DVB-S2 – это второе поколение стандарта для спутникового вещания, разработанное Комитетом DVB в 2003 году.
В этом стандарте используются самые последние разработки в области канального кодирования (LDPC коды) в сочетании с различными форматами модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK). Когда используются интерактивные приложения, такие как доступ в Интернет, имеется возможность применять адаптивное кодирование (Adaptive Coding & Modulation), оптимизируя, таким образом, параметры передачи для каждого пользователя в зависимости от условий приема. Режимы обратной совместимости позволяют существующим приемникам DVB-S продолжать работу в течение переходного периода.
В данной статье дается краткое описание основных характеристик и возможностей нового стандарта, а также описываются различные примеры применения DVB-S2 – главным образом, для целей телевидения. Сюда входят вещание, сбор ТВ программ и раздача сигнала на цифровые эфирные передатчики. Представленные характеристики иллюстрируют преимущества новой системы над DVB-S и DVB-DSNG.
Введение Стандарт DVB-S2 был разработан для нескольких спутниковых широкополосных применений:
• вещательные системы для телевидения стандартной четкости и ТВЧ;
• интерактивные сервисы, включающие интернет-навигацию для индивидуальных пользователей;
• профессиональные применения, такие как сбор и распространение программ (News Gathering), раздача сигнала на цифровые эфирные передатчики;
• широкополосная передача данных, например, в магистральных каналах Интернета.
Целью разработки нового стандарта было создание механизма, который бы позволил повысить эффективность использования спутникового канала связи, то есть предоставить возможность передавать в заданной полосе частот больше полезной информации при минимальных затратах на приемной стороне.
DVB-S2 сделан основе «набора инструментов», который во всех областях применения позволяет решать проблемы, связанные с сохранением одночиповых приемников на разумных уровнях сложности и тем самым использовать продукты рынка абонентских устройств для профессиональных приложений.
Стандарт DVB-S2 определяет три основных концепции: лучшее качество передачи, высокую гибкость и разумную сложность приемников. Чтобы достичь наилучших показателей производительности системы, которые можно оценить как на 30% лучшее использование спектра частот, чем в DVB-S, в новом стандарте применяются самые последние достижения в области канального кодирования и модуляции. Для интерактивных приложений «точка-точка», таких как однонаправленная адресная рассылка данных (IP unicasting), возможно использование режима адаптивного кодирования (Adaptive Coding & Modulation – ACM), который позволяет оптимизировать параметры передачи для каждого клиента от пакета к пакету, в зависимости от условий приема. Применение режима ACM возможно только при наличие обратного канала для контроля эффективности применяемых параметров передачи. Однако его использование может принести выигрыш по полосе даже больше чем на 30%. DVB-S2 может работать с существующими транспондерами с большим разнообразием требований по эффективности спектра и соотношению сигналшум (CN).
Более того, стандарт не ограничен применением транспортных пакетов MPEG-2 TS, позволяя передавать потоки произвольной структуры – как пакетной, так и непрерывной. DVB-S2 более удобен для передачи транспортных потоков различных типов, таких как однопрограммные и многопрограммные транспортные потоки MPEG, пакеты IP или ATM. Коррекция ошибок и модуляция Коррекция ошибок – это ключевой инструмент для достижения наилучших характеристик спутникового канала передачи информации в условиях высокого уровня шумов и интерференции. Для каналов со случайным характером ошибок (обычно с аддитивными помехами типа «белого шума») практический интерес представляют лишь несколько кодов из десятков известных.
Наиболее часто разработчики используют три вида кодов: сверточные, Рида-Соломона и турбокоды, к которым относятся коды с низкой плотностью проверки на четность (Low Density Parity Check codes – LDPC). Сочетание нескольких схем помехоустойчивого кодирования позволяет учесть различные условия эксплуатации. Так, сверточный код обычно используется для передачи речевого трафика, когда вероятность ошибки на бит может быть достаточно большой, но не критичной для восприятия и понимания передаваемой информации.
При передаче данных, когда требуется более высокая надежность, применяются так называемые каскадные коды, в которых внешним обычно является код Рида-Соломона, а внутренним – сверточный. В процессе выбора кодов для нового стандарта проводилось компьютерное моделирование, в результате которого победителем была выбрана система, в качестве внешнего кода использующая код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem, BCH), а в качестве внутреннего – LDPC код, и которая позволяет максимально близко подойти к пределу Шеннона для каналов с адаптивным «белым», гауссовским, шумом. Выбранные LDPC коды используют очень длинные блоки бит – 64800 бит для аппликаций, не критичных к задержкам, и 16200 бит.
Доступны следующие скорости кодирования – 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10, которые определяются типом модуляции и надежностью канала передачи. Скорости 1/4, 1/3, 2/5 предназначены для работы с модуляцией QPSK на ненадежных линиях, когда уровень сигнала ниже уровня шума.
Стандарт DVB-S2 предусматривает использование четырех типов модуляции – QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK. Первые две используются в вещательных сетях. Там передатчики транспондеров работают в нелинейных режимах, близких к насыщению. Две другие используются, как правило, в профессиональных приложениях, но могут использоваться также и для целей вещания. Правда, в этом случае требуется более высокое соотношение сигналшум на приеме, а на передающей стороне должно использоваться предискажение сигнала, чтобы компенсировать нелинейность транспондера. И хотя эти типы модуляций требуют больших затрат мощности, зато они дают большую эффективность по использованию спектра. Созвездия 16APSK и 32APSK оптимизированы для работы через нелинейный транспондер путем размещения точек на окружностях. Однако при работе через линейный тракт их характеристики сравнимы с 16 и 32 QAM соответственно. Выбирая тип модуляции и скорость кодирования, можно менять эффективность использования спектра от 0,5 до 4 бит на символ. При этом надо учитывать характеристики используемого транспондера.
DVB-S2, в отличие от DVB-S, имеет три значения коэффициента скругления (roll-off factor), которые устанавливают разную степень эффективности использования спектра: 0.35, 0.25 и 0.20. Более низкие значения коэффициента обеспечивают большую крутизну фронтов несущей, что позволяет размещать соседние несущие плотнее друг к другу и, соответственно, эффективнее использовать спектр.
Кадровая структура Было разработано два уровня кадровых структур:
• первый – физический (physical level – PL), несущий несколько высокозащищенных служебных бит;
• второй уровень – групповой (base-band level), несущий разнообразные служебные биты, что позволяет максимально гибко адаптироваться к типу входного сигнала.
Первый уровень служит для обеспечения жесткой синхронизации на физическом уровне, чтобы приемник смог засинхронизироваться и определить тип модуляции и параметры кодирования для их декодирования и демодулирования. Физический уровень состоит из регулярной последовательности кадров (грузовиков): внутри каждого кадра содержатся однородные параметры модуляции и кодирования, но могут изменяться (адаптивное кодирование) в соседних кадрах. Каждый кадр состоит из полезной нагрузки 64 800 (или 16 200) бит, в соответствии с выбранными параметрами кодозащиты LDPC/BCH FEC, и заголовка (Header, 90 двоичных модуляционных символов), содержащего служебную информацию и данные синхронизации. Так как информация, содержащаяся в заголовке, является необходимой для синхронизации приемника и несет всю необходимую информацию для декодирования, заголовок не кодируется LDPC/BCH FEC. С другой стороны, заголовок должен быть полностью декодируемым в случае прохождения по каналу связи, подверженному ошибкам. Поэтому в системе предусмотрена защита заголовка кодом с малой скоростью кодирования (размер блока 7/64), подходящая для реализации декодирования на программном уровне и имеющая минимальное количество служебных бит для упрощения процесса декодирования с максимальной эффективностью.
Второй уровень кадровой структуры – групповой кадр (base-band frame), позволяет сообщать приемнику более полную служебную информацию о параметрах работы в сети: количество транспортных потоков, тип передаваемой информации (данные или транспортный поток), режим передачи (CCM-Constant Coding & Modulation или ACM-Adaptive Coding & Modulation) и много другой информации для конфигурации приемника. Благодаря защите кодами LDPC/BCH и большому разнообразию FEC, основной заголовок может содержать много служебных бит (80) без потери эффективности передачи и преодолевать шумы. Обратная совместимость Большое количество установленных приемников DVB-S стандарта значительно затрудняет вещателям процесс перехода на новый стандарт. Особенно когда приемники субсидируются самими вещателями, а также на общественных сетях, работающих в открытом режиме (free-to-air). В таких случаях обратная совместимость может потребоваться на некий переходный период, когда установленные приемники DVB-S будут работать по-прежнему, а новые приемники получат новые сервисы и возможности от нового стандарта.
В конце переходного периода, когда завершится смена приемников, транслируемый сигнал будет переведен из режима обратной совместимости и обеспечит клиентов всеми возможностями DVB-S2. Режимы обратной совместимости подразумевают передачу двух транспортных потоков в одном спутниковом канале. Эти потоки имеют разные приоритеты – высокий и низкий. Первый поток, имеющий высокий приоритет, совместим как с приемниками DVB-S2, так и с приемниками DVB-S. Второй поток, с низким приоритетом, поддерживается только приемниками DVB-S2. Передача этих потоков осуществляется через использование иерархической модуляции. Иерархическая модуляция позволяет комбинировать два потока синхронно в одном модуляционном символе неоднородного созвездия 8PSK. DVB-S2 совместимый поток низкого приоритета кодируется кодами LDPC/BCH со скоростями свертки 1/4, 1/3, 1/2 или 3/5. После этого преобразователь координат генерирует неоднородное созвездие 8PSK, в котором два бита потока DVB-S высокого приоритета определяют точку созвездия QPSK, в то время как один бит из кодера DVB-S2 LDPC смещается на угол ± перед подачей в канал.
Таким образом, результирующий сигнал имеет квазипостоянную форму и может быть передан через один транспондер, работающий в режиме, близком к насыщению.
В этом стандарте используются самые последние разработки в области канального кодирования (LDPC коды) в сочетании с различными форматами модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK). Когда используются интерактивные приложения, такие как доступ в Интернет, имеется возможность применять адаптивное кодирование (Adaptive Coding & Modulation), оптимизируя, таким образом, параметры передачи для каждого пользователя в зависимости от условий приема. Режимы обратной совместимости позволяют существующим приемникам DVB-S продолжать работу в течение переходного периода.
В данной статье дается краткое описание основных характеристик и возможностей нового стандарта, а также описываются различные примеры применения DVB-S2 – главным образом, для целей телевидения. Сюда входят вещание, сбор ТВ программ и раздача сигнала на цифровые эфирные передатчики. Представленные характеристики иллюстрируют преимущества новой системы над DVB-S и DVB-DSNG.
Введение Стандарт DVB-S2 был разработан для нескольких спутниковых широкополосных применений:
• вещательные системы для телевидения стандартной четкости и ТВЧ;
• интерактивные сервисы, включающие интернет-навигацию для индивидуальных пользователей;
• профессиональные применения, такие как сбор и распространение программ (News Gathering), раздача сигнала на цифровые эфирные передатчики;
• широкополосная передача данных, например, в магистральных каналах Интернета.
Целью разработки нового стандарта было создание механизма, который бы позволил повысить эффективность использования спутникового канала связи, то есть предоставить возможность передавать в заданной полосе частот больше полезной информации при минимальных затратах на приемной стороне.
DVB-S2 сделан основе «набора инструментов», который во всех областях применения позволяет решать проблемы, связанные с сохранением одночиповых приемников на разумных уровнях сложности и тем самым использовать продукты рынка абонентских устройств для профессиональных приложений.
Стандарт DVB-S2 определяет три основных концепции: лучшее качество передачи, высокую гибкость и разумную сложность приемников. Чтобы достичь наилучших показателей производительности системы, которые можно оценить как на 30% лучшее использование спектра частот, чем в DVB-S, в новом стандарте применяются самые последние достижения в области канального кодирования и модуляции. Для интерактивных приложений «точка-точка», таких как однонаправленная адресная рассылка данных (IP unicasting), возможно использование режима адаптивного кодирования (Adaptive Coding & Modulation – ACM), который позволяет оптимизировать параметры передачи для каждого клиента от пакета к пакету, в зависимости от условий приема. Применение режима ACM возможно только при наличие обратного канала для контроля эффективности применяемых параметров передачи. Однако его использование может принести выигрыш по полосе даже больше чем на 30%. DVB-S2 может работать с существующими транспондерами с большим разнообразием требований по эффективности спектра и соотношению сигналшум (CN).
Более того, стандарт не ограничен применением транспортных пакетов MPEG-2 TS, позволяя передавать потоки произвольной структуры – как пакетной, так и непрерывной. DVB-S2 более удобен для передачи транспортных потоков различных типов, таких как однопрограммные и многопрограммные транспортные потоки MPEG, пакеты IP или ATM. Коррекция ошибок и модуляция Коррекция ошибок – это ключевой инструмент для достижения наилучших характеристик спутникового канала передачи информации в условиях высокого уровня шумов и интерференции. Для каналов со случайным характером ошибок (обычно с аддитивными помехами типа «белого шума») практический интерес представляют лишь несколько кодов из десятков известных.
Наиболее часто разработчики используют три вида кодов: сверточные, Рида-Соломона и турбокоды, к которым относятся коды с низкой плотностью проверки на четность (Low Density Parity Check codes – LDPC). Сочетание нескольких схем помехоустойчивого кодирования позволяет учесть различные условия эксплуатации. Так, сверточный код обычно используется для передачи речевого трафика, когда вероятность ошибки на бит может быть достаточно большой, но не критичной для восприятия и понимания передаваемой информации.
При передаче данных, когда требуется более высокая надежность, применяются так называемые каскадные коды, в которых внешним обычно является код Рида-Соломона, а внутренним – сверточный. В процессе выбора кодов для нового стандарта проводилось компьютерное моделирование, в результате которого победителем была выбрана система, в качестве внешнего кода использующая код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem, BCH), а в качестве внутреннего – LDPC код, и которая позволяет максимально близко подойти к пределу Шеннона для каналов с адаптивным «белым», гауссовским, шумом. Выбранные LDPC коды используют очень длинные блоки бит – 64800 бит для аппликаций, не критичных к задержкам, и 16200 бит.
Доступны следующие скорости кодирования – 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10, которые определяются типом модуляции и надежностью канала передачи. Скорости 1/4, 1/3, 2/5 предназначены для работы с модуляцией QPSK на ненадежных линиях, когда уровень сигнала ниже уровня шума.
Стандарт DVB-S2 предусматривает использование четырех типов модуляции – QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK. Первые две используются в вещательных сетях. Там передатчики транспондеров работают в нелинейных режимах, близких к насыщению. Две другие используются, как правило, в профессиональных приложениях, но могут использоваться также и для целей вещания. Правда, в этом случае требуется более высокое соотношение сигналшум на приеме, а на передающей стороне должно использоваться предискажение сигнала, чтобы компенсировать нелинейность транспондера. И хотя эти типы модуляций требуют больших затрат мощности, зато они дают большую эффективность по использованию спектра. Созвездия 16APSK и 32APSK оптимизированы для работы через нелинейный транспондер путем размещения точек на окружностях. Однако при работе через линейный тракт их характеристики сравнимы с 16 и 32 QAM соответственно. Выбирая тип модуляции и скорость кодирования, можно менять эффективность использования спектра от 0,5 до 4 бит на символ. При этом надо учитывать характеристики используемого транспондера.
DVB-S2, в отличие от DVB-S, имеет три значения коэффициента скругления (roll-off factor), которые устанавливают разную степень эффективности использования спектра: 0.35, 0.25 и 0.20. Более низкие значения коэффициента обеспечивают большую крутизну фронтов несущей, что позволяет размещать соседние несущие плотнее друг к другу и, соответственно, эффективнее использовать спектр.
Кадровая структура Было разработано два уровня кадровых структур:
• первый – физический (physical level – PL), несущий несколько высокозащищенных служебных бит;
• второй уровень – групповой (base-band level), несущий разнообразные служебные биты, что позволяет максимально гибко адаптироваться к типу входного сигнала.
Первый уровень служит для обеспечения жесткой синхронизации на физическом уровне, чтобы приемник смог засинхронизироваться и определить тип модуляции и параметры кодирования для их декодирования и демодулирования. Физический уровень состоит из регулярной последовательности кадров (грузовиков): внутри каждого кадра содержатся однородные параметры модуляции и кодирования, но могут изменяться (адаптивное кодирование) в соседних кадрах. Каждый кадр состоит из полезной нагрузки 64 800 (или 16 200) бит, в соответствии с выбранными параметрами кодозащиты LDPC/BCH FEC, и заголовка (Header, 90 двоичных модуляционных символов), содержащего служебную информацию и данные синхронизации. Так как информация, содержащаяся в заголовке, является необходимой для синхронизации приемника и несет всю необходимую информацию для декодирования, заголовок не кодируется LDPC/BCH FEC. С другой стороны, заголовок должен быть полностью декодируемым в случае прохождения по каналу связи, подверженному ошибкам. Поэтому в системе предусмотрена защита заголовка кодом с малой скоростью кодирования (размер блока 7/64), подходящая для реализации декодирования на программном уровне и имеющая минимальное количество служебных бит для упрощения процесса декодирования с максимальной эффективностью.
Второй уровень кадровой структуры – групповой кадр (base-band frame), позволяет сообщать приемнику более полную служебную информацию о параметрах работы в сети: количество транспортных потоков, тип передаваемой информации (данные или транспортный поток), режим передачи (CCM-Constant Coding & Modulation или ACM-Adaptive Coding & Modulation) и много другой информации для конфигурации приемника. Благодаря защите кодами LDPC/BCH и большому разнообразию FEC, основной заголовок может содержать много служебных бит (80) без потери эффективности передачи и преодолевать шумы. Обратная совместимость Большое количество установленных приемников DVB-S стандарта значительно затрудняет вещателям процесс перехода на новый стандарт. Особенно когда приемники субсидируются самими вещателями, а также на общественных сетях, работающих в открытом режиме (free-to-air). В таких случаях обратная совместимость может потребоваться на некий переходный период, когда установленные приемники DVB-S будут работать по-прежнему, а новые приемники получат новые сервисы и возможности от нового стандарта.
В конце переходного периода, когда завершится смена приемников, транслируемый сигнал будет переведен из режима обратной совместимости и обеспечит клиентов всеми возможностями DVB-S2. Режимы обратной совместимости подразумевают передачу двух транспортных потоков в одном спутниковом канале. Эти потоки имеют разные приоритеты – высокий и низкий. Первый поток, имеющий высокий приоритет, совместим как с приемниками DVB-S2, так и с приемниками DVB-S. Второй поток, с низким приоритетом, поддерживается только приемниками DVB-S2. Передача этих потоков осуществляется через использование иерархической модуляции. Иерархическая модуляция позволяет комбинировать два потока синхронно в одном модуляционном символе неоднородного созвездия 8PSK. DVB-S2 совместимый поток низкого приоритета кодируется кодами LDPC/BCH со скоростями свертки 1/4, 1/3, 1/2 или 3/5. После этого преобразователь координат генерирует неоднородное созвездие 8PSK, в котором два бита потока DVB-S высокого приоритета определяют точку созвездия QPSK, в то время как один бит из кодера DVB-S2 LDPC смещается на угол ± перед подачей в канал.
Таким образом, результирующий сигнал имеет квазипостоянную форму и может быть передан через один транспондер, работающий в режиме, близком к насыщению.
