачи данных BST-OFDM отвечает современной концепции наземного цифрового телевизионного вещания с интеграцией служб и обеспечивает широкие возможности для введения новых служб в будущем.