Интегрированным декодером приемника цветного телевизора
.
Линия данных является двунаправленной, передача информации по остальным двум линиям возможна лишь в одном направлении. Шина IM применяется в двух вариантах: для медленных передаваемых потоков (IM-IDS) и быстрых передаваемых потоков (IM-IDF). В схемах маркируется линия идентификации – IDS (Slow-медленная) или IDF (Fast-быстрая).
Обмен данными начинается, когда уровень на всех линиях шины переходит в состояние логического 0. Конец обмена данными сигнализирует короткий импульс в линии идентификации.
На рис. 7.6 показана временная диаграмма уровней сигналов для трех линий шины-IM.
| Indent |
| Clock |
| Data |
| Старт |
| Адрес из микроконтроллера |
| Данные в микроконтроллер или из него |
| Стоп |
| H |
| L |
| H |
| L |
| H |
| L |
Рис. 7.6. Временные диаграммы уровней сигналов в линиях IМ-шины
Шина Томсона (M3L), как и шина IM, также представляет собой трехпровод-ную систему, состоящую из линии данных (DATA), линии синхронизации (CLOCK) и линии разрешения (ENABLE). Временная диаграмма уровней в шине Томсона представлена на рис. 7.7. Линия данных является двунаправленной. Передача данных начинается при изменении уровня на низкий, а конец передачи данных происходит по короткому импульсу в линии разрешения.
| Indent |
| Clock |
| Data |
| Старт |
| Адрес из микроконтроллера |
| Данные в микроконтроллер или из него |
| Стоп |
| H |
| L |
| H |
| L |
| H |
| L |
Рис. 7.7. Временные диаграммы уровней сигналов
В линиях шины Томсона (M3L)
Шина I2C (Inter Integrated Circuit) наиболее часто используется в телевизионных приемниках. Она представляет собой двунаправленную синхронную шину, состоящую из двух сигнальных линий: линии данных (SDA - Serial Data) и линии синхронизации (SCL - Serial Clock). Передача данных возможна также и в одном направлении, если абоненты шины работают только как приемники. В состоянии покоя уровень сигнала в шине соответствует логической единице, т.е. соответствует рабочему напряжению питания шины 5 В. На рис. 7.8 представлена временная диаграмма уровней шины I2С.
Началом передачи является логический 0 в линии данных. Данные передаются блоками (кодовыми словами) из 8 последовательных информационных битов (побайтно).
| SCL Clock |
| SDA Data |
| Старт |
| Адрес из микроконтроллера |
| Данные в микроконтроллер или из него |
| Стоп |
| H |
| L |
| H |
| L |
| Подтверждение приема |
Рис. 7.8. Временные диаграммы уровней сигналов в линиях шины I2С
Дополнительно передается квитирующий бит (сигнал подтверждения приема) от последнего принимавшего данные абонента системной шины. Восьмой бит в кодовом слове однозначно определяет направление передачи следующего кодового слова (передача – 0, прием – 1). Передача заканчивается, когда уровень в линиях SDA и SCL соответствует логической 1.
В зависимости от схемных решений к шине I2С возможно подключение таких функциональных узлов как телетекст, «кадр в кадре» и т.п.
Питающее напряжение 5 В прикладывается к линиям SDA и SCL через подтягивающие резисторы. Для развязки на входах отдельных устройств, подключаемых к шине, обычно размещают развязывающие резисторы.
На рис. 7.9. представлена упрощенная структурная схема включения узлов телевизора посредством цифровой шины I2С.
| Микроконтроллер |
| Тюнер |
| Память |
| Аудио процессор |
| Видео процессор |
| Подтягивающие резисторы |
| 5В |
| Развязывающие резисторы |
| SDA |
| SCL |
| К другим устройствам телевизора, охваченным шиной I2C |
Рис. 7.9. Структурная схема соединения
устройств телевизора по цифровой шине I2С
Измерения уровней сигналов в системной шине при поиске неисправности в телевизоре зачастую быстро ведут к ее локализации. В первую очередь проверке подлежит питающее напряжение шины, так как даже малые его отклонения от номинального могут привести к прекращению работы телевизора. Особое внимание необходимо обращать на наличие напряжения питания, особенно в случаях, когда появляется некая нерегулярная неисправность. Пульсации напряжения могут составлять несколько милливольт, и в сомнительных случаях проверку питающего напряжения надо проводить с помощью осциллографа.
Измерение напряжения до и после подтягивающих резисторов уже дает информацию о вероятных неисправностях в устройствах, подключенных к системной шине, при большом падении напряжения на них. А измерения на входах узлов или микросхем (после соответствующих развязывающих резисторов) могут дать ответ о неисправности функционального узла.
Поиск неисправностей несколько осложняется, когда подключение отдельных схем к шине производится без развязывающих резисторов, так как любой неисправный узел может полностью заблокировать обмен информацией по системной шине. Тогда придется последовательно отсоединять от шины подключаемые к ней схемы. Можно посоветовать начинать с узлов, подключенных через соединители (часто это тюнер, узел телетекста, схема PIP ...).
Проверка наличия сигналов в шине также является важным условием при поиске неисправностей. Отсутствие сигнала синхронизации служит указанием как на необходимость проверки работоспособности микропроцессора, так и внешнего кварцевого резонатора. Неисправности частотозадающих элементов являются причиной «ухода» частоты синхронизации от номинальной, что может привести к нарушению обмена данными.
При измерениях в системной шине внутреннее входное сопротивление осциллографа должно быть высоким, измерительной щуп должен иметь делитель 1:10, и необходимо выбрать как можно более высокий предел измерений. Если невнимательно отнестись к процессу измерения частоты синхронизации, это может привести к изменению частоты во время измерения и прекращению обмена данными. При наличии контрольной точки измерения частоты синхронизации, измерения необходимо проводить только в ней.
Проверка наличия сигналов в линии данных не дает полной информации о правильности обмена информацией между устройствами, подключенными к шине. Однако само наличие информации в шине является косвенным подтверждением происходящего обмена.
Как правило, при цифровой обработке полезных сигналов, и в других случаях, используется параллельная трансляция кодовых слов. В этом случае в передатчиках и приемниках информации используют параллельные порты. На принципиальных схемах линии такого порта имеют следующие обозначения:
MSB (Most Significant Bit) – старший значащий бит. Проверку наличия цифровой информации необходимо начинать с этой линии и далее по нисходящей, так как старшие разряды определяют более высокие уровни аналогового сигнала. Если заблокировано прохождение информации в этой линии (короткое замыкание или обрыв), то это неизбежно приводит к нарушению правильной работы телевизора.
LSB (Least Significant Bit) – младший значащий бит. При параллельной цифровой обработке это наименее важный информационный разряд. При неисправности в линии LSB вряд ли будут проявляться нарушения работы телевизора, особенно в случае, когда кодовые слова 8-разрядные, а не 4-разрядные.
Отдельные линии, по которым подаются управляющие сигналы, обозначаются так:
CS (Chip Select) – сигнал активирования (выбора) соответствующей схемы. Выполняет функцию сигнала адресации;
ОЕ - (Output Enable) – разрешающий сигнал для чтения данных;
WE (Write Enable) – разрешающий сигнал для занесения данных.
Микроконтроллер системы управления декодирует ИК сигнал от ПДУ и сигналы от клавиатуры передней панели телевизора. Он управляет канальным декодером, включая селектор каналов (тюнер) и цифровой демодулятор, видео- и звуковым декодерами, декодером PAL и транспортным потоком. С микроконтроллером по цифровой шине связаны ДОЗУ и флэш-память.
Канальный декодер (рис. 7.10) называемый также внешним интерфейсом, является одной из основных частей цифровой приставки к телевизору. Селектор смешивает входной модулированный ВЧ сигнал с сигналом гетеродина (ГУН), в результате чего получается модулированная ПЧ – сигналы I и Q.
| АРУ |
| АЦП |
| Синхроимпульсы выборки |
| Управление ГУН |
| Шина I2C |
| Цифровой демодулятор |
| Цифровые сигналы I и O |
| Селектор (тюнер) ГУН |
| Аналоговые сигналы I и O |
| Устройство прямой коррекции ошибок |
| 204-байтовые пакеты данных |
| Микроконтроллер |
| Шина адреса и данных |
| Цифровой транспортный поток (188-байтовые пакеты) |
Рис. 7.10. Канальный декодер
Для передачи на цифровой демодулятор ПЧ надо преобразовать их в цифровую форму с помощью АЦП. Частота выборки должна превышать частоту символов в передаваемом сигнале по крайней мере в два раза.
Цифровой демодулятор представляет собой микросхему процессора цифровой обработки сигналов, который может быть демодулятором сигналов спутникового приема или демодулятором COFDM сигналов наземного приема. Демодулятор управляется и программируется системным микроконтроллером по цифровой шине I2С. Он оценивает мощность входного сигнала и посылает сигнал АРУ на селектор.
Демодулятор через схему управления ГУН управляет гетеродином селектора. Выходные данные цифрового демодулятора состоят из 204-байтовых пакетов данных (видео-звуковых или обслуживания программ). Затем транспортный поток направляется на устройство прямой коррекции ошибок. Это устройство использует контрольные байты корректирующего кода для принятия решения в зависимости от полученных данных. Оно определяет, содержат ли полученные пакеты данных какие-либо ошибки. Если это так, то устройство пытается скорректировать их. При неудачной попытке устройство коррекции пометит пакеты, которые содержат ошибки, и они не будут подвергаться дальнейшей обработке.
В конце этого процесса формируется транспортный поток, который содержит 188-байтовые мультиплексированные пакеты, относящиеся к четырем или пяти различным телевизионным программам. Перед восстановлением изображения пакеты, относящиеся к выбранной программе, должны быть опознаны и размещены в необходимом порядке, что и происходит в транспортном демуль-типлексоре.
Транспортный демультиплексор (рис.7.11) принимает на свой вход 8-битовый транспортный поток, содержащий видео-, звуковую или служебную информацию, относящуюся к четырем или пяти различным программам, представленный в виде 188-байтовых пакетов.
| Транспортный демультиплексор |
| Микроконтроллер |
| IRQ |
| Синхроимпульсы (25 МГц) |
| Цифровой транспортный поток (8 битов в виде 188 -байтовых пакетов) |
| Быстрое СОЗУ |
| Данные (8 битов) |
| Адрес (13 битов) |
| (8 битов) |
| (8 битов) |
| Модуль условного доступа |
| Видеоданные (на видеодекодер) |
| Последовательные звуковые данные (на звуковой декодер) |
| (7 битов) |
| Интерфейс кредитной карты |
Рис. 7.11. Структурная схема транспортного демультиплексора
Каждый пакет содержит слово синхронизации для вхождения в синхронизм, идентификатор пакета, опорный сигнал синхронизации программы и биты видео-, звуковых и служебных данных. Если используется скремблирование (шифрование), входные данные передаются на модуль условного доступа по 8-битовой шине САМ DATAOUT, если доступ разрешен, то данные возвращаются по 8-битовой шине САМ DATAIN. Доступом управляет микроконтроллер, который может обращаться к интерфейсу кредитной карты, чтобы установить возможность зрителя пользоваться подпиской на выбранную программу.
Итак, основной задачей транспортного демультиплексора является идентификация пакетов, относящихся к выбранной программе, и использование их меток времени для синхронизации выбранных пакетов между собой. Затем де-мультиплексор фильтрует выбранные пакеты и передает видеоданные на видеодекодер MPEG-2 по шине шириной 8 битов.
Звуковые пакеты преобразуются демультиплексором в последовательность звуковых данных, которые подаются на звуковой декодер MPEG-2. Этой операцией управляет микроконтроллер, который помимо прочего, проверяет служебные пакеты запрошенных программ и направляет соответствующие инструкции по управлению и обработке на демультиплексор.
Для хранения выбранных видео- и звуковых пакетов и последующей их выдачи используется быстрое СОЗУ (время доступа 20...25 нс). Для этой цели используются специальные шины адреса (13 битов) и данных (8 битов) ОЗУ микроконтроллера. Кроме того, используются несколько линий управления: чтение/запись R/W, подтверждение ASK и выбор кристалла CS, а также одна или более линий запроса прерывания IRQ. Демультиплексор использует запросы прерывания в частности для того, чтобы, например, проинформировать о переполнении буфера СОЗУ. Системная синхронизация транспортного демультиплексора составляет 25 МГц, в то время как программная опорная синхронизация потока данных составляет 23 МГц.
Видеодекодер MPEG-2 (рис. 7.12) предназначен для восстановления исходных сигналов. Процесс включает в себя распаковку данных, реконструирование изображения по кадрам и воспроизведение исходных составляющих яркости Y и цветности CR и Св для каждого кадра. Чтобы реконструировать изображение, надо одновременно хранить передаваемые кадры и провести необходимые сравнения между ними для восстановления полных кадров. Поэтому необходима память большого объема. В ее качестве используется буферное ДОЗУ.
После восстановления изображения данные пикселов, связанные с яркостью и цветностью, передаются на кодер PAL по 8-битовой мультиплексированной шине данных (мультиплексированный CVBS). Кодер PAL формирует стандартный телевизионный сигнал (625 строк в кадре и 25 кадров в секунду). Начало каждой строки развертки определяется сигналом HSYNC, поступающем с кодера на видеодекодер. Нечетные и четные поля указываются сигналами ODDE и EVEN соответственно. Полный видеосигнал CVBS подается на УВЧ модулятор.
Для синхронизации процесса сбора данных и видеодекодер, и кодер PAL тактируются опорными программными синхроимпульсами транспортного потока частотой 23 МГц. Кодер PAL программируется и управляется микроконтроллером по 8-битовой шине данных и 6-битовой адресной шине с использованием нескольких управляющих сигналов, в том числе записи/считывания R/W и выбора кристалла CS. Для запроса прерывания видеодекодеру MPEG-2 предоставляется один сигнал IRQ. Кодер PAL управляется также от микроконтроллера по цифровой шине l2C, по которой микроконтроллер устанавливает рабочие параметры кодера.
Звуковой декодер MPEG-2 (рис. 7.13) – это микросхема, которая получает последовательные цифровые звуковые сигналы от транспортного демультип-лексора и выполняет необходимую обработку сигналов, формируя два (левый и правый) последовательных звуковых канала с ИКМ. Звуковой декодер может формировать сигналы при трех различных частотах выборки 32; 44,1 и 48 кГц.
| Видеодекодер MPEG-2 |
| Микроконтроллер |
| IRQ |
| Синхроимпульсы декодера (5,5 МГц) |
| Буферное ДОЗУ видеоданных |
| Данные (9 битов) |
| Адрес (64 бита) |
| EVEN |
| Видеоданные (8 битов) |
| Адрес видеоданных (6 битов) |
| Кодер PAL |
| ODDE |
| HSYNC |
| Мультиплексированный CVBS Y, CH, CB (8 битов) |
| Опорные синхроимпульсы транспортного потока (27 МГц) |
| Шина I2C |
| УВЧ модулятор |
| Сигнал звука |
| Модулированный УВЧ сигнал |
Рис. 7.12. Структурная схема видеодекодера MPEG-2
| Звуковой декодер MPEG-2 |
| Микроконтроллер |
| IRQ |
| Синхроимпульсы (25 МГц) |
| ДОЗУ звуковых данных |
| Данные (8 битов) |
| Адрес (10 битов) |
| УВЧ модулятор |
| Полный телевизионный видеосигнал CVBS |
| Модулированный УВЧ сигнал |
| Управление частотной выборки |
| Цифровые последовательные звуковые сигналы |
| ЦАП |
| ЦАП |
| Левый |
| Правый |
Рис. 7.13. Структурная схема декодера звука MPEG-2
Информацию о фактической частоте выборки, используемой передатчиком, предоставляет транспортный демультиплексор, который извлекает ее из поступающего транспортного потока.
Хранение объема звуковых данных осуществляет ДОЗУ, которое обеспечивает также задержку сигнала. Декодер звука управляется и программируется микроконтроллером по 3-битовой адресной шине, 8-битовой шине данных и управляющим линиям R/W и CS.
С помощью предоставляемого запроса прерывания IRQ звуковой декодер может информировать микроконтроллер о некоторых возникающих сбоях и запрашивать прерывание.
Схема УВЧ модулятора (рис. 7.14) состоит из непосредственно УВЧ модулятора с синтезатором частот ФАПЧ и усилителя петли.
| Звуковой модулятор |
| Схема восстановления постоянной составляющей |
| Смеситель |
| Амплитудный модулятор |
| Синтезатор несущих частот с ФАПЧ |
| Усилитель петли-смеситель 2 |
| ВЧ выход |
| Антенный вход |
| Индекс модуляции |
| Полный видеосигнал CVBS |
| Генератор звуковой поднесущей |
| Сигнал звука |
| Настроенный варикап |
| Настройка |
| ВЧ сигнал |
| I2C |
Рис. 7.14. Структурная схема УВЧ модулятора и усилителя петли
В состав УВЧ модулятора входят:
• синтезатор частот ФАПЧ, управляемый по цифровой шине I2C;
• амплитудный модулятор;
• звуковой генератор для звуковой поднесущей;
• схема восстановления постоянной составляющей видеосигнала;
• смеситель с регулятором индекса модуляции.
Настройка модулятора осуществляется постоянным напряжением 0...24 В, полученным в синтезаторе частот ФАПЧ. Настройка производится с помощью варикапа.
Звуковой сигнал используется для ЧМ модуляции сигнала звуковой поднесу-щей. Затем модулированная звуковая поднесущая складывается с полным видеосигналом после восстановления в нем постоянной составляющей и полученный таким образом сигнал используется для амплитудной модуляции выбранной УВЧ несущей. Модулированная УВЧ несущая поступает в усилитель петли, который смешивает этот сигнал с сигналом, поступающим на антенный вход.
Когда цифровой декодер не работает в качестве приставки, УВЧ-модулятор с синтезом отключается по команде от микроконтроллера управления, поступающей по цифровой шине I2С. Усилитель петли продолжает работать, поэтому сигнал от антенного входа через усилители проходит на ВЧ выход.
В заключение раздела приведена упрощенная структурная схема телевизора (рис. 7.15), видео- и аудио сигналы в котором обрабатываются в цифровом виде. Для наглядности шины управления на рисунке не показаны.
Именно такой концепции цифрового телевизора соответствует модель телевизора фирмы PANASONIC, подробно описанная ниже.
Телевизоры имеют следующие технические характеристики.
• Принимаемые телевизионные системы:
PAL B/G, D/K, I, H; PAL-60; SECAM B/G, D/K, L7L'; NTSC M; NTSC (только AV).
• Принимаемые телевизионные и кабельные каналы:
VHF E2-E12; VHF А, Н, Н1, Н2; VHF R1-R12; UHF E21-E69; CATV S01-S05; CATV S1-S10 (М1-М10); CATVS11-S20(U1-U10);CATVS21-S41 (HYPERBAND).
• Промежуточные частоты:
- сигналов изображения: 38,9; 38; 34 МГц;
- сигналов звука: 32,9; 33,4; 31,5; 33,16; 34,47; 34,5 МГц;
- сигналов цветности: 34,65; 34,47; 34,5; 33,6; 33,75 МГц;
• Соединители сигналов звука и изображения:
- Мониторный выход: аудио RCA´2 500 мВ, 1 кОм;
- AV1 Входы: аудио 500 мВ, 1 кОм;
- SCART1 видео 1 В (размах), 75 Ом RGB;
- Выходы: аудио 500 мВ, 1 кОм, видео 1 В (размах), 75 Ом;
-AV2 Входы: аудио 500 мВ, кОм
- SCART2 видео 1 В (размах), 75 кОм
- S-видео Y: 1 В (размах), 75 Ом С: 0,3 В (размах), 75 Ом
- Выходы: аудио 500 мВ, 1 кОм, видео 1 В (размах), 10 кОм
- AV3 Входы: S-видео Y: 1 В (размах), 75 Ом; С: 0,3 В (размах),
75 Ом; аудио RCA´2 500 мВ, 1 кОм; видео RCA´1 1 мВ, 75 Ом
| Тюнер |
| Канал ПЧ |
| АЦП |
| АЦП |
| 5.5 МГц |
| 5.74 МГц |
| CVBS |
| Аналоговая обработка сигналов |
| Цифровой аудио- процессор |
| Цифровой видео- процессор |
| ЦАП |
| ЦАП |
| Левый канал |
| Правый канал |
| Оконечные каскады ЗЧ |
| RGB видеоусилители |
| Устройство разверток |
| Модулятор коррекции |
| ОС |
| Цифровая обработка сигналов |
| Аналоговая обработка сигналов |
| Источник питания |
| 220 В |
| ПДУ |
| Фотоприемник |
| Память |
| Микроконтроллер |
| Сброс |
| Система управления |
Рис. 7.15. Упрощенная структурная схема телевизора,
видео- и аудио сигналы, в котором обрабатываются в цифровом виде
• Напряжение питающей сети: 220...240 В, 50 Гц
• Потребляемая мощность: 159 Вт (29"), 149 Вт (25")
• Используемые кинескопы:
110° A68ESF002X43 (68 см - 29")
110° A59ESF002X43 (59 см - 25")
• Выходная мощность звука:
2´20 Вт (музыкальная мощность) на нагрузке 8 Ом.
Телевизор включает в себя следующие узлы: радиоканал (вместе с тюнером) и канал обработки сигналов звука (на платах Е и В), схемы цифровой обработки сигналов (на платах Е и F), выходные каскады сигналов яркости и цветности (на плате Y), схемы строчной и кадровой разверток (на платах D и Е), схему цифровой обработки сигналов телетекста (на плате Е), схему цифровой обработки сигналов дополнительных изображений в основном («кадр в кадре» - PIP) (на плате G), схему цифровой обработки звуковых сигналов (на плате Е), систему управления (на плате Е), устройство коммутации входных и выходных сигналов изображения и звука (на плате Н) и источник питания (на платах М и D).
На рис. 7.16 приведена структурная схема прохождения сигналов изображения и звука в телевизорах, собранных на шасси EURO-3.
| Микроконтроллер IC 1101 |
| EPROM IC1105 |
| Тюнер |
| EAROM |
| IC601 TDA9151 |
| IC401 TDA9151 |
| IC1552 SDA9257 |
| Плата - F |
| Плата - E |
| IIC – Bus1 |
| X1101 |
| 21 Pin AV2 |
| IIC – Bus4 |
| Mega-Text IC3501 |
| Плата - F |
| IC2001 MSP3410 |
| IC603 TDA4780 |
| Плата - E |
| IC1601 DFU |
| IC1602 SDA9280 |
| IC1701 V-Processor |
| IIC – Bus2 |
| Плата - F |
| A.V Switching |
| Плата - H |
Рис. 7.16. Структурная схема прохождения сигналов изображения
и звука в телевизорах, собранных на шасси EURO-3
| Глава 8. | ЦИФРОВОЕ СПУТНИКОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ DVB-S |
8.1. Основы спутникового вещания
8.2. Стандарт DVB-S
8.3. Стандарт DVB-S2
8.1. Основы спутникового вещания
Спутниковое ТВ (SAT) вещание было и остается самым быстрым, надежным и экономичным способом подачи ТВ 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 KU-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.
Стандарт DVB-S
В 1994г. в рамках консорциума DVB Project был создан Европейский стандарт спутниковой цифровой системы многопрограммного ТВ 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: стандарт 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 ТВ 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 ТВ), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ ТВ вещания. В настоящее время практическое все цифровое SAT ТВ 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 ТВ 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 ТВ каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 ТВ каналов с одного транспондера.
Структурная схема передающей части стандарта DVB-S показана на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Структурная схема передающей части системы
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 ТВ 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. 8.1.
Таблица 8.1
| 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) | ||
| 42,2 | 38,9 | 0,72 | 51,8 | 0,96 | 58,3 | 1,08 | 64,8 | 1,2 | 1,26 | ||
| 35,9 | 33,1 | 0,72 | 44,2 | 0,96 | 49,7 | 1,08 | 55,2 | 1,2 | 1,26 | ||
| 31,2 | 28,8 | 0,72 | 38,4 | 0,96 | 43,2 | 1,08 | 1,2 | 50,4 | 1,26 | ||
| 28,1 | 25,9 | 0,72 | 34,6 | 0,96 | 38,9 | 1,08 | 43,2 | 1,2 | 45,4 | 1,26 | |
| 25,8 | 23,8 | 0,72 | 31,7 | 0,96 | 35,6 | 1,08 | 39,6 | 1,2 | 41,6 | 1,26 | |
| 23,4 | 21,6 | 0,72 | 28,8 | 0,96 | 32,4 | 1,08 | 1,2 | 37,8 | 1,26 | ||
| 21,1 | 19,4 | 0,72 | 25,9 | 0,96 | 29,2 | 1,08 | 32,4 | 1,2 | 1,26 | ||
| 20,3 | 18,7 | 0,72 | 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.8.2. 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.8.3), а для модуляции большей кратности пороговое значение Еб/N0 оказывается несколько выше (см. табл.8.2).
Рис. 8.2. Структурная схема системы DVB-S
Рис.8.3. Отношение энергии в одном байте информации к мощности шума
Таблица 8.2
| 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 | ||
| 3/4 | 1,38 | 0,8 | 5,5 | |
| 5/6 | 1,53 | 0,8 | ||
| 7/8 | 1,61 | 0,8 | 6,4 | |
| 8PSK | 2/3 | 1,84 | 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 | |
| 7/8 | 3,22 | 2,1 | 10,7 |
Стандарт DVB-S2
В 2004г. появился стандарт SAT вещания, именуемый DVB-S2, который явился модификацией ранее существовавшего стандарта DVB-DSNG, предусматривающего максимально возможную совместимость с системой цифрового спутникового вещания DVB-S. Для придания большей универсальности применения и повышения эффективности при работе по каналам с достаточным энергетическим запасом, в технические нормы на системы первичного распределения добавлены опции режимов передачи, основанные на модуляции типа 8 PSK и 16 QAM.
Новый же стандарт DVB-S2 призван покрыть недостатки как стандарта DVB-S (низкие скорости потоков за счет формата модуляции QPSK), так и стандарта DVB-DSNG (работа SAT передатчиков при пониженных выходных мощностях в силу требования обеспечения более низких искажений). Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами.
Важнейшим фактором создания нового стандарта DVB-S2 стали планы массового запуска HDTV. Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV. Если же все SAT программы будут вещаться в ТВЧ, то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ сигнала. Таким образом, перспектива появления HDTV потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих имеющиеся частотные ресурсы (т.е. DVB-S2).
Вторая причина появления стандарта DVB-S2 обязана неудовлетворительной работе имеющихся приемных систем K a-диапазона. Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и KU-диапазонах.
Третья причина появления стандарта DVB-S2 – появление интерактивных SAT сетей с адресными услугами. Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата. Старые стандарты таких возможностей не предоставляют.
Таким образом, от нового стандарта DVB-S2 требовалось следующее:
· повысить эффективность использования транспортного канала, т.е. предоставить возможность в полосе стандартного канала передавать больше бит полезной информации на помехоустойчивость;
· допускать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале.
Кроме того, стандарт DVB-S2 должен был обеспечить совместимость с прежними стандартами и пути плавной миграции от старого оборудования к новому.
Первые два требования удалось выполнить за счет введения в стандарт более разнообразных схем модуляции, использования более эффективных систем защитного кодирования и введения дополнительных коэффициентов скругления, обеспечивающих более крутые фронты модулированного сигнала.
Гибкость формирования канала была достигнута теми же методами, что и эффективность использования спектра методами, а также за счет введения режимов VCM (Variable Coding and Modulation) и АСМ (Adaptive Coding and Modulation). Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг, передаваемый в одном канале, а второй - дополнительную возможность адаптации транспортных параметров к текущим условиям приема услуги. Режим АСМ предназначен для сетей с обратным каналом, где приемные системы имеют возможность переправлять на головную станцию информацию об условиях приема.
В результате был создан универсальный стандарт (DVB-S2), на базе которого могут строиться сети для распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Новый стандарт DVB-S2 также удобен для формирования телевизионных приложений для «телевидения в движении», что является темой настоящего диплома.
Большинство эффективных механизмов, заложенных в DVB-S2, оказались несовместимыми со старыми стандартами. Потому, для выполнения требования совместимости вниз, разработчики ввели в стандарт два режима. Один – совместимый вниз, но менее эффективный, а другой, использующий все новые возможности, но не позволяющий использовать приемники стандарта DVB-S.
Первый стандарт DVB-S2 рекомендуется для предоставления традиционных услуг, на период миграции к новому стандарту, а второй – для применения в профессиональных сетях и для передачи новых услуг, которые невозможно принять старыми приемниками.
Новый стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможности схемы модуляции (рис. 8.4).
Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают там в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры (LNВ), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала.
Рис.8.4. Варианты модуляции
Использование большого числа несущих позволяет удлинить время передачи каждого символа и выделить период защитного интервала для отстройки от помех многолучевого приема.
В зависимости от количества ортогональных несущих в стандарте выделяется два режима 8К (8192 несущих) и 2К (2048 несущих). DVB-S предусматривает возможность использования трех видов модуляции — QPSK, 16 QAM и 64 QAM, четырех вариантов относительной длительности защитного интервала, а также пяти вариантов относительной скорости при наложении сверточного помехозащитного кодирования.
Сочетания этих параметров позволяют гибко выбирать режим в зависимости от радиуса охвата соты, ландшафта и РЧ обстановки. Наличие защитного интервала дает возможность активно использовать DVB-S для передачи на мобильные терминалы, в том числе движущиеся с большой скоростью.
Для защиты от помех в новом стандарте DVB-S2, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции (Forward Error Correction - FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты – другие, чем в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты в место кода Рида-Соломона используется код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (BCH), а в качестве внутренней, вместо сверточного кода, - код с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes – LDPC).
Для дополнительного снижения частоты ошибки используется внешний уровень кодозащиты ВСН, работающий при малой плотности ошибок. В большинстве режимов код позволяет исправлять до 12 ошибок, но в некоторых – до 8 или до 10 ошибок.
Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2 TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой.
DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/шум.
Режимы с совместимостью вниз в основном предназначены для сетей вещания и более всего – для операторов, предоставляющих субсидии на покупку абонентских приемников. Они могут использовать эти режимы на время смены парка приемников, а затем переключиться на более эффективные, несовместимые режимы.
По сравнению с DVB-S, новый стандарт DVB-S2 обеспечивает повышение скорости передачи полезной информации на 20-35% или при той же эффективности использования спектра дает запас по уровню сигнала в 2-2,5 dB.
На рис.8.5 показаны варианты полезной скорости, достигаемые при разных конфигурациях системы, а также полезные скорости сигналов стандартов DVB-S и DVB-DSNG.
Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима АСМ, предназначенного для интерактивных адресных приложений, например, для владельцев яхт. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 dB, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим АСМ наиболее эффективен применительно к трансляциям Кα-диапазона, а также для тропических зон приема.
На рис.8.6 показана схема работы спутниковой системы в этом режиме.
Рис.8.5. Скоростные характеристики стандартов
Рис. 8.6. АСМ-режим
Система включает АСМ шлюз, DVB-S2 модулятор с поддержкой АСМ, передающую наземную станцию, спутник и систему приема спутникового сигнала, подключенную к АСМ шлюзу через реверсный канал.
В АСМ режиме формат помехоустойчивого кодирования и схема модуляции могут меняться от кадра к кадру. В условиях повышенного затухания сигнала услуга может поддерживаться за счет снижения скорости передачи полезной информации с одновременным повышением избыточности помехозащитного кода и/или перехода к более помехоустойчивой схеме модуляции. Качество принимаемого сигнала оценивается параметром C/N + I.
Каждая приемная система измеряет величину этого параметра и по реверсному каналу отправляет результат к АСМ шлюзу.
Новый стандарт DVB-S2 быстро найдет применение в сетях спутникового индивидуального обслуживания в движении. Хотя бы в виду значительных преимуществ, которые предоставляет АСМ режим. Но скорость его массового внедрения, вероятно, будет зависеть от появления новых услуг, несовместимых с имеющейся приемной аппаратурой.
| Глава 9. | ЦИФРОВОЕ КАБЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ DVB-С |
9.1. Стандарт DVB-С
9.2. Особенности передачи цифровых сигналов по сетям КТВ
9.3. Структура системы DVB-C
9.4. Преимущества стандарта DVB-C
9.5. Транспортные сети для доставки DVB-C
9.6. Абонентское оборудование
Стандарт DVB-C
В результате работы DVB Project уже в 1984г. были выработаны основные положения стандарта DVB-C (C – Cable – кабель, т.е. стандарт цифрового телевизионного вещания по кабелю).
В основе стандартов DVB (в том числе и стандарта DVB-C) лежит стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения MPEG-2 (табл.9.1). В настоящее время используется основной профиль без масштабирования.
Уровень High-1440 (1440×1152 элементов) соответствует телевидению высокого разрешения (высокой четкости) с форматом экрана 4:3 (стандартный экран), а уровень High (1920×1152 элементов) - телевидению высокого разрешения (HDTV) с форматом экрана 16:9 (широкоформатное изображение). Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации (т.е. MPEG-2) цифровых телевизионных систем – профилям. С переходом на более высокие профили, т.е. при продвижении по таблице направо, увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов.
Как видно из таблицы, на главном уровне (Main), соответствующем телевидению обычного разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с. Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с, соответствующей параллельному стыку по Рекомендации 601 МККР, можно видеть, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз.
Таблица 9.1. Стандарт MPEG-2 (в основе DVB-C)
| Уровень | Профиль | ||||
| Простой (Simple) | Основной (Main) | Масштабирование по S/N (SNR Scalable) | Пространственный (Spatially Scalable) | Высокий (High) | |
| High 1920×1152 | - | 80 Мбит/с | - | - | 100 Мбит/с |
| High-1440 1440×1152 | - | 60 Мбит/с | - | 60 Мбит/с | 80 Мбит/с |
| Main 720×576 | 15 Мбит/с | 15 Мбит/с | Мбит/с | - | 20 Мбит/с |
| Low 352×280 | - | 4 Мбит/с | 4 Мбит/с | - | - |
| Кодирование компонентов | 4:2:0 | 4:2:0 | 4:2:0 | 4:2:0 | 4:2:0 или 4:2:2 |
| В-кадры | Нет | Есть | Есть | Tcnm | |
| Масштабируемость | Нет | Нет | По S/N | По пространственному разрешению и по S/N | По пространственному разрешению и по S/N |
Режим “Main Profile@Main Level (MP@ML)” в настоящее время широко используется в системах DVB (Стандарт DVB-C).
На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих HDTV, скорость передачи в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней разрешения данного профиля используется один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем ЗУ. Аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения.
Высшие профили стандарта MPEG-2 характеризуются наличием масштабируемости, которая была упомянута выше. Кроме того, на высших профилях возможно применение компонентного кодирования сигналов не только через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2). Предусмотрен также специальный профиль (4:2:2, в табл.5.1 не показан), предназначенный для студийного оборудования, в частности для видеомонтажа.