Методы борьбы с многолучевостью в цифровом телевидении

pic
Современные тенденции в области цифрового телевизионного вещания характеризуются эволюционным развитием комплексных цифровых инфокоммуникационных систем и переходом в дальнейшем к глобальной информационной сети.

Цифровые технологии в сетях телекоммуникации позволяют реализовать многопрограммное радиотелевизионное вещание, расширить номенклатуру услуг телекоммуникационной, а также их качество.

Технологическими лидерами в области цифрового ТВ-вещания являются страны Европейского Союза, США и Япония. К концу 2003 года разработаны, экспериментально исследованы и введены в эксплуатацию следующие системы цифрового телевизионного вещания:

• европейская система цифрового телевидения DVB
• американская система цифрового телевидения ATSC
• японская система цифрового телевидения ISDB.

При цифровом эфирном ТВ-вещании основным негативным фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с многоэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.
При многолучевом приеме в декодер поступают две (или более) одинаковые по характеру, но сдвинутые по времени цифровые последовательности символов. Поскольку анализ переданного значения символа «0» или «1» в декодере обычно производится в середине символа, то в случае, если задержка радиосигнала второго луча становится близкой или больше половины длительности символа, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного исчезновения цифрового сигнала.
При использовании стационарных телевизоров бороться с многолучевостью можно путем применения остронаправленных многоэлементных ТВ-антенн, что обычно и делается в антенных системах коллективного пользования. Но это не решает проблемы полностью, так как при этом нельзя гарантировать уверенный прием цифровых ТВ-программ на переносные и перевозимые ТВ-приемники, в которых используются простые ТВ-антенны. Радикальным решением этой проблемы является применение в эфирных каналах ТВ-вещания модуляции COFDM (Coded Orthogonal Division Multiplexing), которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме.

При COFDM используется ортогональное частотное мультиплексирование совместно с помехоустойчивым канальным кодированием. Сочетание канального кодирования (аббревиатура С) с ортогональным частотным мультиплексированием (аббревиатура OFDM) обозначается как COFDM.

При COFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей. Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется «символом COFDM». Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков (обычно 1705 или 6817 субпотоков), длительность символа в параллельных потоках получается существенно больше, чем в последовательном потоке данных (соответственно 280 или 1120 мкс — в зависимости от числа используемых субпотоков). Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия отраженных сигналов прекратятся, и канал стабилизируется.

При испытаниях систем цифрового наземного телевидения DVB-T и ATSC было определено, что ATSC может работать в условиях более сильных импульсных помех. При одном и том же уровне помех ATSC сохраняет работоспособность при меньшем (на 8…11 дБ) уровне сигнала, чем DVB-T. Система DVB-T способна лучше работать в условиях многолучевого приема, типичного для современных городов и пригородов. Статический многолучевой прием связан с отражениями волн от зданий, стен, мебели. Динамический многолучевой прием обусловлен отражениями от автомобилей, поездов, людей, животных.

В аналоговом телевидении многолучевой прием приводит к искажениям: повторам (если отраженный сигнал приходит в точку приема с заметной задержкой), появлению на изображении шумов (если интерференция прямого сигнала с отраженным приводит к затуханию суммарного сигнала). Но в цифровом телевидении многолучевой прием приводит к полному пропаданию сигнала и исчезновению изображения, поэтому способность системы бороться с искажениями, связанными с многолучевым приемом, является ее важнейшим показателем.

В DVB-T для борьбы с многолучевостью специально выбран метод многочастотной модуляции COFDM (Coded Ortogonal Frequency Dividion Multiplex) в сочетании с защитным интервалом. Большая длительность символа, в свою очередь, позволяет увеличить во столько же раз длительность защитного интервала (ЗИ) между символами и допустимую задержку отраженного сигнала при неизменной величине энергетических потерь. Наличие ЗИ устраняет межсимвольную интерференцию (МСИ) между отраженным сигналом очередного и прямым лучом последующего символов. «O» — ортогональность между несущими частотами на интервале позволяет устранить межчастотную интерференцию (МЧИ) внутри символа независимо от фаз несущих. Такой вид ортогональности носит название ортогональности в усиленном смысле, для чего разнос между частотами выбирается равным. Продлевая модуляцию каждой несущей на время длительности защитного интервала и осуществляя прием символа за время интервала с задержкой на длительности защитного интервала, устраняется и МЧИ между несущими прямого и отраженного сигналов. «С» — помехоустойчивое кодирование (сверточное) вводится с целью устранения влияния частотных селективных замираний в радиоканале, в результате чего отношения сигнал/шум на разных несущих оказываются различными. Природа таких замираний связана с интерференцией сигналов прямого и отраженного лучей на одной и той же несущей частоте. Дополнительно повысить надежность приема в таких ситуациях можно, применяя в приемнике декодирование с мягкими решениями, при котором декодер использует информацию о степени надежности приема на конкретной частоте.

При сильной многолучевости в DVB-T есть также возможность сгладить пороговый эффект путем применения иерархической модуляции за счет снижения четкости изображения. В ATSC метод модуляции VSB (Vestigal Side-Band) прямого отношения к борьбе с многолучевостью не имеет. В то же время выбор модуляции 8-VSB позволяет использовать как код со скоростью R=2/3. Эффективность многолучевого приема аналогична сверточному коду в DVB-T. Однако основная роль в борьбе с многолучевостью в ATSC возлагается на эквалайзер приемника. Эквалайзер получает информацию о состоянии радиоканала по известным сигналам синхронизации сегментов и кадров, что отчасти аналогично назначению рассредоточенных по спектру пилот-сигналов в DVB-T. По идеологии ATSC-отраженные сигналы в совокупном воздействии искажают частотную характеристику радиоканала, которую эквалайзер и корректирует для устранения МСИ в соответствии с характеристикой фильтра Найквиста. Такая коррекция, естественно, имеет ограничения по допустимой задержке отраженных сигналов (подобно величине ЗИ в DVB-T) и существенно зависит от алгоритма работы эквалайзера. До сих пор в ATSC использовался практически один алгоритм работы эквалайзера — так называемый алгоритм с обратной связью по напряжению, и все официальные сведения о результатах тестов ATSC-приемников относятся лишь к этому алгоритму. В то же время существуют и другие алгоритмы.

Система COFDM превратилась в эталонный способ модуляции для наземной передачи данных в условиях многолучевого приема. Важное достоинство системы COFDM — гибкость, обеспечиваемая возможностью оперативного изменения скорости потока данных и параметров передачи с целью приспособления к условиям распространения радиоволн. Принятие COFDM позволит свободно устанавливать параметры передачи в соответствии с условиями распространения радиоволн и требованиями к скорости потока данных и надежности приема.

Иерархическая передача, возможная в рамках COFDM, дает вещателям дополнительную свободу.

8-VSB пока не может обеспечить надежный прием на простые антенны в городских условиях в зоне устойчивого приема сигналов NTSC, а COFDM может.

pic

Orphus system