Система спутникового цифрового телевизионного вещания DVB-S

Уровень адаптации 1 (AAL-1)

Пакет транспортного потока MPEG

188 байт

1 часть	2 часть	3 часть	4 часть
47 байт	47 байт	47 байт	47 байт

Заголовок ячейки АТМ	SAR-PDU	1 часть пакета	Заголовок ячейки АТМ	SAR-PDU	2 часть пакета	Заголовок ячейки АТМ	SAR-PDU	3 часть пакета	Заголовок ячейки АТМ	SAR-PDU	4 часть пакета
5 байт	1 байт	47 байт	5 байт	1 байт	47 байт	5 байт	1 байт	47 байт	5 байт	1 байт	47 байт
1 ячейка АТМ	2 ячейка АТМ	3 ячейка АТМ	4 ячейка АТМ

Уровень адаптации 5 (AAL-5)

Пакет №1 транспортного потока MPEG	Пакет №2 транспортного потока MPEG
188 байт	188 байт
376 байт

1 часть пакета №1	2 часть пакета №1	3 часть пакета №1	4 часть пакета №1	1 часть пакета №2	2 часть пакета №2	3 часть пакета №2	4 часть пакета №2
48 байт	48 байт	48 байт	48 байт	48 байт	48 байт	48 байт	40 байт

Заголовок ячейки АТМ	1 часть пакета №1	Заголовок ячейки АТМ	2 часть пакета №1	…	Заголовок ячейки АТМ	4 часть пакета №2	CRC
5 байт	48 байт	5 байт	48 байт	5 байт	40 байт	8 байт
1 ячейка АТМ	2 ячейка АТМ		8 ячейка АТМ

Система спутникового цифрового телевизионного вещания DVB-S

Спутниковое телевизионное вещание было и остается самым быстрым, надежным и экономичным способом подачи ТВ сигнала высокого качества в любую точку обширного пространства.

Все вещательные искусственные спутники Земли (ИСЗ) размещаются на так называемой геостационарной орбите (ГО) – круговой орбите высотой ~36000 км в плоскости экватора. Находясь на ГО, спутник неподвижен относительно поверхности Земли, т.к. вращается с той же угловой скоростью, что и Земля. Зона видимости геостационарной ИСЗ – около одной трети земной поверхности.

Для спутниковго вещания выделены специальные участки радиочастотного спектра в сантиметровом диапазоне волн, где допускается повышенная плотность потока мощности с ИСЗ. Наиболее освоен участок KU-диапазона с частотами 11,7…12,5 ГГц. Вещательную мощность ИСЗ в данной точке приема принято характеризовать эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (ЭИИМ), представляющей собой произведение выходной мощности передатчика ИСЗ на коэффициент усиления передающей антенны в данном направлении. ЭИИМ обычно выражается в дБ×Вт (dBW) и обычно составляет 45…60 dBW. В соседних диапазонах 10,7…11,7 ГГц и 12,5…12,75 ГГц вещают спутники так называемой фиксированной спутниковой службы с типовыми значениями ЭИИМ 38…52 dBW.

Одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность энергетического потенциала спутникового ретранслятора, в силу чего в спутниковом вещании традиционно используют методы обработки, требующие минимального отношения несущая/шум (C/N) на входе демодулятора в обмен, например, на полосу частот сигнала. В аналоговом вещании это был выбор частотной модуляции (вместо амплитудной), а в цифровом вещании приходится применять мощное каскадное помехоустойчивое кодирование и модуляцию с невысокими кратностями (например, QPSK вместо более высокоскоростной 16 QAM). Дополнительной особенностью цифрового спутникового вещания является тот факт, что многопрограммное вещание осуществляется за счет мультиплексирования в цифровом потоке, а работа передатчика ИСЗ осуществляется только на одной несущей в нелинейном режиме, что позволяет повысить его выходную мощность на 2,5…4 dB. Такое повышение энергетики эквивалентно уменьшению диаметра рефлектора приемной антенны в 2 раза в сравнении с приемом сигналов аналогового вещания.

В 1994г. в рамках консорциума DVB Project был создан Европейский стандарт спутниковой цифровой системы многопрограммного ТВ вещания - стандарт DVB-S, работающий в полосе частот 11/12 ГГц (European Standard EN 300 421 v.1.1.2, 1997-08). Для целей спутникового вещания выделены полосы частот в диапазонах 12, 29, 40 и 85 ГГц. В диапазонах 40 ГГц и 85 ГГц выделен спектр частот шириной в 2 ГГц.

В октябре 1996г. был принят проект Рекомендации по общим функциональным требованиям к многопрограммным системам спутниковго вещания в полосе частот 11/12 ГГц, а уже в октябре 1999г. был выработан проект новой Рекомендации, учитывающей, что в мире существуют четыре схожие по архитектуре системы: стандарт DVB-S (Система А), DSS (Система В), G1-MPEG-2 (Система С) и ISDB-S (Система D).

Система А (стандарт DVB-S) разработана европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного ТВ вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к системам с спутниковыми коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master Antenna ТВ), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ ТВ вещания. В настоящее время практическое все цифровое спутниковое ТВ вещание на все пять континентов осуществляется по стандарту DVB-S.

Существует два основных способа цифровой передачи SAT сигналов:

передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих;

мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на одной несущей.

Число программ ТВ вещания, которое можно передавать с помощью одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости передачи информации, компонентного или композитного формата кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения.

Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно низкими скоростями (менее 1 Мбит/с, что эквивалентно 20-25 ТВ каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 ТВ каналов с одного транспондера.

Структурная схема передающей части стандарта DVB-S показана на рис.1. На передающей стороне выполняются следующие преобразования потока данных для его адаптации к каналу:

- транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии энергии;

- внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона (RS);

- сверточное перемежение и внутреннее кодирование с использованием выколотого сверточного кода;

- формирование сигнала в основной полосе частот и его модуляция.

Для спутниковых систем ТВ вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а также нелинейности бортового ретранслятора (т.е. возможности работы при повышенной мощности). Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум (C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I). При этом гарантируется не более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10 ^-10…10 ^-11 на входе демультиплексера MPEG-2 в приемнике-декодере.

Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетическими характеристиками конкретного транспондера устанавливается требуемое соотношение BW/Rs, где BW – полоса транспондера по уровню – 3 dB, Rs – скорость передаваемых символов. Так, для модуляции QPSK, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204, соответствующая скорость передачи информационных символов составит:

RU = R(2Rs)(188/204) = 1,843 R Rs.

Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5 значений кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответственно изменяет полученную скорость символов RU и спектральную эффективность системы CU=RU/BW. Возможные варианты соотношения скоростей передачи R, Rs, RU и эффективности CU от полосы транспондера при BW/Rs = 1,28 для QPSK модуляции приведены в табл.1.

Таблица 1.

BW, МГц	Rs, Мсим/с	R = 1/2	R = 2/3	R = 3/4	R = 5/6	R = 7/8
RU, Мбит/с	СU, бит/(сГц)	RU, Мбит/с	СU, бит/(сГц)	RU, Мбит/с	СU, бит/(сГц)	RU, Мбит/с	СU, бит/(сГц)	RU, Мбит/с	СU, бит/(сГц)
	42,2	38,9	0,72	51,8	0,96	58,3	1,08	64,8	1,2		1,26
	35,9	33,1	0,72	44,2	0,96	49,7	1,08	55,2	1,2		1,26
	31,2	28,8	0,72	38,4	0,96	43,2	1,08		1,2	50,4	1,26
	28,1	25,9	0,72	34,6	0,96	38,9	1,08	43,2	1,2	45,4	1,26
	25,8	23,8	0,72	31,7	0,96	35,6	1,08	39,6	1,2	41,6	1,26
	23,4	21,6	0,72	28,8	0,96	32,4	1,08		1,2	37,8	1,26
	21,1	19,4	0,72	25,9	0,96	29,2	1,08	32,4	1,2		1,26
	20,3	18,7	0,72		0,96	28,1	1,08	31,2	1,2	32,8	1,26

Структурна схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на передающей и приемной сторонах показаны на рис.2. Как уже отмечалось выше, основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в отечественной литературе иногда именуется как ФМ-4), хотя в отдельных случаях могут использоваться 8 PSK (ФМ-8) и даже 16 QAM (КАМ-16). Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить требуемое для работы демодулятора с QPSK отношение Е_б/N₀ (отношение энергии в одном бите информации к спектральной плотности мощности шума, см. рис.3), а для модуляции большей кратности пороговое значение Е_б/N₀ оказывается несколько выше (табл.2).

Таблица 2.