Стандарт DVB-S2. Система цифрового ТВ вещания.
Стандарт [1] системы второго поколения (DVB-S2) для видеовещания, интерактивных услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых (SAT) приложений является дополнением к широко используемому стандарту [2] SAT-вещания DVB-S. Новый стандарт был разработан консорциумом DVB Project (Digital video Broadcasting Project – Проект цифрового видеовещания – организация, занимающаяся разработкой стандартов в области цифрового телевидения для Европы) и детально технически исследован Совместным Техническим комитетом (JТС – Joint Technical Committee) радиовещания Европейского Союза радиовещания (RBU – European Broadcasting Union), Европейским комитетом по электротехнической стандартизации CENELEC и Европейским Институтом Телекоммуникационных Стандартов (ETSI – European Telecommunications Standards).
Основные характеристики DVB-S2
DVB-S2 – это DVB спецификация для широкополосных SAT применений второго поколения, разработанная на базе отработанных технологий DVB-S [2] и DVB-DSNG (Digital Satellite News Gathering – цифровая спутниковая видео журналистика). Под DSNG обычно понимают передвижные системы передачи TV информации с мест событий, именуемые системами сбора новостей. Система DVB-S2 разрабатывалась в основном для:
услуг TV вещания стандартной четкости (SDTV) и TV высокой четкости (ТВЧ или HDTV);
интерактивных услуг, включая доступ в Internet;
профессиональных приложений.
Скорость кодирования LDPC
Для всех этих приложений DVB-S2 использует последние достижения как в модуляции, так и в кодировании канала, что позволяет увеличить пропускную способность порядка 30% и более в сравнении с DVB-S. В пределах передаваемого потока данных может использоваться широкий набор адаптивного кодирования, модуляции и уровней защиты от ошибок (т.е. скорости кодирования). Посредством реверсного канала (а это может быть любой физический канал, включая и телефонные линии), информирующего передатчик о фактических условиях приема, могут быть оптимизированы параметры передачи для каждого индивидуального пользователя в режиме вещания “точка-точка”.
Для достижения компромисса между излучаемой мощностью и спектральной эффективностью, в DVB-S2 предусматривается расширенное число скоростей кодирования (1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10) при различных форматах модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK). Так, скорости кодирования 1/4, 1/3 и 2/5 были введены для работы в комбинации с QPSK модуляцией для наихудших условий связи, когда уровень сигнала ниже уровня шума
Форматы QPSK и 8PSK предлагаются для приложений вещания и могут использоваться в SAT транспондерах, работающих в режиме, близкому к насыщению. Формат 32АPSK предусматривает линейный режим работы транспондера и требует повышенных значений C/N, в силу чего он, в основном, используется для профессиональных приложений, хотя и является самым широкополосным. Формат 16АPSK при ограниченных требованиях к линейности транспондера (используются специальные схемы предыскажений) может находить широкий диапазон приложений, включая и TV вещание. Констелляции 16АPSK и 32АPSK оптимизированы для работы по нелинейному транспондеру размещением точек на окружностях (рис.2). Однако их рабочие характеристики на линейном канале совместимы с традиционными форматами 16 QAM и 32 QAM соответственно.
Благодаря выбору модуляционной констелляции и скоростей кодирования, доступны эффективности спектра Ru от 0,5 до 4,5 бит/с/Гц (см. рис.1). В DVB-S2 предусмотрено три коэффициента скругления спектра (фактор roll-off): α = 0,35 (как и в DVB-S), α = 0,25 и α = 0,2 (приближение к прямоугольной форме), что дополнительно увеличивает пропускную способность, хотя и предъявляет большие требования к линейности транспондера.
Системные исполнения DVB-S2
Система DVB-S2 может использоваться в конфигурациях “одна несущая в транспондере” или “много несущих в транспондере” (используется FDM – частотное мультиплексирование). Очевидно, что при одной несущей символьная скорость передачи Rs будет соответствовать полосе пропускания транспондера (BW=Rs). При наличии же нескольких несущих, Rs будет соответствовать выделенному частотному диапазону данной услуги. Максимальное же число предоставляемых услуг будет ограничено как полосой транспондера и требуемой скоростью каждой из предоставляемых услуг, так и допустимым уровнем взаимных помех между смежными несущими.
При одной несущей, в зависимости от выбранной скорости кодирования и модуляционной констелляции, система может работать при C/N от -2,4 dB (используя QPSK 1/4) до 16 dB (используя 32АPSK 9/10). Результаты расчетов смодулированы на компьютере (рис.3) для вероятности ошибки пакета 10-7 как для DVB-S2. так и для DVB-S/DVB-DSNG, и соответствуют примерно одному ошибочному пакету TS информации за час передачи TV услуги на скорости 5 Мбит/с. При традиционном канале с гауссовым шумом увеличение пропускной способности составляет 20-35% в сравнении с DVB-S и DVB-DSNG при тех же условиях передачи или улучшение на 2…2,5 dB условия приема при той же эффективности спектра Ru.
На рис.4 представлена спектральная эффективность DVB-S2 для постоянной SAT полосы пропускания BW = Rs·(1 + α) c гауссовым шумовым каналом при идеальной демодуляции. Кривые рис.4 не учитывают ухудшение характеристик, ожидаемое на спутниковом канале из-за изменения формы спектра сигнала, обязанное уменьшению фактора roll-off (α). Для DVB-DSNG принято α = 0,35, как наихудший случай (возможно и α = 0,25).
Для режимов APSK (т.е. с амплитудной и фазовой модуляциями) возможно введение предыскажений на приемной стороне, что позволяет использовать каскад SAT усилителей в режиме, близкому к насыщению, тем самым увеличивая выходную мощность, что особенно важно для режима 32 APSK. Для таких случаев используют специальные профессиональные малошумящие конвертеры (LNC), цена на которые выше, чем на бытовые конвертеры.
При множестве несущих в конфигурации ретранслятора введение схемы предыскажений не приносит должного результата ни для одной из схем модуляции. Исходя из этого, приходится снижать выходную мощность передатчика (т.е. работать в квазилинейном режиме), в результате чего снижается и реализуемое значение C/N.
Режимы, совместимые с обратным направлением, определены стандартом DVB-S2 [1] в одном спутниковом канале связи для двух информационных TS. Первый поток (с высоким приоритетом - НР) совместим как с DVB-S [2], так и с DVB-S2 приемниками. Второй же поток (с низким приоритетом - LP) совместим только с DVB-S2 приемниками. Наличие двух потоков вызвано неизбежностью наличия довольно длительного переходного периода от DVB-S к DVB-S2 ввиду большого количества уже используемых DVB-S приемников. Только в конце миграционного периода, когда будет наблюдаться полная модуляция DVB-S2 приемников, излучаемый сигнал может быть изменен к несовместимому с реверсным направлением режиму, используя таким образом полный потенциал пропускной способности DVB-S2. Совместимость реверсных направлений может быть осуществлена по двум технологиям:
С многоуровневой модуляцией в асинхронном режиме. Такой рабочий режим является традиционным для любого ВЧ канала, в силу чего он и не нашел отражения в спецификации DVB-S2. При этом DVB-S сигнал передается на значительно более высоком уровне мощности в сравнении с DVB-S2. Так как результирующий комбинированный сигнал подвергается значительным амплитудным изменениям огибающей, то он должен передаваться на квазилинейном транспондере, т.е. в режиме, далеком от режима насыщения. Как вариант, с целью наилучшего использования SAT источников энергии, НР и LP сигналы могут усиливаться независимыми спутниковыми усилителями (НРА), работающими вблизи режима насыщения. Результирующие сигналы затем суммируются на канале нисходящего потока. Однако, такой подход требует разработки и запуска спутников нового поколения.
Иерархическая модуляция, при которой два НР и LP информационных TS синхронно комбинируются на символьном уровне модуляции на неравномерной 8PSK констелляции. Так как результирующий сигнал в этом случае будет иметь квазипостоянную огибающую (отсутствие амплитудной модуляции), то он может быть передан на единственном транспондере, работающем вблизи режима насыщения. Такое решение включено в стандарт DVB-S2 как опция.
Иерархическая модуляция, предусматривает использование двух параллельных каналов (рис.5): DVB-S и DVB-S2. По второму каналу (LP – низкий приоритет) увеличивается размерность констелляции до неравномерной 8PSK (рис.6). Из всех возможных конфигураций DVB-S2 потока разрешается только нормальная конфигурация FEC фрейма с 64 800 битами (720 слотов × 90 бит). Угол девиации q (рис.6) может изменяться по требованию пользователя: большие углы θ улучшают C/N по отношению к LP и понижают C/N для НР.
Для справочной информации, в табл.1 приведено отношение скоростей передачи данных (в %) LP/HP. В техническом отчете [5] приведена формула для расчета требуемого C/NLP для низкоприоритетного потока:
C/NLP = C/NQPSK - 3 + ΔL + M (1)
где: C/NQPSK заимствуется из [1] (см. табл.2) для пакетной вероятности ошибки в 10-7 (канал AWGN);
М – конструктивный коэффициент запаса (минимальное значение М = 0,8 dB);
ΔL = -20lg(sinθ) (2)
DVB-S кодирование (НР) DVB-S2 кодирование (LP)
1/4 1/3 1/2 3/5
1/2 26,6 35,7 53,7 64,6
2/3 20 26,7 40,3 48,4
3/4 17,8 23,8 35,8 43
5/6 16 21,4 32,2 38,7
7/8 15,2 20,4 30,7 36,9
Режим Спектральная эффективность Идеальное Es/No (dB) для FEC фрейма длиной 64 800 бит
QPSK 1/4 0,49 -2,35
QPSK 1/3 0,66 -1,24
QPSK 2/5 0,79 -0,3
QPSK 1/2 0,99 1
QPSK 3/5 1,19 2,23
QPSK 2/3 1,32 3,1
QPSK 3/4 1,49 4,03
QPSK 4/5 1,59 4,68
QPSK 5/6 1,65 5,18
QPSK 8/9 1,77 6,2
QPSK 9/10 1,79 6,42
8PSK 3/5 1,78 5,5
8PSK 2/3 1,98 6,62
8PSK 3/4 2,23 7,91
8PSK 5/6 2,48 9,35
8PSK 8/9 2,65 10,69
8PSK 9/10 2,68 10,98
16APSK 2/3 2,64 8,97
16APSK 3/4 2,97 10,21
16APSK 4/5 3,17 11,03
16APSK 5/6 3,3 11,61
16APSK 8/9 3,52 12,89
16APSK 9/10 3,57 13,13
32APSK 3/4 3,7 12,73
32APSK 4/5 3,95 13,64
32APSK 5/6 4,12 14,28
32APSK 8/9 4,4 15,69
32APSK 9/10 4,45 16,05
Адаптивное кодирование и модуляция (АСМ) является “изюминкой” DVB-S2. Такой режим работы применим для приложений класса “точка-точка” (двухточечные приложения, например, IP вещание в один адрес или DSNG). Суть режима АСМ сводится к тому, что в зависимости от приема сигнала (например, наличия дождя), меняется режим работы модулятора DVB-S2, т.е. изменяются скорость кодирования (SR) и формат модуляции, вследствие чего меняется и требуемое C/Nтреб у абонента. Проще говоря, режим АСМ позволяет достигать максимальной скорости цифрового потока для любых погодных условий. Порог C/N устанавливается на приемной стороне потребителем данной услуги (рис.8) за счет непрерывного измерения C/N + I (отношение несущая/шум + помеха) и посылки измеренного значения на вещательную наземную передающую станцию посредством реверсного канала. При этом параметры кодирования и модуляции могут изменяться от кадра к кадру.
Чтобы избежать переполнения принимаемой информации во время плохих условий приема (SR понижается), устанавливается механизм управления скоростями информационных потоков. Иными словами, осуществляется автоматическая адаптация полезного трафика к физическим возможностям канала. Критической проблемой в системах АСМ является временная задержка в петле адаптации физического уровня, поскольку это непосредственно связано с системной возможностью отслеживания изменений состояния канала. Так, значительные временные задержки могут приводить или к потере некоторых кадров при резком ухудшении прохождения сигнала (плохие погодные условия, обычно это не более 1 dB в секунду) или к потере потенциальной пропускной способности канала. Сознательное же увеличение защитного порога срабатывания системы АСМ (по аналогии с АРУ) приведет к экономической нецелесообразности ее использования.
Отметим, что механизм работы системы АСМ довольно сложен, особенно на уровне подсистемы для поддержки АСМ с MPEG-TS (например, мультиплексирование аудио, видео, мультимедиа и IP потоков с CBR и VBR), где осуществляется добавление и удаление нулевых пакетов с формированием CBR (TS с постоянной скоростью). Но, не смотря на всю сложность системы АСМ, в зависимости от параметров линии связи и ее конфигурации, она позволяет увеличить пропускную способность до 200% в сравнении с ССМ (постоянство кодирования и модуляции).