Принципы цифрового телевидения стандарта ATSC

Citation preview

53

Научно-технические разработки

В.Варгаузин

ПРИНЦИПЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Science & Engeneering

СТАНДАРТА ATSC

Введение

ÒÀÁË. 1. Ôîðìàòû èçîáðàæåíèÿ ñòàíäàðòà ATSC äëÿ ÷àñòîò ðàçâ¸ðòêè 60/30/24 Ãö

История становления стандарта [1-4] американского цифрового телевидения ATSC (Advanced Тelevision Systems Committee) от момента его зарождения до практического внедрения насчитывает около 10 лет: в 1987 г. была начата работа над стандартом, в 1996 г. Федеральной комиссией по связи (FCC, Federal Communications Commission) стандарт был одобрен в качестве национального, а в ноябре 1998 г. 26 станций, находящихся в 10 регионах США, официально приступили к цифровому ТВ вещанию одновременно с программами аналогового телевидения в формате NTSC. Более того, в США разработан стратегический план, по которому к 2006 г. вещательные компании должны полностью перейти на цифровое ТВ и прекратить аналоговое вещание. Для реализации этого плана FCC приняла рекомендательное решение отвести каждой из 1663 американских ТВ станций отдельный частотный канал для цифрового ТВ вещания. При отсутствии свободных частотных каналов в США, достигнуть этого предполагается единым и продуманным частотным планированием. В настоящее время в США 69 [5] станций передают программы в цифровом формате и около 50% населения имеют доступ к цифровому наземному ТВ. Канада, Северная Корея, Тайвань и Аргентина (аналоговое вещание в стандарте PAL) также адаптировали и утвердили стандарт ATSC в качестве национального стандарта цифрового наземного ТВ [5]. Основными производителями ATSC-оборудования являются крупнейшие фирмы: Zenith, Harris, Ktech, Itelco, Toshiba, Thomson, Sony, Lucent, Mitsubishi, Motorola, Sarnoff, LG, Samsung, NDS, Hewlett Packard и др. Благодаря их усилиям одновременно с началом наземного цифрового вещания в США появились приставки (STB, Set-Top Boxes) стоимостью от $600 к обычным телевизорам стандартной чёткости (SDTV, Standart Definition Television) для приёма цифровых программ и компьютерные платы (стоимостью около $800) для просмотра цифровых программ на экране компьютерного монитора при числе активных строк 720 (режим XGA). В то же время главным направлением полного перехода к цифровому вещанию в США является переход к телевидению высокой чёткости (HDTV, High Definition Television) с новым качеством картинки на экране цифрового широкоформатного телевизора и отношением ширины экрана к высоте 16:9 и числом активных строк 1080. При этом HDTV-программы сопровождаются высококачественной звуковой системой Dolby AC-3 с 5-ю основными каналами передачи звука и одним вспомогательным каналом [3]. Поэтому уже сегодня в США можно купить дорогостоящие HDTV телевизоры с плазменным экраном стоимостью от $5000. Достаточно сложная ситуация с форматами цифровых программ дополнительно усложняется тем, что вещательные компании также имеют возможность передавать цифровые программы в различных форматах. C учётом прогрессивной (P, Progresive) и чересстрочной (I, Interlaced) развёртки, общее число форматов, предусмотренных стандартом ATSC для “американских” частот развёрток, достигает 18 (табл.1) [1, 2]. Отметим, что стандартом также предусмотрены форматы изображений для “европейских” частот развёртки (табл. 2) [4]. При таком обилии форматов важным моментом является принцип, согласно которому любой ATSC-приёмник должен декодировать любой переданный формат и правильно его выводить в соответствии с возможностями экрана. В настоящее время производители ТВ-приёмников строго соблюдают этот принцип. В результате любой ATSC-приёмник

×èñëî ñòðîê 1080 720 480 480

×èñëî ïèêñåëåé Øèðèíà ×àñòîòà ðàçâ¸ðòêè â ñòðîêå ê âûñîòå ýêðàíà 1920 16:9 60I, 30P, 24P 1280 16:9 60P, 30P, 24P 704 16:9 è 4:3 60P, 60I, 30P, 24P 640 4:3 60P, 60I, 30P, 24P

ÒÀÁË. 2. Ôîðìàòû èçîáðàæåíèÿ ñòàíäàðòà ATSC äëÿ ÷àñòîò ðàçâ¸ðòêè 50/25Ãö ×èñëî ñòðîê 1080 720 576

288

×èñëî ïèêñåëåé Øèðèíà ×àñòîòà ðàçâ¸ðòêè â ñòðîêå ê âûñîòå ýêðàíà 1920 16:9 50I, 25P 1280 16:9 50P, 25P 720 50P,50I,25P 480 16:9 è 4:3 50I,25P 352 50I,25P 352 16:9 è 4:3 25P необязательно

1

2

3

4

сигнал синхронизации сегмента (ССС)

6

7

8

9

5

синхросегмент поля (ССП)

Рис.1. Схема ATSC-передатчика 1 — ðàíäîìèçàòîð 2 — êîäåð Ðèäà-Ñîëîìîíà (ÐÑ) 3 — ïåðåìåæèòåëü 4 — òðåëëèñíûé êîäåð 5 — ìóëüòèïëåêñîð 6 — âñòàâêà ïèëîò-ñèãíàëà 7 — ïðåäêîððåêòîð ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêè 8 — VSB-ìîäóëÿòîð 9 — ïðåîáðàçîâàòåëü ÷àñòîòû: Ï×-> íåñóùàÿ ÷àñòîòà

всегда правильно распознаёт форматы изображений: сегодня в США практически все вещатели передают HDTV-цифровые программы с числом строк 1080 и 720, но и у телезрителей, купивших STB, не возникает проблем при их просмотре. Изначальной ориентацией на HDTV продиктована и основная техническая задача цифрового ТВ: в наземном радиоканале с ограниченной полосой частот (6 МГц для США) должна быть передана HDTVпрограмма с заданной помехоустойчивостью. Для её решения ещё в 1993 г. в США был создан специальный консорциум по HDTV. Он получил название Grand Alliance и объединил в себе представителей промышленности и науки. В результате деятельности этой организации были сформулированы технические требования, которые и легли в основу стандарта ATSC. Следует отметить, что стандарт ATSC предусматривает и более высокоскоростную версию для кабельного телевидения. Однако сегодня в США кабельная индустрия не очень торопится внедрять цифровое ТВ, т.к. она и так обеспечивает достаточно высокое качество сигнала и занимает прочное место на рынке вещания в США. В то же время, качество HDTV-телевидения и наличие на рынке HDTV-телеви-

ТЕЛЕ-Спутник Сентябрь 1999

54

зоров, по-видимому, должны склонить к ATSC и кабельные компании. По сравнению с европейским стандартом DVB-T [9, 10], американский стандарт обладает большей энергетической эффективностью и обеспечивает выигрыш в мощности ТВ-сигнала не менее чем на 33.5 дБ [16, 17]. Этот показатель может быть использован для снижения мощности передатчика в 2-3 раза при той же зоне приёма, либо для увеличения этой зоны при фиксированной мощности передатчика. Последнее весьма актуально для России с её необъятными просторами. Безусловно, взвешенное и окончательное решение о принятии стандарта наземного цифрового ТВ в России должно основываться на комплексном подходе, учитывающем исторические, экономические и технические аспекты. Цель данной статьи — осветить основные технические положения стандарта ATSC, недостаточно отражённые в отечественной литературе.

Схема формирования сигнала стандарта ATSC На риc.1 приведена функциональная схема ATSC-передатчика. На вход поступает стандартный транспортный поток MPEG-2 [15], упакованный в сегменты по 188 байтов, со скоростью битового потока Rб (бит/с). На выходе схемы формируется и излучается антенной аналоговый сигнал в полосе 6 МГц, обеспечивая доставку HDTV-программы ТВ-приёмнику. Схема включает в себя алгоритмы канального кодирования, модуляции на промежуточной частоте (ПЧ), формирования сигналов синхронизации для приёмника и преобразования ПЧ на несущую частоту радиоканала. К алгоритмам канального кодирования (обработки данных) относятся алгоритмы рандомизации (скремблирования), кодирования кодом Рида-Соломона (РС), перемежения и треллисного (решётчатого) кодирования. Первые три алгоритма в основном преследуют те же цели, что и в стандарте DVB-T [9, 10]. В то же время они совместно с треллисным кодированием в полной мере учитывают особенность принципа передачи и модуляции в ATSC. По этой причине целесообразно вначале остановиться на этих вопросах.

Принцип передачи и приёма информации Физической основой принципа передачи информации в ATSC является теорема Найквиста (теорема Котельникова в отечественной литературе): сигнал с ограниченной полосой частот F можно продискретизировать с интервалом T=1/2F и далее полностью восстановить, подав этот импульсный сигнал на идеальный фильтр низких частот (ФНЧ) с частотой среза F (фильтр Найквиста). Для задачи передачи и приёма дискретной информации в ограниченной полосе частот на эту теорему можно взглянуть иначе: при подаче отсчётов сигнала с частотой следования Rc на идеальный ФНЧ с частотой среза F=Rc/2 (частота Найквиста) и формировании тем самым аналогового сигнала в полосе F, отсчёты в дальнейшем можно полностью восстановить путём дискретизации аналогового сигнала с интервалом T=1/Rc. Физически такая возможность объясняется просто: подавая импульс любой амплитуды на фильтр Найквиста, на выходе получаем импульсный отклик вида sin(t)/t, значение которого равно нулю в моменты взятия отсчётов (t=T, 2T, ...) за исключением момента t=0. На рис. 2 слева жирными кривыми приведены три таких отклика на импульсы с амплитудами +5, -3 и +7 в дискретные моменты времени t=0, T, 2T. (Для простоты изложения считается, что задержка фильтра Найквиста равна нулю. Фон между жирными кривыми и симметричными им относительно горизонтальной оси кривыми подразумевает заполнение ПЧ после балансной модуляции.) Общий сигнал на выходе фильтра Найквиста, полученный в результате воздействия серии подобных импульсов, в силу принципа линейной суперпозиции при Рис.2. Принцип передачи и приёма информации сигналами вида sin(t)/t в ограниченной полосе частот без межсимвольной интерференции (МСИ)

ТЕЛЕ-Спутник Сентябрь 1999

линейной фильтрации является суммой подобных откликов и приведён на рисунке справа. Хорошо видно: несмотря на то что сигналы вида sin(t)/t имеют длительность, значительно больше интервала следования импульсов T, приём информации путём дискретизации суммарного сигнала происходит без взаимного влияния сигналов или, как говорят, без межсимвольной интерференции (МСИ). Таким образом, для передачи цифровой информации рассмотренным методом в канале с ограниченной полосой частот, требуется каждому слову из m бит сопоставить символ одним из 2m возможных уровней. Величина 2m называется объёмом канального алфавита, и на рис. 2 его значение равно 8. Фильтр Найквиста следует рассматривать как линейную модель канала передачи, включающего в себя каскадное соединение формирующего сигнал в полосе F фильтра передатчика, физической среды распространения сигнала и фильтра на входе приёмника. Из изложенного может показаться, что, увеличивая число бит в символе, можно увеличить скорость передачи информации до любой заданной величины. Это безусловно не так для реального канала с шумом, который ограничивает максимально достижимую скорость передачи информации, но не точность её передачи по этому каналу. В этом суть знаменитой теоремы Шеннона. Изложенный метод передачи информации идеализирован ещё и тем, что идеальный ФНЧ — физически нереализуемое устройство. Кроме того, его импульсный отклик имеет очень медленную скорость убывания во времени (~1/t), что затрудняет его апроксимацию. К счастью, существует целый класс фильтров Найквиста, обладающих свойством нулевых отсчётов импульсного отклика в отсчётных точках (условие Найквиста) и в то же время обладающих большой скоростью убывания импульсного отклика. Эти фильтры имеют гладкую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и линейную фазовую характеристику. Платой за использование таких фильтров является уменьшение скорости передачи символов Rc в сравнении с максимально достижимой, равной 2F симв/с. В стандарте ATSC канал передачи информации представлен фильтром Найквиста со скруглением частотной характеристики в переходных областях по закону cos2(f). Для такого фильтра максимальная скорость передачи символов Rc=2F/(1+R) [6], а импульсный отклик убывает по закону 1/t[1-(Rt)2], где R — параметр скругления. Частота следования символов в ATSC жёстко фиксирована и вычисляется по формуле Rc=4.5*(684/286)=684*(15.734 Гц)=10.762 МГц, (1) где частота 15.734 Гц — горизонтальная частота развёртки в телевизорах стандарта NTSC [7]. При F=6 МГц R=0.1152. Отметим, что кратность величины Rc горизонтальной частоте развёртки упрощает реализацию адаптивного гребенчатого режекторного фильтра NTSCсигнала в ATSC-приёмниках [8, 16]. Итак, стандарт ATSC предполагает, что канал передачи информации — есть фильтр Найквиста с линейной фазовой характеристикой. В то же время частотная характеристика (ЧХ) физической среды распространения сигнала меняется со временем. Это означает, что при приёме сигнала, во-первых, необходимо адаптивно отслеживать это изменение и, во-вторых, компенсировать его так, чтобы по-прежнему в канале отсутствовала МСИ. Устройство, выполняющее эту функцию, называется адаптивным эквалайзером (в отечественной литературе — гармонический корректор) и обычно работает по так называемому алгоритму с обратной связью по решению [2, 8]. Вообще на эквалайзер в ATSC возлагается борьба с любыми линейными искажениями канала и, в частности, c многолучевыми помехами, характерными для ДМВ-диапазона. В этом отношении эффективность его работы должна сравниваться с эффективностью введения защитного интервала и испытательных пилот-сигналов (1/12 общего числа несущих и 2 дБ мощности сигнала) в DVB-T [9, 10]. Эквалайзер в ATSC — обязательное и наиболее ответственное звено приёмника. От алгоритма его работы во многом зависит помехоустойчивость приёма изображения и звука. Эффект работы эквалайзера приведён на рис. 3, где слева — осциллограмма сегмента зашумлённого 8-уровневого сигнала до эквалайзера, справа — после эквалайзера [11]. Отметим, что в передатчике также возможна предкоррекция ЧХ канала (рис. 1). Такая необходимость может возникнуть, например, в мощных передатчиках для компенсации влияния температуры на ЧХ. Изложенный принцип передачи информации предполагает балансную модуляцию ПЧ и передачу информации в полосе 2F радиоканала. В то же время, хорошо известна однополосная амплитудная модуляция. Таким образом, сочетание найквистовской фильтрации с однополосной

55

Рис.3. Эффект работы эквалайзера на сегменте данных (слева — до эквалайзера и справа — после эквалайзера)

модуляцией позволяет передать цифровую информацию в полосе F.

Модуляция В стандарте ATSC применён запатентованный фирмой Zenith [7] метод многоуровневой модуляции с частично подавленной боковой полосой частот (VSB, Vestigal Side-Band). Для цифрового наземного ТВ используется 8-уровневая модуляция с треллисным кодированием, и по этой причине режим называется 8-VSB, для кабельного цифрового ТВ — режим 16-VSB без треллисного кодирования. Полезно вспомнить, что VSB-модуляция используется во всех системах аналогового телевидения (NTSC, PAL, SECAM). Применительно к системе NTSC (и почти так же в PAL) она реализуется следующим образом. Два цветоразностных сигнала осуществляют квадратурную амплитудную модуляцию поднесущей 3.58 МГц. Этот сигнал складыва-

без дополнительной полосовой фильтрации. Более того, традиционным стал метод с двумя ПЧ: сначала VSB-сигнал полностью формируется цифровым методом на низкой цифровой ПЧ, подаётся на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и уже затем аналоговым способом переносится на стандартную ПЧ. Такой метод позволяет в полной мере использовать точность цифровой обработки для квадратурно-фазовой компенсации БП. Так, к примеру, фирма Itelco использует в качестве первой цифровой ПЧ частоту, равную Rc/2=5.38 МГц [12]. АЧХ радиоканала канала передачи стандарта АTSC приведена на риc. 4, а АЧХ формирующего сигнал фильтра передатчика и согласованного с ним фильтра приёмника — на рис. 5. Скругление АЧХ этих фильтров в переходных областях производится по закону cos(f). Несущая частота (пилот-сигнал) расположена в левой переходной области АЧХ на расстоянии d=0.31 МГц от левой граничной частоты и, в отличие от стандарта NTSC, оказывается частично подавленной. Полная ширина полосы частот канала равна 6 МГц, переходные области слева и справа равны 2d=0.62 МГц, найквистовская полоса частот по уровню 3 дБ равна Rc/2=5.38 МГц, а центральная частота спектра отстоит от ПЧ на величину Rc/4=2.69 МГц. Слева от ПЧ расположена частично-подавленная боковая полоса. В качестве примера на рис. 6 приведена фотография спектра реального VSB-сигнала [13], на которой маркер наведён на пилот-сигнал (частота 41.1 МГц). При этом центральная частота спектра (43.8 МГц) c точностью до 0.1 МГц, отстоит от ПЧ на величину Rc/4. Следует обратить внимание на плоский спектр сигнала в основной полосе частот, что обеспечено рандомизацией данных.

Рис.4. АЧХ канала передачи

ется с яркостным сигналом, полоса частот которого равна 6 МГц, производится вставка различных синхроимпульсов, и уже этим суммарным сигналом осуществляется амплитудная модуляция ПЧ. В результате имеем две симметричные относительно ПЧ боковые полосы (БП) частот. Далее полосовой фильтрацией осуществляется частичное подавление одной БП так, чтобы несущая частота отстояла от левой граничной частоты спектра на расстоянии 1.25 МГц и была неподавленной. При приёме такого VSB-сигнала неподавленная несущая используется для фазовой и частотной синхронизации местного гетеродина с целью восстановления исходного суммарного сигнала. В ATSC на модулятор поступают 8-уровневые цифровые символы с частотой 10.76 МГц. При этом процесс модуляции можно представлять себе следующим образом. Сигнал с выхода фильтра Найквиста переносится на ПЧ, в результате чего формируется двухполосный сигнал шириной 12 МГц. Далее полосовой фильтрацией реализуется частичное подавление одной БП. Таким образом, налицо некое сходство между откликом фильтра Найквиста и суммарным модулирующим сигналом в аналоговых системах ТВ. Следует подчеркнуть, однако, что приведённое рассуждение является лишь иллюстрацией принципа формирования сигнала. Практическая реализация формирования VSB-сигнала может быть существенно иной. Как правило [2, 12, 13, 14], применяют квадратурно-фазовый метод, использующий комплексную обработку сигнала. В этом методе при переносе спектра сразу формируется VSB-сигнал в полосе 6 МГц

подавленная несущая пилот-сигнала

Рис.5. АЧХ формирующего VSB-сигнал фильтра передатчика и согласованного с ним фильтра приёмника

Рис.6. Cпектр VSB-сигнала

Хорошо известно, что переход от двухполосной к однополосной модуляции сопровождается резким увеличивает пик-фактора (отношения пиковой мощности сигнала к средней). Тем не менее пик-фактор VSB-сигнала (6.2 дБ) оказывается примерно на 2-2.5 дБ ниже, чем у COFDM (Coded Ortogonal Frequency Dividion Multiplex)-сигнала стандарта DVB-T [2, 11, 16, 17] . Таким образом, c учётом выигрыша в 3-3.5 дБ по средней мощности, в целом энергетическая эффективность передатчика ATSC на 6 дБ (в 4 раза) превосходит DVB-T. Перейдём теперь к рассмотрению обработки данных.

Организация данных при передаче информации Как известно, транспортный поток MPEG-2 [15, 10] состоит из сегментов по 188 байтов каждый, причём первым байтом в сегменте является синхробайт, равный 47Н. При канальном кодировании этот байт удаляется, и обрабатываются лишь сегменты "чистых" данных из 187 байтов. Кроме того, вводится дополнительный уровень организации данных — кадр, состоящий из двух полей (рис. 7). Каждое поле включает в себя 312 информационных сегментов данных. На этапе формирования многоуровневых символов в начало каждого сегмента производится вставка синхросигнала сегмента (ССС), а в начало каждого поля — синхросигнала поля (ССП). ТЕЛЕ-Спутник Сентябрь 1999

56

ñèíõðîñåãìåíò ïîëÿ (ÑÑÏ)1

ñ è ã í à ë ñ ñåãìåíò è í õ ð î í è ç à ö è è

ñèíõðîñåãìåíò ïîëÿ (ÑÑÏ)2

Рис. 9. Кодер Рида-Соломона

ñ å ñåãìåíò ã ì å í ò à (ССС)

пользуется код с параметрами k=187, N=207, t=10 (в DVB k=188, N=204, t=8). Кодер РС реализуется на основе регистра сдвига с 2t байтовыми элементами памяти и обратными связями (рис. 9). Процесс кодирования сводится к операциям сложения и умножения по модулю 256. Код РС в ATSC обеспечивает выигрыш 0.5 дБ в сравнении с аналогичным кодом стандарта DVB-T [16].

Рис.7. Структура кадра Data — äàííûå FEC — ïðîâåðî÷íûå áàéòû êîäà Ðèäà-Ñîëîìîíà (ÐÑ)

Рандомизация Рандомизация — это алгоритм принудительного введения “случайности” или шумоподобности в передаваемые данные. Реализуются рандомизаторы на основе генератора псевдослучайной последовательности (ПСП). В ATSC используется рандомизатор, который представляет Çàäàþùèé ïîëèíîì ãåíåðàòîðà ÏÑÏ G(16)=x16+x13+x12+x11+x7+x6+x3+x+1 Èíèöèàëèçàöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñèíõðîñåãìåíòîì ïîëÿ Èíèöèàëèçàöèÿ çàãðóçêîé F180 x16x15x14x13x9x8

Ðåãèñòð ñäâèãà ñèíõðîíèçèðóåòñÿ ÷àñòîòîé ñëåäîâàíèÿ áàéòîâ

Рис.8. Рандомизатор

собой регистр сдвига с 16-ю одноразрядовыми элементами памяти и 9-ю обратными связями (рис. 8). Тактовой частотой рандомизатора является частота поступления байтов. При поступлении очередного байта данных производится сложение по модулю 2 битов этого байта с битами D0..D7 рандомизатора и сдвиг данных в регистре сдвига. Байт, полученный в результате сложения по модулю 2, используется для дальнейшей обработки в канальном кодере. Инициализация рандомизатора осуществляется первым байтом синхросегмента поля. При этом в регистр сдвига записывается число F180. Отметим, что рандомизация преследует несколько целей: во-первых, формирование равномерного спектра излучаемого сигнала (в этой связи рандомизацию часто называют алгоритмом рассеяния мощности); во-вторых, исключение постоянной составляющей в сигнале для последующего формирования пилот-сигнала; в-третьих, для упрощения выделения ССС и ССП.

Код Рида-Соломона Код Рида-Соломона (РС) — это очень эффективный и удобный в реализации (k, N)-блочный код, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки в байтах. Входным словом для него является блок из k байтов, выходным — кодовое слово из N байтов, состоящее из k исходных и N-k проверочных байтов. При этом гарантировано, что при декодировании в кодовом слове будут обнаружены и исправлены t=(N-k)/2 байтов независимо от их расположения внутри кодового слова. Параметр t носит название корректирующей способности кода. В ATSC исТЕЛЕ-Спутник Сентябрь 1999

Перемежение Перемежение данных производится с целью борьбы с возможными мощными импульсными, как правило, индустриальными помехами. В результате действия таких помех при приёме возможны серии из последовательно друг за другом ошибочно принятых байтов (пакеты ошибок). Максимально допустимая длительность импульсной помехи для РС легко оценить по формуле [8] T РС =t*(1/R с)*(2n)=10*(1/ 10.762)*(2*2)=3.71 мкс, где n — число информационных бит, приходящихся на символ (для режима 8-VSB n=2). При большей длительности число ошибочных байтов внутри сегмента превышает корректирующую способность кода РС, и сегмент будет принят с ошибками. Для исключения таких ситуаций и вводится перемежение (перестановка) данных внутри так называемого интерсегмента, состоящего из B сегментов. В результате, при деперемежении пакеты ошибок "размазываются" по интерсегменту и тем самым максимальная длительность допустимого пакета ошибок для декодера РС увеличивается в B раз. В ATSC интерсегмент состоит из B=312/6=52 (в DVB из 12) сегментов, и по этой причине говорят, что глубина перемежения равна 1/6 длительности поля (около 4 мс). С целью экономии памяти перемежитель (и деперемежитель) реализуется по так называемой свёрточной схеме (рис. 10). При этом объём требуемой памяти равен [(B-1) * (L/2)] + 1 =51*104+1= 5305 байт [8]. Принцип работы схемы аналогичен схеме перемежителя стандартов DVB [9, 10]. После перемежения внутри каждого сегмента соседними оказываются байты, находящиеся на расстоянии 52 байтов в исходном интерсегменте. Таким образом, в ATSC комбинация алгоритмов РС и перемежения допускает длительность пакета ошибок B* TРС =52*3.71мкс=193 мкс [2, 8]. Перемежитель синхронизируется первым байтом синхросегмента поля.

Треллисное кодирование Треллисное кодирование основано на свёрточном кодировании и сводится к тому, что n битам свёрточным кодом со скоростью кода n/m ставится в соответствие один из 2m сигналов. Устройство, выполняющее это соответствие, в зарубежной литературе называется mapper. При многоуровневой модуляции переход от ансамбля сигналов с объемом канального алфавита 2n к 2m не требует увеличения полосы частот. В то же время свёрточным кодом с числом состояний q можно сформировать последовательности сигналов с достаточно большими евклидовыми расстояниями между ними. Принимая такие треллис-кодированные последовательности сигналов на основе критерия максимального правдоподобия по алгоритму Витерби, в целом можно получить энергетический выигрыш в сравнении с приёмом некодированных сигналов с объёмом канального алфавита 2n. Унгербоиком были найдены оптимальные коды на основе критерия максимума минимального евклидового расстояния между треллис-кодированными последовательностями сигналов [6, 8]. Такой критерий обеспечивает максимальную помехоустойчивость приёма в гауссовском канале. Элементарный треллисный кодер с оптимальным кодом Унгербоика c q=4 состояниями, используемый в ATSC, приведён на рис. 11. Он

57

Îò êîäåðà Ðèäà-Ñîëîìîíà (ÐÑ)

Ê ïðåäêîäåðó è òðåëëèñíîìó êîäåðó

Рис.10. Перемежитель

вычисляет по n=2 информационным битам X1 и X2 m=3 кодовых бита Z0, Z1, Z2, по которым mapper ставит в соответствие один из 8 уровней (7, 5, 3, 1, -1, -3, -5, -7). Свёрточному кодированию с кодовой скоростью 1/2 подвергается лишь младший бит X1. Cтарший бит X2 поступает на предкодер, который изменяет X2 на Y2. Эта операция к треллисному кодированию отношения не имеет и служит для предкоррекции, необходимой для устранения влияния на многоуровневый сигнал адаптивного гребенчатого режекторного фильтра в приёмнике. Такой фильтр предусмотрен стандартом для режекции несущей, цветовой и звуковой поднесущих сигнала NTSC. Поэтому можно считать, что на mapper бит X2 поступает не кодированный, а изменённый по известному для приёмника закону, который учитывает это при окончательном решении о бите X2. Как видно из таблицы соответствия mapper-а, при декодировании информация о знаке многоуровневого сигнала однозначно даёт решение о разряде Y2 (а значит, и X2): если знак отрицательный, то Y2=0; если положительный, то Y2=1. Решение о младшем разряде X1 выносится по алгоритму Витерби с мягкими решениями. Энергетический выигрыш от применения рассмотренного треллисного кода в гауссовском канале значителен и составляет 3.3 дБ [8]. Следует отметить, что в блоке треллисного кодера на рис. 1 предполагается также и перемежение данных подобно комбинации кодер РС-перемежитель для уменьшения влияния импульсных помех на декодер. Однако реализация этой комбинации иная: блок состоит из 12 параллельных элементарных кодеров (рис. 11), каждый из которых работает с уменьшенной в 12 раз входной частотой поступления данных. В результате каждый кодер обрабатывает биты, отстоящие друг от друга на 12 бит до такого перемежения. Такой метод реализации адаптирован к упомянутой выше режекции сигналов аналогового ТВ [8]. Уместно отметить, что свёрточный код, используемый в стандартах Ïðåäêîäåð ðåæåêöèè â ïðèåìíèêå

Òðåëëèñíûé êîäåð

8-óðîâíåâûé mapper ñèìâîë

ло каждого поля производится вставка ССП (рис. 13), элементы которого также представлены двумя уровнями: +5 и -5. В структуру ССП входит одна “большая” ПСП с 511 элементами и 3 одинаковых “маленьких” ПСП с 63 элементами. Эти ПСП помимо своего прямого предназначения кадровой синхронизации в приёмнике стандартом предусмотрены и в качестве обучающих сигналов для настройки эквалайзера приёмника. Для примера на рис. 14 приведены осциллограммы поля, иллюстрирующие эффект синхронизации с обучением эквалайзера по ССП [11]. Дополнительно в ССП около 100 резервных символов выделены для передачи сервисной информации и несколько — для сигнализации о режиме передачи (8-VSB или 16-VSB). Последние 12 символов ССП дублируют последние 12 символов предыдущего сегмента данных. Идентификация первого и второго полей кадра осуществляется по знаку средней из 3 “маленьких” ПСП. Обнаружение обоих синхросигналов в приёмнике производится корреляционным методом и оказывается надёжным даже при отношении сигнал/шум 0 дБ [8]. Формирование пилот-сигнала обеспечивается цифровым методом. Благодаря рандомизации данных уровни в сформированном сигнале равновероятны, поэтому средний уровень двухполярного сигнала равен нулю. Поэтому небольшая постоянная составляющая в многоуровневом сигнале обеспечивает формирование маломощного пилот-сигнала. Для этого в режиме 8-VSB к каждому элементу сигнала (включая синхросигналы) добавляется уровень +1.25, что увеличивает мощность передатчика лишь на 0.3 дБ, а уровень пилот-сигнала оказывается ниже средней мощности на 11.3 дБ.

Скорость передачи информации В стандарте ATSC скорость передачи символов фиксирована и вычисляется по формуле (1). Параметры канального кодирования таксинхросигнал сегмента (ССС)

Уровни до вставки пилотсигнала

синхросигнал сегмента (ССС)

Данные +проверочные байты кода Рида-Соломона (РС)

символы

символы Сегмент данных

Рис.12. 8-уровневый сегмент данных

же не допускают изменений. Поэтому скорость цифрового потока на входе передатчика должна быть зафиксирована, а величина её вычисляться по формуле: Rб=nRc(188/187)(187/207)(828/832)(312/313),

(2)

где n — число информационных бит на один символ; коэффициент Дублирование

Çàäåðæêà íà 12 ПСП 511

Рис.11. Элементарный треллисный кодер и mapper

DVB для QAM-модуляции, не является оптимальным для гауссовского канала [10] и проигрывает 1 дБ треллисному коду стандарта ATSC [16, 17]. Таким образом, схема канального кодирования (РС+треллисный код) обеспечивает выигрыш в 1.5 дБ в сравнении с аналогичной схемой стандарта DVB-T.

Уровни до вставки пилотсигнала

Резерв

синхросигнал сегмента (ССС)

Для режима 8-VSB последние 12 символов предыдущего сегмента дублируются последними резервными символами синхросегмента поля (ССП)

Рис.13. Двухуровневый (+5,-5) синхросегмент поля (ССП)

Вставка синхросигналов и пилот-сигнала Окончательное формирование сигнала для модулятора происходит в мультиплексоре путём вставки синхросигналов и добавления пилот-сигнала (рис. 1). На место стандартных для MPEG-2 cинхробайтов сегментов (равных 47Н) вставляются 4 элемента (+5, -5, -5, +5) ССС (рис. 12). В нача-

PN511 — ÏÑÏ 511 PN63 — ÏÑÏ 63 VSB Mode — ðåæèì VSB

188/187 учитывает удаление синхробайта 47H из транспортного потока MPEG-2; коэффициент 187/207 учитывает избыточность, вносимую кодом РС; коэффициент 828/832 учитывает вставку 4 символов ССС в начало каждого сегмента; коэффициент 312/312 учитывает вставку ССП в начало каждого поля. ТЕЛЕ-Спутник Сентябрь 1999

58

Для режима 8-VSB n=2 и Rб=19.39 Мбит/с. Этой скорости достаточно для передачи одной HDTV-программы с MPEG-2-компрессией 4:2:0 главного профиля (MP, main profile) и высокого уровня (HL, high level) и коэффициентом компрессии около 50 [3]. Уместно напомнить, что для SDTV-качества используется MPEG-2-компрессия 4:2:0 MP/ML (main level), для которой скорость варьируется в пределах от 6 до 9 Мбит/с [10]. Поэтому в одном радиоканале с полосой частот 6 МГц стандарт ATSC позволяет передать от 2 до 3 SDTV-программ.

Помехоустойчивость В стандарте ATSC для критерия качества видеоизображения вводится понятие “порога видимости” (ПВ) отношения сигнал/шум С/Ш=Eб/N0+10log(Rб/F) дБ, где Eб — энергия на бит, а N0 — спектраль-

Рис.14. Эффект синхронизации с обучением эквалайзера по синхросигналам полей (ССП): слева — без обучения, справа — с обучением (см. два файла — слева — до эквалайзера и справа — после эквалайзера)

ная плотность мощности шума. Этот порог соответствует вероятности ошибки сегмента 1.93*10-4 после декодера РС, что эквивалентно вероятности ошибки 2.5 сегментов/с или 3*10-6 на бит в гауссовском канале (при этом вероятность ошибки символа после треллис-декодера равна 0.2, а байта-1.4*10-2[16]). На рис. 15 приведена теоретическая зависимость вероятности ошибки сегмента от С/Ш, откуда видно, что для режима 8-VSB значение ПВ равно 14.9 дБ (Eб/N0 =10.6 дБ). Это примерно на 20 дБ ниже ПВ аналогового ТВ [8]. Отметим, что неоднократные экспериментальные измерения ПВ реальных ATSC-приёмников дают очень близкие к теоретическому результату величины, равные 15-15.1 дБ [11, 16, 17]. В стандарте DVB-T пороговые величины отношения С/Ш соответствуют иному критерию помехоустойчивости — вероятности ошибки на бит в выходном потоке MPEG-2, равной 10-11. Для HDTV-версии DVB-T теоретическое пороговое отношение С/Ш равно 16.5 дБ (Eб/N0 =11.9 дБ), в то время как экспериментальные данные находятся в пределах 19.1-19.3 дБ [11, 16, 17]. Отметим, что основной причиной значительного отклонения реальных величин C/Ш от теоретических является фазовый шум. В соответствии с европейским критерием помехоустойчивости пороговое отношение C/Ш для ATSC-приёмника равно ПВ+0.8 дБ [16, 17]. Таким образом, на основании имеющихся сегодня экспериментальных данных стандарт ATSC позволяет снизить среднюю мощность передатчика не менее чем на 3-3.5 дБ.

Âåðîÿòíîñòü îøèáêè

Çàâèñèìîñòü âåðîÿòíîñòè îøèáêè îò îòíîøåíèÿ ñèãíàë/øóì äëÿ ðåæèìîâ 8-VSB (ñ òðåëëèñ-êîäèðîâàíèåì) è 16-VSB

Ñèãíàë/øóì (Ñ/Ø) íà âõîäå ïðè¸ìíèêà, äÁ

Рис.15. Вероятность ошибки приёма сегмента

ТЕЛЕ-Спутник Сентябрь 1999

Высокоскоростной режим 16-VSB Из формулы (2) следует, что при фиксированной скорости Rс увеличение Rб возможно за счет увеличения n. Это требование эквивалентно переходу к большему объёму канального алфавита и увеличению ПВ. Cтандартом ATSC предусмотрен высокоскоростной режим 16-VSB без треллисного кодирования для кабельного телевидения. В таком канале уровень шума значительно ниже, чем в радиоканале наземного вещания. Поэтому ПВ, равный 28.3 дБ (рис. 15), обеспечивается просто. В этом режиме n=4 и в полосе 6 МГц реализуется передача двух HDTV программ (Rб=38.78 Мбит/с). При этом треллисный кодер вырождается в mapper, который сопоставляет очередным n=m=4 информационным битам один из 16 уровней цифрового сигнала (15, 13, 11, 9, 7, 5, 3, 1, -1, -3, -5, -7, -9, -11, -13, -15). Другие небольшие отличия этого режима от режима 8-VSB в следующем: интерсегмент состоит из B=26 сегментов, а глубина перемежения равна 1/12 поля (2 мс); ССП и ССС формируются уровнями +9 и -9; уровень пилот-сигнала +2.5. В остальном режимы идентичны и что самое важное — идентичны модуляторы. Информация о режиме передачи (8 -VSB или 16-VSB) передаётся специальными символами в ССП. В обоих режимах эти сигналы двухуровневые и легко детектируются приёмниками. Таким образом, стандартом ATSC предусмотрено весьма элегантное решение перехода к HDTV в кабельном ТВ.

Заключение Итак, основные технические принципы стандарта ATSC на основе одночастотной модуляции 8-VSB существенно отличаются от европейского стандарта DVB-T с многочастотной модуляцией. В целом по энергетической эффективности (с учётом пик-фактора) для гауссовского канала стандарт ATSC на 6 дБ (в 4 раза) превосходит DVB-T. Этот показатель очень существенный и обеспечивает запас для надёжного приёма как цифровых, так и аналоговых ТВ программ. Несмотря на то что стандарт ATSC разработан под полосу частот 6 МГц, он легко модифицируется для полосы 7 и 8 МГц без изменения алгоритмов канального кодирования. Такая модификация позволяет увеличить скорость передачи информации до 22-26 Мбит/с (3-4 SDTVпрограммы) без увеличения мощности передатчика. В этой связи следует всесторонне изучить возможности стандарта ATSC для российских условий и обратить внимание на опыт адаптации стандарта Канадой [16], где частотное планирование ведётся на основе, близкой к европейской райсовской модели многолучевого сигнала.

Литература и Internet-источники 1. ATSC Document A/53. ATSC Digital Television Standart. 2. ATSC Document A/54.Guide to the Use of the ATSC Digital Television Standard. 3. ATSC Document A/52 Digital Audio Compression (AC-3) Standard. 4. ATSC Document A/63, Standart for Coding 25/50 Hz Video. 5. www.atsc.org 6. Lerry C.Whitaker. DTV: The Revolution in Digital Video, Second Edition, 1999. 7. www.zenith.com 8. “ATSC/VSB Tutorial — Receiver Technology”. Compiled by Wayne E. Bretl Zenith Electronics Corp (статью можно получить на www.zenith.com). 9. www.dvb.org 10. Севальнев Л.А. Эфирное вещание цифровых ТВ-программ со сжатием данных. // Теле-Спутник, 1998, № 10, с. 56-64. 11. www.commslab.gov.au -австралийская исследовательская лаборатория 12. www.itelco.it 13. www.ktech.com 14. www.broadcast.harris.com 15. MPEG-2. Стандарты ISO/IC 13818. Coding of moving pictures and associated audio. 16. Dr. Yiyan Wu. “Performance Comparison of ATSC 8-VSB and DVB-T COFDM Transmission Systems for Digital Television Terrestrial Broadcasting.” Communications Research Centre Canada (статью можно получить на www.atsc.org). 17. ITU-R 11A/65-E Special Rapporteur’s Group-”Guide for the use of digital television terrestrial broadcasting systems based on performance comparision of ATSC 8-VSB and DVB-T COFDM transmission systems”, ITU-R Doc.11A/65-E, 11 May 1999 (документ можно получить на www.atsc.org).