Одночастотные сети в цифровом стандарте DVB-T2

Россия, переходит к цифровому телевизионному вещанию. Изначально была признана целесообразность внедрения в Российской Федерации европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video Broadcasting). В 2011 года вышла новая версия стандарта DVB-T2 ETSI EN 302 755 — второе поколение европейского стандарта эфирного цифрового вещания DVB-T. 7 июля 2011г. в Москве на заседании Правительственной комиссии по телерадиовещанию была признана Перспективность внедрения DVB-T2 в России.

Стандарт DVB-T2 способен транслировать самые разные по природе и структуре информационные потоки. Общая схема обработки сигналов в системе DVB-T2 представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема передающей стороны в системе DVB-T2

В DVB-T2 для организации одночастотных сетей (Single Frequenсу Network — SFN) введен новый режим MISO (multiple input single output — много входов — один выход), который позволяет достичь до 60 % выигрыша в полосе пропускания. При эксплуатации одночастотных сетей даже при сложении синхронизированных сигналов, результирующий спектр COFDM подвержен искажениям (в форме «провалов» огибающей несущих COFDM). Как результат, для компенсации этих искажений, то есть для поддержания требуемого отношения сигнал/шум, необходима более высокая мощность передатчиков. Режим MISO позволяет избежать этих недостатков. Передатчики в одночастотной сети в режиме MISO излучают в точности один и тот же сигнал. Благодаря этому при сложении сигналов с разных передатчиков отсутствуют значительные «провалы» огибающей, и к тому же, не требуется увеличение мощности передатчиков. [1, с. 110]

В данном случае используется несколько передатчиков, покрывающие смежные области, работающие на одной частоте и передающие одинаковые программы. При этом используется всего один канал без взаимного влияния передатчиков друг на друга, что в свою очередь приводит к значительной экономии частотного ресурса. SFN — сеть при использование аналогового вещания реализовать фактически невозможно. Уменьшить интерференцию в аналоговых системах можно используя технологию смещения несущей частоты, однако даже это не избавляет от появления областей существенного влияния соседних каналов, в которых качество сигнала значительно ухудшается даже в случае чрезвычайно хорошо запланированных зон покрытия и применения направленных антенных систем.

При построении цифровой SFN особые требования предъявляются к точности/стабильности частоты. В сетях SFN все передатчики должны быть синхронизированы на одной частоте, что обычно обеспечивается сигналом спутниковой навигационной системы GPS. Сигнал, излучаемый спутниками GPS, может быть получен почти всюду в мире и содержит очень точную информацию времени. Точность/стабильность частоты при этом будет иметь величину порядка ± 0,5 Гц.

Каждый передатчик SFN должен передать тот же самый транспортный поток (TS — цифровой поток данных, содержащий программы) и излучать его синхронно c другими передатчиками. Внутри транспортного потока (при генерации в мультиплексоре) цифровой поток данных разделяют на «мегаструктуры», и в них добавляются данные MIP (пакет инициализации мегаструктуры) для того, чтобы синхронизировать излучение каждого передатчика в сети. Синхронизация достигается благодаря сигналу частотой 1 Гц (1 pps — 1 импульс в секунду), принимаемого приемниками GPS. Что позволяет сигналы всех передатчиков излучать синхронно на одной частоте и иметь одинаковые биты данных.

Для одночастотной сети вещания главным достоинством цифровой модуляции COFDM является успешная борьба с эхосигналами, которые могут возникать из-за отражений от окружающих предметов или при работе нескольких передатчиков на одном и том же радиочастотном канале.

С целью уменьшения взаимного влияния передатчиков в одночастотных сетях вводят защитный интервал. Стандартом DVB-T2 предусмотрено семь возможных вариантов значений защитных интервалов, равных 1/4, 19/256, 1/8, 19/128, 1/16, 1/32, 1/128 длительности активной части символа. Соответствующие абсолютные значения приведены в таблице 46 [1, с.84] для различных режимов 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k. Выбор величины защитного интервала определяется территориальным разносом передатчиков в одночастотной сети. Помехоустойчивое кодирование и защитные интервалы снижают информационную скорость передачи, и это следует учитывать при выборе параметров системы.

В DVB-T2 в три раза увеличилось число поднесущих, по сравнению с DVB-T, что позволяет продлить защитный интервал до 532 мкс (вместо 224 мкс, в DVB-T). А как следствие происходит увеличение и максимального расстояния между соседними передатчиками в одночастотной сети, которое приблизительно ровняется 160 км против 67 в первом стандарте. Также отсутствуют задержки в распространении сигнала в сети передатчиков из-за привязки к сигналу в 1 PPS. Вся система может синхронизироваться по глобальному времени (GMT), и задержка может быть больше.

Дополнительная стадия обработки, известная как обработка MISO, позволяет начальным коэффициентам в частотной области быть обработанными модифицированным кодированием Alamouti, которое делит сигнал T2 между двумя группами передатчиков на одной частоте таким образом, что эти две группы не интерферируют друг с другом. Все символы сигнала DVB-T2 могут быть подвергнуты MISO обработке на уровне ячеек. Измененное кодирование Alamouti используется для того, чтобы произвести два набора ячеек данных, за исключением того, что кодирование не поддерживает символ преамбулы P1 и для сигнала произведена соответствующая обработка пилотов. Этот алгоритм обработки сигнала значительно улучшает перекрытие диапазона частот в одночастотных сетях небольшого размера.

В системе DVB-T2 усложнена система перемежения, в неё вводится перемежение по времени, что позволяет увеличить устойчивость сигнала к импульсным помехам, которые характерны для городской местности. Информация перемежается не только внутри одного символа модуляции, но и внутри одного суперкадра. Такая схема перемежения также улучшает работу устройств в одночастотной сети.

В стандарте DVB-T2 появились два режима работы: System A и System B. System A не предусматривает работу сети в SFN-режиме. System В — более сложный режимом работы DVB-T2 передатчика, реализация которого требует использования более сложных технологий и устройств (multi-PLP потоков, T2-Gateway). Именно этот режим и предусматривает создание SFN-сетей. При этом для организации SFN-сетей не требуется такое специализированное устройство, как SFN-адаптер необходимый для построения SVN- сетей на базе модуляторов первого поколения. Его функции включает в себя DVB-T2 Gateway — устройство, на вход которого подаётся MPEG TS, а на выходном интерфейсе T2 Modulator Interface (T2-MI) формируется выходной multi-PLP поток. T2-MI — это интерфейс, предназначенный для передачи информации от T2 Gateway к модуляторам, представлен на рисунке 2.

Рис. 2.

T2-MI специально разработанный интерфейс для того, чтобы модулятор мог работать с технологией multi-PLP. T2-MI-пакеты содержат в себе транспортные потоки и всю необходимую информацию для синхронной работы модуляторов. В определённых местах T2-MI-пакетов содержится вся необходимая информация для передатчиков по режимам работы передатчиков и их параметрам. Параметры работы передатчиков могут быть указаны для каждого передатчика в отдельности. Генерация потока T2-MI происходит следующим образом: каждый раз, когда расположение BB-кадра (BaseBand Frame) определено, он может быть вставлен в T2-MI-пакет с соответствующей информацией в заголовке и немедленно отправлен через T2-MI-интерфейс. BB-кадр — это основная единица в логической кадровой структуре DVB-T2. В BB-кадре может содержаться любое наполнение и/или внутренняя сигнализация.

При создании одночастотной сети на базе DVB-T2 максимально допустимое расстояние между соседними передатчиками возросло с 67 до 160 км. Все передатчики должны быть синхронизированы приемниками GPS. Требования к стабильности частоты сигнала передатчиков: ± 0,5 Гц. Благодаря системе MISO улучшаются условия приёма в зонах с одинаковыми расстояниями до соседних передатчиков, что обуславливает возникновение селективных по частоте замираний. Таким образом, используя вышеперечисленные особенности, можно создавать более эффективные одночастотные-сети и использовать их более гибко.

Литература:

1.      ETSI EN 302 755 V1.2.1 (2011–02) Цифровые системы (DVB-T2) для телевидения радиовещания и передачи данных.

2.      W. Zirwas «Single Frequency Network Concepts for cellular OFDM Radio Systems»

3.      DVB Fact Sheet — DVB-T2–2nd Generation Terrestrial Broadcasting, April 2009