Стандарт DVB-S. Система цифрового телевещания

Стандарт DVB-S. Спутниковое (SAT) TV вещание было и остается самым быстрым, надежным и экономичным способом подачи TV сигнала высокого качества в любую точку обширного пространства.

Все вещательные искусственные спутники Земли (ИСЗ) размещаются на так называемой геостационарной орбите (ГО) – круговой орбите высотой ~36000 км в плоскости экватора. Находясь на ГО, спутник неподвижен относительно поверхности Земли, т.к. вращается с той же угловой скоростью, что и Земля. Зона видимости геостационарной ИСЗ – около одной трети земной поверхности.

Для SAT вещания выделены специальные участки радиочастотного спектра в сантиметровом диапазоне волн, где допускается повышенная плотность потока мощности с ИСЗ. Наиболее освоен участок K U-диапазона с частотами 11,7…12,5 ГГц. Вещательную мощность ИСЗ в данной точке приема принято характеризовать эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (Р ЭИИМ), представляющей собой произведение выходной мощности передатчика ИСЗ на коэффициент усиления передающей антенны в данном направлении. Р ЭИИМ обычно выражается в дБ?Вт (dBW) и обычно составляет 45…60 dBW. В соседних диапазонах 10,7…11,7 ГГц и 12,5…12,75 ГГц вещают спутники так называемой фиксированной спутниковой службы с типовыми значениями Р ЭИИМ 38…52 dBW.

Одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность энергетического потенциала спутникового ретранслятора, в силу чего в SAT вещании традиционно используют методы обработки, требующие минимального отношения несущая/шум (C/N) на входе демодулятора в обмен, например, на полосу частот сигнала. В аналоговом вещании это был выбор частотной модуляции (вместо аналоговой), а в цифровом вещании приходится применять мощное каскадное помехоустойчивое кодирование и модуляцию с невысокими кратностями (например, QPSK вместо более высокоскоростной 16 QAM). Дополнительной особенностью цифрового SAT вещания является тот факт, что многопрограммное вещание осуществляется за счет мультиплексирования в цифровом потоке, а работа передатчика ИСЗ осуществляется только на одной несущей в нелинейном режиме, что позволяет повысить его выходную мощность на 2,5…4 dB. Такое повышение энергетики эквивалентно уменьшению диаметра рефлектора приемной антенны в 2 раза в сравнении с приемом сигналов аналогового вещания.

В 1994г. в рамках консорциума DVB Project был создан Европейский стандарт спутниковой цифровой системы многопрограммного TV вещания - стандарт DVB-S, работающий в полосе частот 11/12 ГГц (European Standard EN 300 421 v.1.1.2, 1997-08). Для целей SAT вещания выделены полосы частот в диапазонах 12, 29, 40 и 85 ГГц. В диапазонах 40 ГГц и 85 ГГц выделен спектр частот шириной в 2 ГГц.

В октябре 1996г. был принят проект Рекомендации по общим функциональным требованиям к многопрограммным системам SAT вещания в полосе частот 11/12 ГГц, а уже в октябре 1999г. был выработан проект новой Рекомендации, учитывающей, что в мире существуют четыре схожие по архитектуре системы: стандрат DVB-S (Система А), DSS (Система В), G1-MPEG-2 (Система С) и ISDB- S (Система D).

Система А (стандарт DVB-S) разработана европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного TV вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к системам с SAT коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master Antenna TV), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ TV вещания. В настоящее время практическое все цифровое SAT TV вещание на все пять континентов осуществляется по стандарту DVB-S.

Существует два основных способа цифровой передачи SAT-сигналов:

  • передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих;
  • мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на одной несущей.

Число программ TV вещания, которое можно передавать с помощью одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости передачи информации, компонентного или композитного формата кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения.

Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно низкими скоростями (менее 1 Мбит/с, что эквивалентно 20-25 TV каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 TV каналов с одного транспондера.


Структурная схема передающей части стандарта DVB-S

На передающей стороне выполняются следующие преобразования потока данных для его адаптации к каналу:

  • транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии энергии;
  • внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона ( RS);
  • сверточное перемежение и внутреннее кодирование с использованием выколотого сверточного кода;
  • формирование сигнала в основной полосе частот и его модуляция.

Для SAT-систем TV-вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а также нелинейности бортового ретранслятора (т.е. возможности работы при повышенной мощности). Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум (C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I). При этом гарантируется не более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10-10…10-11 на входе демультиплексера MPEG-2 в приемнике-декодере.

Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетическими характеристиками конкретного транспондера устанавливается требуемое соотношение BW/Rs, где BW – полоса транспондера по уровню – 3 dB, Rs – скорость передаваемых символов. Так, для модуляции QPSK, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204, соответствующая скорость передачи информационных символов составит:

RU = R(2Rs)(188/204) = 1,843 R Rs.

Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5 значений кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответственно изменяет полученную скорость символов RU и спектральную эффективность системы CU=RU/BW. Возможные варианты соотношения скоростей передачи R, Rs, RU и эффективности CU от полосы транспондера при BW/Rs = 1,28 для QPSK модуляции приведены в табл.1.

BW, МГц Rs, Мсим/с R = 1/2 R = 2/3 R = 3/4 R = 5/6 R = 7/8
RU, Мбит/с СU, бит/(сГц) RU, Мбит/с СU, бит/(сГц) RU, Мбит/с СU, бит/(сГц) RU, Мбит/с СU, бит/(сГц) RU, Мбит/с СU, бит/(сГц)
54 42,2 38,9 0,72 51,8 0,96 58,3 1,08 64,8 1,2 68 1,26
46 35,9 33,1 0,72 44,2 0,96 49,7 1,08 55,2 1,2 58 1,26
40 31,2 28,8 0,72 38,4 0,96 43,2 1,08 48 1,2 50,4 1,26
36 28,1 25,9 0,72 34,6 0,96 38,9 1,08 43,2 1,2 45,4 1,26
33 25,8 23,8 0,72 31,7 0,96 35,6 1,08 39,6 1,2 41,6 1,26
30 23,4 21,6 0,72 28,8 0,96 32,4 1,08 36 1,2 37,8 1,26
27 21,1 19,4 0,72 25,9 0,96 29,2 1,08 32,4 1,2 34 1,26
26 20,3 18,7 0,72 25 0,96 28,1 1,08 31,2 1,2 32,8 1,26

Структурна схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на передающей и приемной сторонах показаны на рис.2. Как уже отмечалось выше, основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в отечественной литературе иногда именуется как ФМ-4), хотя в отдельных случаях могут использоваться 8 PSK (ФМ-8) и даже 16 QAM (КАМ-16). Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить требуемое для работы демодулятора с QPSK отношение Еб/N0 (отношение энергии в одном байте информации к мощности шума, см. рис.3), а для модуляции большей кратности пороговое значение Еб/N0 оказывается несколько выше (табл. 2).

Таблица 2

Модуляция Скорость внутреннего кода Спектральная эффективность, бит/Гц Запас на реализацию модема, dB Еб/N0 (2×10-4)
QPSK 1/2 0,92 0,8 4,5
2/3 1,23 0,8 5
3/4 1,38 0,8 5,5
5/6 1,53 0,8 6
7/8 1,61 0,8 6,4
8PSK 2/3 1,84 1 6,9
5/6 2,3 1,4 8,9
8/9 2,46 1,5 9,4
16QAM 3/4 2,76 1,5 9
7/8 3,22 2,1 10,7
© АО «Корпорация Капитал-Технология», 1992—2017
Координаты
Телефон:
(383) 226-93-20
Факс:
(383) 226-93-40
Эл. почта:
2188650@kkt.ru