DVB-T - обозначение стандарта цифрового наземного телевизионного вещания, разработанного в рамках проекта DVB
Стандарт DVB-T для цифрового эфирного ТВ-вещания в диапазоне ДМВ для Европы и других стран был принят в 1996 г. — на два года позже аналогичных стандартов для спутниковых (DVB-S) и кабельных (DVB-C) каналов связи. Эта задержка была вызвана необходимостью применения более сложных технических методов передачи цифровой информации при сохранении приемлемой стоимости цифрового эфирного телевизора, а также из-за не очень высокой коммерческой конъюнктуры ввиду отсутствия свободных ТВ-каналов в диапазоне ДМВ для большинства стран Европы.
Снизить стоимость цифрового телевизора возможно за счет применения в стандарте DVB-T апробированных технических решений и технологий, разработанных для систем цифрового спутникового и кабельного вещания. Это требует унификации ряда методов обработки цифровых сигналов в указанных системах. Данная задача была решена путем разработки коммерческих требований к цифровой системе эфирного вещания, на основании которых были выбраны необходимые технические решения.
В системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.
Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разновидность технологи - метод COFDM (сочетание канального кодирования, аббревиатура C, и OFDM) - хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания в Европе, Канаде и Японии.
При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей (см. рисунок).
Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является ее способность противостоять сложным условиям в канале, например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, нежели как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольные искажения (МСИ).
Частотный разнос ?f между соседними несущими f1, f2 ... fn в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.
В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной ?f > 2/TU , где TU - рабочий интервал информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.
Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц. Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются.
Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению ?f = 1/TU, то есть на интервале TU должно укладываться целое число периодов разностной частоты f2 - f1. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.
Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.
Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока TS делится на две части - защитный интервал TG, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа TU, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.
Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье - в демодуляторе приемника приемопередающего устройства.
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) – Кодированное ортогональное частотное мультиплексирование
COFDM - это разновидность технологии OFDM, сочетающая канальное кодирование (аббревиатура C), и OFDM. COFDM хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде и Японии.
COFDM хорошо зарекомендовала себя среди вещателей ТВ программ как новый метод доставки цифровых сигналов потребителю. Главным преимуществом метода передачи COFDM является использование многократных отражений излучаемых сигналов от строений, стен и т.п. с коррекцией возникающих при приеме искажений и ошибок. Европейский проект DVB принял этот метод передачи в качестве базового стандарта для непосредственного эфирного вещания ТВ и мультимедийной продукции.
Преимущества технологии COFDM:
Рисунок 1. Передатчик.
Рисунок 2. Приемник.
Требование к длине защитного интервала определяет число несущих колебаний OFDM системы. Необходимая длина защитного интервала зависит от расстояния между передатчиками одночастотной сети, или от задержки естественных эхо-сигналов в случае традиционно спланированной сети. Чтобы достигнуть максимальной скорости передачи информации, защитный интервал должен быть ниже 1/4 времени полезного символа, и естественно, быть как можно короче. Поскольку одночастотная сеть (SFN) должна быть основана (главным образом) на существующих передающих центрах, необходимо использовать защитный интервал приблизительно 250 µs. Это учтёт большую область (площадь) SFN, например для региональной зоны, в то время как для национальных SFN в некоторых странах идеально подошел бы защитный интервал длиной приблизительно 500 µs. Разнос несущих OFDM системы обратно пропорционален к продолжительности символа. Требование к длительности защитного интервала определяет число несущих колебаний: защитный интервал 250 µs может быть достигнут в OFDM системе с длиной символа 1 MS и, следовательно, расстояние между несущими 1 Кгц, приводит к 8000 несущим колебаниям в канале шириной 8 МГЦ.
Сигнал OFDM создан, используя обратное БПФ, и ресивер использует БПФ при процессе демодуляции. Используются следующие размеры БПФ: 2048 или 8192, что определяет максимальное число несущих. На практике ряд несущих колебаний в нижнем и верхнем конце OFDM спектра будут не использованы, чтобы учесть разделение между каналами. Системы, использующие размер БПФ 2048 часто упоминаются как ' 2К OFDM ', в то время как системы, использующие размер БПФ 8192 часто упоминаются как ' 8К OFDM '.
Больший размер БПФ (меньший интервал между несущими) в настоящее время не рассматривается для реализации бытовых ресиверов. Для DVB-T системы определен и режим 2К и режим 8К. 2К ресивер не сможет принимать сигнал 8К, в то время как получатели 8К смогут принять, и режим 8К и 2К. Плата за длинный защитный интервал (= 1/4 активной продолжительности символа) - более низкая информационная емкость. Чтобы позволить более высокую емкость данных в местах, где одночастотные сети не требуются, определен гибкий защитный интервал. Защитный интервал может иметь четыре различных значения: 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 активной длины символа. Основные параметры для DVB-T системы показаны в Таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры DVB-T
|
Таблица 1. Основные параметры системы OFDM |
|||||||||
| Режим модуляции | 8К | 2К | |||||||
|
Длительность рабочего интервала Tu в мкс, |
896 | 224 | |||||||
| 8192 | 2048 | ||||||||
| Частотный разнос несущих D = 1/ Tu , Гц | 1116 | 4464 | |||||||
| Число несущих в спектре группового сигнала, n | 6817 | 1705 | |||||||
| Ширина радиоспектра группового сигнала несущих, МГц | 7,61 | 7,61 | |||||||
| Относительная длительность защитного интервала, D/ Tu | 1/4 | 1/8 | 1/16 | 1/32 | 1/4 | 1/8 | 1/16 | 1/32 | |
|
Длительность защитного интервала D, в мкс, |
224 | 112 | 56 | 28 | 56 | 28 | 14 | 7 | |
| 2048 | 1024 | 512 | 256 | 512 | 256 | 128 | 64 | ||
|
Длительность символа сообщения |
1120 | 1008 | 952 | 924 | 280 | 252 | 238 | 231 | |
| 10240 | 9216 | 8704 | 8448 | 2560 | 2304 | 2176 | 2112 | ||
| Максимальное удаление ТВ-передатчиков в одночастотной сети вещания d = c(**) x D, км | 67,2 | 33,6 | 16,8 | 8,4 | 16,8 | 8,4 | 4,2 | 2,1 | |
|
Примечания:(*)Тактовый период Т0 =7/64 мкс. |
|||||||||
Спектр группового сигнала OFDM можно разместить в эфирном радиоканале аналогового телевидения с полосой пропускания 8 МГц, обеспечивая между соседними радиоканалами защитные частотные интервалы по ~0,39 МГц. Это важный момент, так как согласованность спектра группового сигнала OFDM с существующими радиоканалами эфирной сети ТВ-вещания упрощает внедрение цифровой системы телевидения.
Данные, необходимые для выбора вида модуляции в зависимости от требуемой скорости цифрового потока для различных значений относительной скорости сверточного кода и относительной длительности защитного интервала в информационном символе, приведены в таблице 2. Данные этой таблицы не зависят от режима модуляции 8К или 2К, так как при переходе от режима 8К к режиму 2К с уменьшением числа несущих в 4 раза одновременно в 4 раза увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей.
В таблице 2 также указаны необходимые значения отношения сигнал/шум в эфирном радиоканале для двух случаев эфирного приема — на стационарную, многоэлементную ТВ-антенну и на простую антенну переносного телевизора. Приведенные значения отношения сигнал/шум обеспечивают получение коэффициента ошибок 2 x 10-4 на выходе декодера сверточного кода. Окончательный выбор перечисленных параметров системы цифрового вещания делается путем анализа нескольких альтернативных вариантов.
| Таблица 2. Скорость передачи данных при неиерархической модуляции 8К и 2К | |||||||
| Вид модуляции | Скорость кода | Отношение сигнал/шум в радиоканале, дБ | Полезная скорость, Мбит/с | ||||
| Стационарная антенна (F1) | Переносная антенна (Р1) | D/Tu=1/4 | D/Tu=1/8 | D/Tu=1/16 | D/Tu=1/32 | ||
| 4-ФМ | 1/2 | 3,6 | 5,4 | 4,98 | 5,53 | 5,85 | 6,03 |
| 4-ФМ | 2/3 | 5,7 | 8,4 | 6,64 | 7,37 | 7,81 | 8,04 |
| 4-ФМ | 3/4 | 6,8 | 10,7 | 7,46 | 8,29 | 8,78 | 9,05 |
| 4-ФМ | 5/6 | 8,0 | 13,1 | 8,29 | 9,22 | 9,76 | 10,05 |
| 4-ФМ | 7/8 | 8,7 | 16,3 | 8,71 | 9,68 | 10,25 | 10,56 |
| 16-КАМ | 1/2 | 9,6 | 11,2 | 9,95 | 11,06 | 11,71 | 12,06 |
| 16-КАМ | 2/3 | 11,6 | 14,2 | 13,27 | 14,75 | 15,61 | 16,09 |
| 16-КАМ | 3/4 | 13,0 | 16,7 | 14,93 | 16,59 | 17,56 | 18,10 |
| 16-КАМ | 5/6 | 14,4 | 19,3 | 16,59 | 18,43 | 19,52 | 20,11 |
| 16-КАМ | 7/8 | 15,0 | 22,8 | 17,42 | 19,35 | 20,49 | 21,11 |
| 64-КАМ | 1/2 | 14,7 | 16,0 | 14,93 | 16,59 | 17,56 | 18,10 |
| 64-КАМ | 2/3 | 17,1 | 19,3 | 19,91 | 22,12 | 23,42 | 24,13 |
| 64-КАМ | 3/4 | 18,6 | 21,7 | 22,39 | 24,88 | 26,35 | 27,14 |
| 64-КАМ | 5/6 | 20,0 | 25,3 | 24,88 | 27,65 | 29,27 | 30,16 |
| 64-КАМ | 7/8 | 21,0 | 27,9 | 26,13 | 29,03 | 30,74 | 31,67 |
IFFT(IDFT) обеспечивает точное соблюдение условий ортогональности для формуруемого OFDM сигнала. Подготавленный блок данных из N частот, то есть 2N значений (Im - мнимое и Re - реальное) частоты преобразовывается в блоке IFFT, где получается 2N временных отсчетов, которые передаются с частотой дискретизации. После чего на вход блока IFFT подается следующий блок данных. В результате получается абсолютно корректный OFDM сигнал с сеткой из N частот. Использующаяся в IFFT постоянная составляющая не используется и равна нулю, поэтому реально используется максимум N-1 частот. Блок IFFT работает с комплексными числами, поэтому результатом преобразования являются N комплексных значений.
Существует два способа преобразовать комплексные значения во временные отсчеты.
Первый заключается в использовании квадратурной модуляции, то есть перемножении реальных и мнимых частей сигнала отдельно с сигналом несущей с нулевой фазой и фазой, смещенной на 90 градусов соответственно, и сложении получившихся сигналов.
Второй способ заключается в использовании таких значений на входе блока IFFT, которые преобразуются в значения с нулевой мнимой частью. Для этого требуется дополнить входные значения таким-же количеством значений, получающихся из исходных по следующему закону.
Если исходная входная последовательность состоит из следующих значений:
X0=(Re0,Im0); X1=(Re1,Im1); …Xn-1=(Ren-1,Imn-1),
то новая последовательность состоит из значений:
X0=(Re0,0); X1=(Re1,Im1); …Xn-1=(Ren-1,Imn-1); Xn=(0,Im0); Xn+1=(Ren-1,Imn-1); Xn+2=(Ren-2,Imn-2); … X2n-1=(Re1,Im1).
Следует обратить внимание, что Re0 и Im0 равны нулю, поскольку это характеристики постоянной составляющей.
В результате на выходе получается 16 комплекcных временных отсчетов где все мнимые составляющие равны нулю, что дает 16 отсчетов вещественного сигнала OFDM. Недостатком такого подхода является необходитость использовать удвоенный размер IFFT, однако в большинстве случаев эта проблема является несущественной.
