МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ № 11 по МДК 02.03 для специальности 11.02.09


МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СВЯЗИ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Ставропольский колледж связи имени Героя Советского Союза В.А. Петрова»
Утверждаю
Заместитель директора по учебной работе
________________ Г.А. Белоусова
«___» _____________2015 г.
Цикловая комиссия Многоканальные системы передачи
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ № 11
по профессиональному модулю – МДК 02.03
Технология монтажа и обслуживания сетей доступа
(полное наименование учебной дисциплины или проф. модуля с кодом по учебному плану)
Тема: DVB-T2 — цифровое телевидение второго поколения
СогласованоРазработчик: преподаватель Варфоломеев Д.В.
МетодистОбсуждено на заседании цикловой комиссии
________________ И. В. ЧеркасоваМногоканальных систем передачи
«___»_____________ 2015 г. Протокол №___ «___»_____________2015 г.
Председатель цикловой комиссии
______________/О.А. Гавриленко
Ставрополь, 2015
Тема: DVB-T2 — цифровое телевидение второго поколения
1. Вводная часть
1.1 Учебная цель – Изучить DVB-T2 — цифровое телевидение второго поколения.
1.2 Связь с другими дисциплинами:
– теория электросвязи;
– основы телекоммуникаций.
1.3 Перечень вопросов, используемых для подготовки к занятию:
Что такое IPTV?
Что входит в состав архитектуры комплекса IPTV?
Для чего необходима масштабируемость и гибкость сети?
Какие основные функциональные блоки IPTV-архитектуры вы знаете?
Какие дополнительные сервисы может включать IPTV?
Какие преимущества IPTV перед аналоговым кабельным ТВ?
Где мы можем применить технологию IPTV?
Какие вам известны протоколы IPTV?
1.4 Перечень литературы для подготовки к занятию:
Бакланов И.Г. NGN. Принципы построения и организации. – М: Эко-Трендз, 2008. – 400 с.
2. Основная часть
2.1 Краткое изложение основных положений:
В 2008 - 2009 годах консорциум DVB выпустил новую спецификацию наземного эфирного цифрового телевидения, которая называется DVB-T2 и позволяет получить больший полезный битрейт в полосе телевизионных частот в среднем на 30—60% по сравнению с DVB-T. Какой именно выигрыш можно получить, зависит от применяемых режимов модуляции и построения сети. Максимальным такой выигрыш будет в одночастотных сетях.
Спецификация DVB-T2 содержится в "голубых книгах" (blue book) консорциума DVB и свободно доступна на сайте консорциума.
На настоящий момент выпущено три "голубые книги":
А122 — модуляция и канальное кодирование;
А133 — руководство по использованию;
А136 — новый интерфейс модулятора DVB-T2.
Основные отличия DVB-T2 от DVB-T следующие. Для инкапсуляции информации может использоваться не только транспортный поток MPEG2, но и транспортный поток общего назначения (generic transport stream). В транспортном потоке общего назначения используется переменный размер пакета, а не фиксированный, как в MPEG2. Это позволяет снизить объем передаваемых служебных данных и сделать адаптацию транспорта к сети более гибкой. Кроме транспортных потоков могут также передаваться любые битовые потоки. Таким образом, по сравнению с DVB-T, привязки к какой-либо структуре данных на уровне транспорта более не существует.
Введено распределение несущих COFDM между логическими потоками информации, так называемыми physical layer pipes (PLP). В DVB-T вся полоса использовалась для передачи одного транспортного потока. В DVB-T2 возможна одновременная передача нескольких транспортных потоков, каждый из которых помещается в свою PLP (рис. 1).
Возможны два режима работы "Режим А" — с передачей одной PLP и "Режим В" — с передачей нескольких.

Рис. 1 Пример использования трех PLP
Использование такого механизма может, в частности, позволить уменьшить энергопотребление абонентского устройства, поскольку устройство может выключаться в тот момент, когда передаются PLP, не нужные абоненту. Похожий механизм энергосбережения использовался в DVB-H (отключение абонентского устройства между "вспышками"). Для одночастотных сетей введен режим MISO (Multiple Input Single Output — "много входов, один выход"), который позволяет достичь до 70% выигрыша в возможном битрейте. Опыт эксплуатации одночастотных сетей показал, что даже при сложении синхронизированных сигналов, результирующий спектр COFDM претерпевает искажения (в форме "провалов" огибающей несущих COFDM). В результате, для компенсации этих "провалов", т. е. сохранения требуемого отношения сигнал/шум, необходима более высокая мощность передатчиков. Режим MISO позволяет избежать этой неприятности. Основная идея здесь состоит в том, что передатчики в одночастотной сети в режиме MISO излучают не в точности один и тот же сигнал. В результате, при сложении сигналов с разных передатчиков, "провалов" огибающей не возникает и умощнения передатчиков не требуется.
Введены изменения в систему пилот-сигналов, т. е. специально выделенных несущих в спектре COFDM, предназначенных для определения параметров канала передачи. В DVB-T использовалась одна и та же схема размещения несущих в спектре для всех видов модуляции. В DVB-T2 определено 8 различных способов размещения: PP1...8 (PP от "pilot pattern"). Выбор оптимального способа позволяет уменьшить количество передаваемой служебной информации на 1—2%.
В канальном кодировании в DVB-T использовались сверточные коды совместно с кодами Рида-Соломона. В DVB-T2 предлагается использование более эффективных (и более сложных) кодов LDPC вместо сверточных кодов и кодов ВСН вместо кодов Рида-Соломона. Эффективность этих кодов была известна давно, но ранее не удавалось создать дешевую реализацию на базе микроэлектроники. При использовании LDPC+BCH удается достичь выигрыша в несколько децибел в отношении сигнал/шум для достижения BER = 10–4.
Введен режим модуляции 256QAM, т. е. передача 8 бит на несущей. Это позволяет увеличить емкость канала на треть. Казалось бы, такой режим потребует гораздо более жестких требований на отношение сигнал/шум. Однако помехоустойчивость LDPC-кодов настолько высока, что они справляются с компенсацией ошибок, возникающих при использовании режима 256QAM без увеличения отношения сигнал/шум. Еще одно любопытное нововведение — вращающиеся созвездия (rotated constellation). После того как сигнал COFDM сформирован, производится "вращение" созвездия в комплексной плоскости (рис. 2). Чтобы продемонстрировать принцип, изобразим упрощенно эту схему только для 4 точек комплексной плоскости созвездия (т. е. режима QPSK).

Рис. 2 Вращающееся созвездие
На левом рисунке изображено созвездие QPSK и показаны проекции векторов на оси. На правом рисунке это созвездие повернуто против часовой стрелки и также показаны проекции векторов на оси. Видно, что в результате поворота каждый вектор стал кодироваться уникальной комбинацией проекций, в то время как на левом рисунке значения проекций для пар векторов совпадали.
Допустим, при передаче возникла помеха, и информация о компоненте Im была утеряна и осталась только информация о компоненте Re (т. е. осталась только проекция на ось X). По этой проекции невозможно будет восстановить, в какой полуплоскости — верхней или нижней — находится вектор. На правом же рисунке каждому вектору соответствует уникальное значение по оси Х и восстановить утерянную информацию возможно. Кроме того, при использовании интерливинга, компоненты Im и Re передаются раздельно, т. е. их одновременная потеря менее вероятна. Использование вращающихся созвездий может дать выигрыш в несколько децибел в отношении сигнал/шум. Введены режимы FFT с количеством несущих 16k и 32k в дополнение к имеющимся в DVB-T 2k, 4k, 8k и новые значения защитных интервалов, что позволяет увеличить емкость канала связи. Поскольку количество несущих возрастает в той же самой полосе частот, то возрастает вероятность межсимвольной интерференции. Для того чтобы эта вероятность не была слишком большой, необходимо соответственно увеличить длительность символа модуляции. Казалось бы, это не позволит увеличить скорость передачи данных: мы увеличиваем количество несущих, но и одновременно увеличиваем время их передачи. Однако требования на абсолютную длительность защитного интервала при этом не меняются, т. к. время прихода отраженного сигнала от длительности символа никак не зависит. Поэтому для использования с режимами 16k и 32k в DVB-T2 предусмотрены старые значения защитных интервалов и несколько новых, которые существенно не меняют продолжительность защитного интервала: 1/128, 19/128, 19/256 (табл. 1).
Таблица 1
Максимальные расстояния между станциями в одночастотной сети DVB-T2 для разных значений FFT и защитного интервала

Защитный интервал 1/128 в режиме 32k будет иметь такую же абсолютную длительность (t = 28 мксек), как 1/32 в режиме 8k, а значит, обеспечивать точно такую же защиту от отраженных сигналов. Использование новых защитных интервалов вместе с новыми значениями FFT позволяет получить выигрыш от 2 до 17% в емкости канала. Введен "расширенный" режим для количества несущих 8k, 16k и 32k. Он заключается в том, что в случае, когда нет строгих требований по совместимости со станциями в соседнем канале, возможно добавить дополнительные несущие "с боков" спектра COFDM. При большем количестве несущих спектр имеет более крутой спад на краях и добавление несущих не приводит к выходу за пределы допустимой маски формы спектра. Добавление дополнительных несущих позволяет выиграть 1—2% емкости канала (битрейта).
Вводятся также изменения в схему интерливинга. Практическое использование DVB-T показало недостаточно хорошую устойчивость к импульсным помехам. В частности, в городской среде, использование режима 64QAM с малыми значениями FEC может оказаться более эффективным, чем использование 16QAM с большими значениями FEC. Для противодействия импульсным помехам в DVB-T2 дополнительно вводится интерливинг по времени — т. е. различные компоненты информации "перемешиваются" во временной шкале в масштабе около 70 мсек. Таким образом, информация, потерянная в один период времени, может быть восстановлена с использованием информации, передаваемой в другой период времени. Схему интерливинга в DVB-T2 мы рассмотрим чуть подробнее далее.
Для уменьшения отношения пиковой мощности к средней (PAPR) предлагается использовать два способа:
Active Constellation Extension (ACE);
Tone Reservation (TR).
Чем меньше значение PAPR, тем выше КПД передатчика по мощности. Оба способа могут использоваться одновременно, однако первый из них предпочтительнее для созвездий с меньшим количеством векторов (QPSK), второй — с большим (QAM). Использование каждого способа обладает и своими недостатками, например использование АСЕ приведет к снижению отношения сигнал/шум на входе приемного устройства, а использование TR приведет к небольшому уменьшению емкости канала, поскольку предполагает использование части несущих для передачи специальных корректирующих сигналов.
Структура DVB-T2 на физическом уровне показана на рис. 3. Для того чтобы зарезервировать место для информации, которая может появиться в будущем и передаваться в COFDM, в DVB-T2 наравне с фреймами собственно DVB-T2 вводятся фреймы FEF (future extension frames). Для этих фреймов определена только структура заголовка, содержимое не регламентируется.

Рис. 3 Структура сигнала DVB-T2 (физический уровень)
Рассмотрим подробнее (рис. 4) структуру сигнала DVB-T2 (так называемую "систему Т2"). Сигнал DVB-T2 на физическом уровне состоит из суперфрейма (рис. 5), который включает в себя фреймы T2 и(или) FEF-фреймы.
Фреймы Т2 в свою очередь содержат символы Р1 и Р2 и данные. "Символы" здесь и далее необходимо понимать в смысле "символы COFDM".

Рис. 4 ВВ- и FEC-фреймы, FEC-блоки
Символы Р1 и Р2 служат для передачи различной служебной информации. В одном суперфрейме может содержаться до 255 Т2-фреймов. Длительность фрейма Т2 определяется тем, какой выбран режим FFT, какой выбран защитный интервал и сколько символов COFDM будет использоваться.
Символы данных состоят из фреймов нескольких типов: BB-фрейм (ВВ — сокращение от baseband), FEC-фреймов и FEC-блоков. ВВ-фрейм является контейнером для передаваемого потока данных: транспортного потока MPEG или любого другого. В одном ВВ-фрейме располагается целое число пакетов транспортного потока. ВВ-фрейм может иметь в общем случае переменную длину, которая зависит от выбранной схемы канального кодирования. В рамках одной PLP ВВ-фрейм должен иметь фиксированную длину.

Рис. 5 "Свернутый" состав суперфреймаВВ-фрейм, вместе со своим заголовком и содержимым, рассматривается как слово, к которому применяются коды LDPC и BCH. В результате применения LDPC и ВСН получается FEC-фрейм, который может иметь длину только или 64 800 или 16 200 бит.
После того как FEC-фрейм сформирован, он подвергается интерливингу (перемешиванию) и разбивается на слова, соответствующие выбранному созвездию (для 64QAM, например, в таком слове будет 6 бит). Затем выполняется отображение (mapping) этих слов, в результате чего получаются ячейки СOFDM (cells). По сути, ячейка СOFDM это совокупность элементов Re(z) и Im(z), определяющих положение векторов для каждого компонента отображаемого слова.
Последовательность ячеек COFDM, соответствующих одному FEC-фрейму, и называется FEC-блоком. FEC-блоки, соответствующие длине FEC-фрейма в 64 800 бит, называются длинными, а 16 200 бит — короткими. Первые из них удобнее для осуществления передачи в более надежных каналах связи при постоянном битрейте, вторые дают "гибкость" в битрейте, но зато больше трафика уходит на передачу заголовков пакетов.
Пожалуйста, обратите внимание, что приведенные иллюстрации структуры суперфрейма и фреймов (рис. 3 - 5) не отражают последовательности передаваемых данных, т. е. то, что FEC-блоки идут последовательно друг за другом на рисунке, вовсе не означает, что эти блоки передают последовательные части транспортного потока. Поэтому на иллюстрациях не использованы порядковые номера фреймов и блоков. Эти рисунки приведены только для того, чтобы показать иерархию.
В действительности, последовательность передачи информации внутри суперфрейма значительно нарушена вследствие применения энтропийного перемешивания — интерливинга. Поэтому последовательные части транспортного потока, инкапсулированные в ВВ-фреймы, могут, вообще говоря, оказаться в разных частях одного суперфрейма.
В DVB-T интерливинг осуществлялся только в пределах одного символа модуляции, и, следовательно, в пределах только того момента времени, пока этот символ передавался. Если информация вследствие помех в канале связи была утеряна в какой-то момент времени, то ее невозможно было восстановить на основании информации, переданной в другой момент времени.
В DVB-T2 система интерливинга усложнена, вводится интерливинг по времени, что позволяет увеличить устойчивость передачи к импульсным помехам, которые очень характерны для больших городов, т. е информация перемешивается не только внутри одного символа модуляции, но и внутри одного суперфрейма. Конечно, это требует для абонентского устройства наличия большой оперативной памяти, где при де-интерливинге необходимо будет хранить блок временного интерливинга, или TI-блок, а не один символ, как в DVB-T.
В DVB-T2 вводятся две новые структуры, которые "отвечают" за интерливинг — фрейм интерливинга и блок временного интерливинга (TI-блок). По сути, эти структуры определяют границы, в которых будет производиться интерливинг.
Фрейм интерливинга (рис. 6) состоит из целого числа TI-блоков. Число это можно изменять. Однако рекомендуется использовать комбинацию одного фрейма интерливинга и одного TI-блока, поскольку именно в этом случае интерливинг будет выполняться на большем промежутке времени. Количество FEC-блоков в одном TI-блоке может не быть постоянным. Каждый фрейм интерливинга проецируется на один или несколько T2-фреймов.

Рис. 6 Фрейм интерливинга и Т2-фреймы
Теперь рассмотрим вопрос вычисления доступной емкости канала, которую можно использовать для передачи полезных данных. В стандарте DVB-T ETSI EN 300744 была приведена таблица, показывающая производительность для разных режимов модуляции. В DVB-T2 невозможно представить расчет в таком наглядном виде, поскольку расчет включает очень много различных факторов, определяемых оператором связи исходя из конкретных условий работы. Для расчета емкости канала DVB-T2 используется достаточно громоздкая формула. Отметим только некоторые факторы, которые влияют на допустимый битрейт: тип модуляции, количество несущих, параметры LDPC и BCH кодов, схема пилотсигналов, режим интерливинга, расширенный режим модуляции используется или обычный, какой тип FEC-блока используется и некоторые другие факторы.
Наибольшая производительность достигается в режиме 32k, при защитном интервале 1/128 и использовании схемы пилот-сигналов PP7 (см. табл. 2).
Таблица 2
Битрейт для расширенного режима 32k, защитного интервала 1/128 и пилот-сигналов PP7

Очевидно, что алгоритмы, предлагаемые стандартом, должны быть легко реализуемы в массовом производстве и не приводить к появлению слишком дорогого абонентского оборудования. Выбор решений, приведенных в стандарте, по заверению его разработчиков, диктовался как раз соображениями эффективности и дешевизны их реализации при массовом производстве. Время покажет, удастся ли этого достичь.
Таблица 3
Сравнение доступных режимов в DVB-T и DVB-T2
DVB-T DVB-T2
Коррекция ошибок (FEC) Свёрточный код + Код Рида — Соломона 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 LDPC (Low Density Parity Check) + BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Режимы модуляцииQPSK, 16-QAM, 64-QAM QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM
Защитный интервал 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/256, 1/8, 19/128, 1/16, 1/32, 1/128
Размерность ДПФ2k, 8k 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k
Рассредоточенные
пилот-сигналы8 % от общего числа 1 %, 2 %, 4 %, 8 % от общего числа
Непрерывные пилот-сигналы2,6 % от общего числа 0,35 % от общего числа
Полоса пропускания 6; 7; 8 МГц 1,7; 5; 6; 7; 8; 10 МГц
Макс. скорость передачи данных (при ОСШ 20 дБ) 31,7 Мбит/с45,5 Мбит/сТребуемое ОСШ
(для 24 Мбит/с) 16,7 дБ 10,8 дБ
Стандарт DVB-T был предназначен исключительно для передачи транспортного потока MPEG-TS, но в отличие от DVB-T, в DVB-T2 заложена возможность передачи нескольких независимых разных по природе и структуре транспортных потоков. Каждый цифровой поток помещается в свой магистральный поток — так называемый канал физического уровня PLP (англ. Physical Layer Pipe). Для этого введена функция предварительной обработки входных данных.

Рис. 7 Обобщённая схема обработки передаваемых сигналов в системе DVB-T2
Входная предварительная обработка
Создание канала физического уровня (PLP), который может содержать один из следующих потоков:
транспортный поток (TS) — последовательность пакетов фиксированной длины обобщённый инкапсулированный поток (GSE) — пакеты переменной или фиксированной длины, которая указана в заголовках этих пакетов;
обобщённый непрерывный поток (GCS) — последовательность пакетов без указания их длины или максимальной длиной 64 кбит;
обобщённый поток, объединённый в пакеты фиксированной длины (GFPS) — формат для совместимости с DVB-S2, может быть заменен на GSE.
Входная обработка
Данные собираются в группы, называемые потоковыми (англ. Baseband) кадрами (BB-кадры), определяемых параметрами модуляции и кодирования (MODCOD), в версиях «нормальной» или «короткой» длины. Возможна передача одного или нескольких потоков PLP.
Однопоточный PLP (режим «A»):
Адаптации режима
Входной интерфейс;
Свёрточное кодирование CRC-8;
Добавление BB-заголовка.
Адаптация потока
вставка заполнения;
скремблирование BB-кадра.
Многопоточный PLP (режим «B»)
Адаптации режима
Входной интерфейс;
Синхронизация входного потока;
Компенсирующая задержка;
Удаления нулевых пакетов;
Кодирование CRC-8;
Добавление BB-заголовка.
Адаптация потока
планирование PLP;
задержка кадра;
внутриканальная сигнализация;
скремблирование BB.
DVB-T2 позволяет предоставлять различные цифровые сервисы и услуги:
Многоканальное мультиплексирование;
Телевидение стандартной чёткости SDTV в форматах соотношения сторон экрана 4:3 и 16:9;
Телевидение высокой чёткости HDTV;
Телевидение сверхвысокой чёткости UHDTV;
3D-телевидение в стандарте DVB 3D-TV;
Интерактивное гибридное телевидение в стандарте HbbTV;
Видео по запросу;
Телегид;
Телетекст;
Субтитры;
Стереозвук;
Объёмный звук;
Звук Dolby Digital;
Мультизвук (выбор языка вещания);
Цифровое радио;
Синхронизация времени и даты с цифровым телевещанием;
Передача данных в стандарте DVB-DATA;
Прямой и обратный каналы связи для интерактивных сервисов в стандартах DVB-RCS и DVB-RCT;
Широкополосный доступ в Интернет;
Система оповещения.
Приём цифрового сигнала DVB-T2 осуществляется эфирной коллективной или индивидуальной (наружной или комнатной)антенной, подключаемой к различным приёмникам:
телевизор со встроенным декодером DVB-T2;
ресивер (ТВ-приставка) DVB-T2;
ТВ-тюнер DVB-T2 для компьютера.
658533160191
Рис. 8 Карта использования систем наземного цифрового телевидения в мире
2.2 План выполнения практического занятия:
2.2.1 Изучить спецификацию наземного эфирного цифрового телевидения.
2.2.2 Изучить схему обработки передаваемых сигналов в системе DVB-T2.
2.2.3 Изучить цифровые сервисы и услуги DVB-T2.
2.2.4 Ответить на контрольные вопросы.
2.3 Форма отчета по практическому занятию: выполнение заданий в рабочей тетради с графическим отображением схем, защита отчета по практической работе.
3. Заключительная часть
3.1 Перечень контрольных вопросов:
Назовите основные отличия DVB-T2 от DVB-T.
Что используют для уменьшения отношения пиковой мощности к средней (PAPR)?
Что входит во входную предварительную обработку сигналов?
Что входит во входную обработку сигналов?
Сколько фреймов содержит суперфрейм Т2?
Какие цифровые сервисы и услуги предоставлянт DVB-T2?
Как осуществляется приём цифрового сигнала DVB-T2?
3.2 Задание для самостоятельной работы – подготовить ответы на контрольные вопросы.
3.3 Список литературы для самостоятельной работы:
1. Серов А. В. Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 464 с.: ил.

Приложенные файлы

  • docx file9
    Размер файла: 578 kB Загрузок: 1