В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр Ануфриев
Заместитель генерального директора компании "НПО СвязьПроект"
DVB-S2 представляет собой второе поколение стандарта для спутникового вещания. В этом стандарте использованы самые последние разработки в области канального кодирования в сочетании с различными типами модуляции и специальными опциями, позволяющими существенно повысить пропускную способность спутникового канала и обеспечить работоспособность сервисов в неблагоприятных погодных условиях
В данной статье описаны основные характеристики и случаи применения DVB-S2, которые свидетельствуют о преимуществах нового стандарта.
Перед разработчиками стояла задача создать механизм, который позволил бы повысить эффективность использования спутникового канала связи, то есть предоставить операторам возможность передавать в заданной полосе частот больше полезной информации при минимальных затратах на оборудование передающих и приемных станций.
По предварительным оценкам, стандарт DVB-S2 способен улучшить показатели спутниковой системы в среднем на 30%. Чтобы достичь таких показателей производительности системы, в новом стандарте применяются самые последние достижения в области канального кодирования и модуляции. Для интерактивных приложений "точка - точка" (таких, как однонаправленная адресная рассылка данных - IP unicasting) возможно использование режима адаптивного кодирования (Adaptive Coding & Modulation - АСМ), который позволяет менять параметры передачи (кодирование и модуляцию) от пакета к пакету, в зависимости от условий приема. Использование АСМ может принести выигрыш по полосе, даже больше, чем на 30%.
Кроме того, DVB-S2 является настолько гибким, что позволяет работать не только с потоками MPEG-2, но и с различными форматами кодирования, которые еще только разрабатываются. Также с помощью DVB-S2 можно работать с любыми типами транспортных потоков, такими, как однопрограммные и многопрограммные транспортные потоки MPEG, пакеты IP или ATM.
Как известно, для любого канала передачи информации коррекция ошибок -это ключевой момент для достижения его наилучших характеристик (особенно когда канал подвержен воздействию случайных ошибок). Для каналов со случайным характером ошибок (обычно с аддитивными помехами типа "белого шума") практический интерес представляют лишь несколько кодов из десятков известных. Наиболее часто разработчики используют три вида кодов: свер-точные, Рида-Соломона и турбокоды, к которым относятся коды с низкой плотностью проверки на четность (Low Density Parity Check codes -LDPC).
Сочетание нескольких схем помехоустойчивого кодирования позволяет учесть различные условия эксплуатации. Так, сверточный код обычно используется для передачи речевого трафика, когда вероятность ошибки на бит может быть достаточно большой, но не критичной для восприятия и понимания передаваемой информации. При передаче данных, когда требуется более высокая надежность, применяются так называемые каскадные коды, в которых внешним обычно является код Рида-Соломона, а внутренним - сверточный. В новом стандарте в качестве внешнего кода используется код Боуза-Чоудхури-Хоквингема ( Bose-Chaudhu-ri-Hocquenghem - BCH), а в качестве внутреннего - LDPC-код. Такое сочетание кодов дает возможность максимально близко подойти к пределу Шеннона для каналов с адаптивным "белым" гауссовским шумом. С этой точки зрения новый стандарт настолько хорош, что, по мнению специалистов, дальнейшее улучшение параметров спутникового канала связи невозможно.
Стандарт DVB-S2 предусматривает использование четырех типов модуляции: QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK. Первые два применяются в вещательных сетях, где передатчики транспон-деров работают в нелинейных режимах, близких к насыщению, а два других, как правило, в профессиональных приложениях, но могут использоваться также для целей вещания. И хотя указанные типы модуляций требуют больших затрат мощности, для обеспечения необходимого уровня соотношения C/N, зато они дают большую эффективность по использованию спектра. Созвездия 16APSK и 32APSK оптимизированы для работы через нелинейный транспондер путем размещения точек на окружностях. Однако при работе через линейный тракт их характеристики сравнимы с 16 QAM и 32 QAM соответственно.
Выбирая тип модуляции и скорость кодирования, можно менять эффективность использования спектра от 0,5 до 4 бит на символ. При этом надо учитывать характеристики транспондера.
В зависимости от выбранной скорости кодирования и типа модуляции система с DVB-S2 может работать с уровнями отношения сигнал/шум от -2,4 дБ (QPSK 1/4) до 16 дБ (32APSK 9/10), имея в виду канал с аддитивным "белым" гауссовским шумом и идеальный демодулятор.
Эти результаты были получены при компьютерном моделировании для вероятности ошибки 107 (одна ошибка в транспортном пакете в течение 1 часа трансляции на скорости 5 Мбит/с). Расстояние до теоретического предела Шеннона достигает 0,7-1,2 дБ. Это дает увеличение эффективности на 25-30% по сравнению с DVB-S или DVB-DSNG при тех же условиях передачи или выигрыш по мощности на приеме на 2-2,5 дБ при том же спектре.
С DVB-S2 система может работать в режимах "одна несущая на транспондер" или "несколько несущих на транспондер" (Frequency Division Multiplexing - FDM). На рис. 2 показана зависимость полезной скорости от выбранного FEC и типа модуляции. Символьная скорость Rs соответствует уровню -3 дБ полосы модулированного сигнала, а скорость Rg(l+a) соответствует теоретической предельной полосе после модуляции с применением коэффициента скругления (roll-off) модулированной несущей. Использование малых коэффициентов (а = 0,25 или а = 0,20) позволяет повысить емкость полосы трансляции, но это может привести к увеличению нелинейности транспонде-ра при работе в одночастотном режиме.
При работе через спутник модуляции QPSK и 8PSK более эффективны в одночастотном режиме, так как вещание осуществляется через транспондеры, находящиеся близко к насыщению.
Оценить преимущества любой новой системы по сравнению со старой всегда легче, если проверить возможности этой системы в работе. Поэтому приведем несколько примеров, они наглядно показывают те выигрыши, которые может дать пользователю новый стандарт.
Вещание SDTV- и HDTV-программ (режимы ССМ и VCM)
В табл. 1 дается сравнение стандартов DVB-S2 и DVB-S при вещании через транспондер 36 МГц с использованием приемных антенн диаметром 60 см. Параметры кодирования видео: 4,4 Мбит/с для каналов SDTV и 18 Мбит/с для каналов HDTV в стандарте MPEG-2 или 2,2 Мбит/с (SDTV) и 9 Мбит/с (HDTV) в стандарте MPEG-4.
Кроме того, при комбинировании DVB-S2 и MPEG-4 в транспондере умещается от 21 до 26 ТВ-каналов, что может привести к существенному снижению стоимости вещания через спутник одного канала из пакета. Эта комбинация обещает быть весьма полезной для развития HDTV-вещания, поскольку позволяет организовать в полосе 36 МГц пакет из 5-6 программ.
Используя новый стандарт, можно также организовать трансляцию ТВ-программ через мультипакетные транс портные потоки, обеспечивая различную степень защиты от ошибок на мульт-иплекс (режим VCM). Типичным примером здесь является вещание вы-сокозащищенного мультиплекса для SDTV и менее защищенного для HDTV.
Раздача пакетов программ на цифровые эфирные передатчики
DVB-T-вещание уже работает во многих странах мира. Одним из возможных путей для вещания пакетов программ на эфирные передатчики является использование спутника. В существующих системах раздачи используется стандарт DVB-S, который позволяет передавать один пакет на несущей. При такой схеме для раздачи п пакетов необходимо n несущих на транспондере, что требует большого запаса по мощности, или, как альтернатива, п транспондеров по п несущих, что затратно и неэффективно с точки зрения использования спутникового ресурса. Применение стандарта DVB-S2 позволит организовать многопакетное вещание с использованием режима "одна несущая на транспондер". К примеру, DVB-82-сигнал с битовой скоростью 30 Мсимв/с может транслироваться через транспондер 36 МГц с roll-off = 0,2. Таким образом, чтобы передать два пакета по 24 Мбит/с каждый, потребуется эффективность использования спектра 1,6 бит/с/Гц. Такой эффективности можно добиться, используя QPSK 5/6. Требуемое соотношение C/N составит 6 дБ в полосе 30 МГц. Коэффициент доступности радиолинии 99,9% может быть достигнут при использовании передающей антенны 3 м (ЭИИМ 64 дБВт) и приемных антенн диаметром 1,2 м. При этом транспондер должен работать в режиме, близком к насыщению. При использовании DVB-DSNG с 8PSK 2/3 с двумя несущими в полосе 36 МГц и скоростью по 13 Мсимв/с требуемое соотношение C/N будет 9 дБ в полосе принимаемого сигнала. Для достижения коэффициента готовности 99,9% потребуется увеличение ЭИИМ до 75 дБВт, а приемные антенны должны быть не менее 2 м. Таким образом, этот пример наглядно показывает, что DVB-S2 позволяет не только эффективнее использовать спутниковый ресурс, но экономить на передающих и приемных станциях.
Адаптивное кодирование для приложений "точка — точка"
Пожалуй, наиболее интересной особенностью нового стандарта является его возможность оперативно менять параметры передачи для каждой приемной станции в зависимости от условий приема. Это обеспечивается применением режима адаптивного кодирования - АСМ (Adaptive Coding and Modulation). Преимущество использования АСМ становится еще более заметным при работе в высокочастотных диапазонах (Ka-band) и в районах с неблагоприятной погодной обстановкой (тропики).
На рис. 3 показана схема работы системы АСМ. Эта система состоит из АСМ-шлюза (GW), DVB-S2 АСМ-модулятора, ЗССС, спутника и приемного терминала, соединенного с АСМ GW по обратному каналу.
DVB-S2 АСМ-модулятор работает с постоянной символьной скоростью, чтобы занимаемая на спутнике полоса была постоянной. АСМ встраивается модулятором в передаваемую последовательность кадров, где параметры кодирования и модуляции могут меняться от кадра к кадру. При этом, в зависимости от условий приема (затухания в дожде), одновременно в кадре будет меняться полезная скорость передачи и FEC - чем хуже условия приема (ниже FEC), тем ниже скорость, и наоборот. Таким образом обеспечивается постоянство сервиса. Физический уровень адаптации параметров передачи достигается следующим:
Ключевым моментом в АСМ-системах является физический уровень адаптации задержки обратного канала, так как это жестко привязано к возможности системы изменять параметры контрольного канала. Если данная адаптация происходит быстро, то можно обеспечить бесперебойную работу сервиса при быстрых колебаниях условий приема и в то же время поддерживать значение C/N на низком уровне, чтобы максимизировать пропускную способность системы. Задержка обратного канала в пределах одной секунды позволяет минимизировать потерю передаваемых пакетов.
В заключение хочется сказать, что внедрение нового стандарта не рассматривается как полная замена DVB-S в ближайшее время. Миллионы приемников DVB-S установлены и работают по всему миру в разных системах. Скорее всего, новый стандарт следует рассматривать как инструмент для внедрения новых сервисов, например: HDTV-вещание, раздача пакетов программ на эфирные передатчики DVB-T, развитие магистральных IP-каналов и в интерактивных приложениях "точка - точка".
В этих применениях стандарт DVB-S2 может дать операторам и пользователям такие возможности, которые стандарт DVB-S никогда не сможет обеспечить.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #3, 2007
Посещений: 22163
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
