Передача телевизионных сигналов с помощью OFDM

Система DVB-T разрабатывалась для цифрового вещания, но она должна встраиваться в существующее аналоговое окружение, поэтому в системе следует обеспечить защиту от интерференционных помех соседнего и совмещенного каналов, обусловленных действующими передатчиками. Поскольку речь идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность использования частотного диапазона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных передатчиков, многочастотных и одночастотных сетей. Система DVB-T должна успешно бороться с типичными для наземного телевидения эхо-сигналами и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распространения радиоволн. Является желательным создание условий для приема в движении и на комнатные антенны. Все эти требования были выполнены в DVB-T благодаря применению новой системы модуляции OFDM

Этот способ цифровой передачи является радикальным методом борьбы с влиянием многолучевого распространения радиоволн в городских условиях. Базовый принцип OFDM заключается в разделении высокоскоростного цифрового потока на большое число параллельных низкоскоростных потоков, которые одновременно передаются на отдельных поднесущих. Поскольку длительность символов при этом увеличивается, то влияние многолучевого распространения уменьшается. Группа несущих частот, которая в данный момент времени передает биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков (обычно 1705 или 6817 субпотоков), длительность символа в этих потоках получается существенно больше, чем в последовательном потоке данных (соответственно 280 мкс или 1120 мкс). Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия переотраженных (эхо) - сигналов прекратятся и канал станет стабильным.

При OFDM некоторые группы несущих частот могут быть полностью подавленны. Для их восстановления вводят помехоустойчивое кодирование данных. Применение какой-либо одной системы кодирования не дает желаемого эффекта в условиях наземного телевидения, для которого типично проявление разнообразных шумов, помех и искажений, приводящих к возникновению ошибок с разными статистическими свойствами. В таких условиях необходим более сложный алгоритм исправления ошибок. В системе DVB-T используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически безошибочную работу (такой подход типичен и для других сфер, например, для цифровой видеозаписи). Если благодаря работе внутреннего кодирования вероятность ошибок на выходе внутреннего декодера не превышает величины 2x10^-4, то система внешнего кодирования доводит вероятность ошибок на входе демультиплексора MPEG-2 до значения 10^-11, что соответствует практически безошибочной работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).

Кодирование обязательно связано с введением в поток данных некоторой избыточности и соответственно с уменьшением скорости передачи полезных данных, поэтому наращивание мощности кодирования за счет увеличения объема проверочных данных не всегда соответствует требованиям практики. Для увеличения эффективности кодирования, без снижения скорости кода, применяется перемежение данных. Кодирование позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, а перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

Кодирование превращает OFDM в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Почему же COFDM более эффективна в условиях многолучевого приема, чем системы передачи с одной несущей? Если по каналу связи с резко выраженной неравномерностью частотной характеристики передается одна модулированная несущая, то ослабление отдельных частотных составляющих можно компенсировать с помощью частотного корректора (хотя и за счет уменьшения отношения сигнал/шум), но если какая-нибудь составляющая подавлена полностью, то корректирующий фильтр помочь не может в принципе и сигнал претерпевает необратимые искажения. Однако если данные передаются с помощью частотного уплотнения, то даже полное исчезновение сигналов отдельных несущих не является катастрофой, поскольку данные, переносимые этими несущими, могут быть восстановлены за счет канального кодирования. Контейнер COFDM отлично приспособлен к условиям передачи данных в наземном телевидении благодаря возможности раздельной обработки сигналов большого числа несущих.

а)

б)

Рис. 3 а) последовательность информационных символов S₁, S₂, S₃ одного субпотока; б) защитные (D₂, D₃) и рабочие интервалы (T_u2, T_u3).

Последовательность передаваемых символов S_i представлена на рис.1а. Временной интервал OFDM-символа субпотока T_s делится на две части — защитный интервал D, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа Т_u, за время которого принимается решение о его значении (рис.1б).

Если задержка переотраженного сигнала находится в пределах длительности интервала D, то искажения при приеме следующего символа не возникают. При выборе защитных интервалов учитывается расстояние между передатчиком и приемником, а также эффективность использования радиоспектра. Действительно, увеличение длительности защитного интервала позволяет увеличить расстояние между соседними передатчиком и приемником. С другой стороны, длительность защитного интервала целесообразно выбирать небольшой, так как защитный интервал не используется для передачи полезной информации и его введение уменьшает полезную скорость передаваемой информации.

Такие параметры OFDM, как число несущих в групповом спектре, величина их частотного разноса, длительность защитного и рабочего интервала информационного символа, взаимосвязаны и выбираются путем компромиссных решений.

Частотный разнос D_f между соседними несущими f₁, f₂...f_n в групповом спектре OFDM выбирается из условия выделения в демодуляторе отдельных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения несущих: с помощью полосовых фильтров и с использованием ортогональных преобразований сигналов.

а)

б)

в)

Рис.4. а) частотный разнос несущих; б) групповой спектр при частотном разносе 1116 Гц; в) групповой спектр при частотном разносе 4464 Гц.

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной 2/Т_u. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой. Поэтому в стандарте OFDM выбран ортогональный метод разделения несущих, при котором значение частотного разноса может быть уменьшено в два раза по сравнению с первым методом, за счет чего повышается эффективность использования спектра.

Две модулированные несущие будут ортогональными, если интеграл от их произведения за время длительности рабочего интервала Т_u равен нулю. Поэтому при ортогональном методе демодуляции несущих группового спектра взаимные помехи от соседних несущих частот будут также равны нулю, несмотря на то, что их соседние боковые полосы взаимно перекрываются. Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению D_f = 1/T_u (рис. 2а), то есть на интервале Т_u, должно укладываться целое число периодов разностной частоты f₂-f₁. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: для синхронизации несущих частот группового спектра и для синхронизации тактовых частот в демодуляторе.

Дата добавления: 2014-01-20