3.4.6.2. Приём заказа - Научного Центра МТУСИ

Приложение 3.4
Научно – информационный материал
«Современные технологии в области цифрового телевидения»
Методы модуляции в современных цифровых системах связи и телерадиовещания
СОДЕРЖАНИЕ
3.4.1 Виды модуляции
3.4.2 Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)
3.4.3 Квадратурная амплитудная модуляция
3.4.4 Ортогональная частотная модуляция (OFDM)
3.4.5 Организация интерактивных услуг в системах наземного (terrestrial)
цифрового ТВ вещания
3.4.6 Видео-по-запросу
Литература
3.4.1 Виды модуляции.
Обычно сигналы в системах связи и вещания передаются с помощью
несущей частоты путём изменения её параметров: частоты – частотная модуляция,
амплитуды - амплитудная модуляция, фазы – фазовая модуляция (рис. 1.1). При
модуляции может изменяться и несколько параметров, например, амплитуда и фаза
(квадратурная амплитудная модуляция). Модуляция может осуществляться
изменением длительности импульсов – широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Колебание несущей частоты можно представить в виде:
s(t) = S(t)cos[w(t) – y(t)] .
Многоуровневая или многопозиционная модуляция с кратностью М
формирует сигнал с М возможными значениями соответствующего параметра. В
многопозиционных ансамблях каждый М-ичный сигнал содержит информацию о n
двоичных информационных символах (М=2n). Чем больше М, тем больше
информации можно передать, но при этом уменьшается помехозащищённость. Для
повышения помехозащищённости можно увеличить мощность сигналов.
1
Рис. 3.4.1. а) цифровой сигнал, б) несущая частота, в) амплитудная модуляция,
г) частотная модуляция, д) фазовая модуляция.
В случае, когда информационный сигнал является дискретным, то говорят о
манипуляции, а не о модуляции. Хотя, строго говоря, в реальных изделиях
манипуляции не бывает, так как для сокращения занимаемой полосы частот
манипуляция производится не прямоугольным импульсом, а колоколообразным
(приподнятым косинусом и др.). Будем считать понятия «модуляция» и
«манипуляция» равнозначными. Вид модуляции выбирается исходя из
характеристик каналов связи.
Амплитудная модуляция (АМ). При АМ несущей двоичным сигналом
получается колебание несущей частоты, амплитуда которого принимает одно из
двух значений, соответствующих 0 и 1. При модуляции биполярными импульсами
изменяется и фаза сигнала на противоположную – получаем разновидность фазовой
модуляции (ФМ). В системах широкополосного доступа xDSL наряду с различными
реализациями квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) широко используется
2
многоуровневая амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) благодаря простоте
реализации и достаточно высокой частотной эффективности. При восьмиуровневой
АИМ переносится 3 бита информации за один такт. Применяются различные
варианты АИМ, до 128 уровневого кодирования (рис. 3.4.2).
Кодовый символ (d1, d2, d3).
100 001
011
111
010
000
000
110
101
4
4
4
4
3
2
4
4
4
1
T = pT
4
4
4
-1
-2
-3
-4
Рис. 3.4.2. Пример восьмиуровневого АИМ-сигнала.
Спектр АМ сигнала содержит несущую и две боковые полосы, повторяющие
форму спектра модулирующего сигнала. Ширина спектра АМ сигнала равна
удвоенному значению верхней частоты модулирующего сигнала. В некоторых
случаях используют сигналы с полным или частичным подавлением несущей, одной
из боковых частот или несущей и боковой полосы одновременно.
В американской системе цифрового телевидения ATSC
используется
многоуровневая амплитудная модуляция с подавленной боковой полосой ОБП, (или
VBS – Vestigial Side-Band ). Для наземного вещания была выбрана 8-и уровневая
модуляция, а для кабельных сетей 16-и уровневая модуляция. Модулирующий
сигнал представляет собой 8-и или 16-и уровневые импульсы, сглаженные
формирующим фильтром. Только половина точек одномерного созвездия
используется для передачи полезной информации, другая половина для
3
корректирующего кодирования. Скорость передачи символов при всех вариантах
VBS практически в два раза шире занимаемой полосы частот.
При частотной модуляции (ЧМ) частота несущего колебания меняется дискретно
в зависимости от значения модулирующего сигнала. На практике находит
применение не только двоичная ЧМ, но также 4-х (рис. 3.4.3) и 8-уровневая ЧМ.
При использовании многоуровневой ЧМ исходная двоичная последовательность
разбивается на соответствующее число бит (2, 3 и т.д.) для определения одной из
возможных частот несущей, передаваемой в данный момент. Каждая несущая несёт
n символов.
Рис. 3.4.3. Четырехуровневая частотная манипуляция.
Большой интерес представляет частотная модуляция с минимальным сдвигом
(ЧММС), при которой фаза манипулированного радиосигнала не имеет скачков при
смене текущего значения несущей частоты. Для этого разнос между частотами
выбирается таким, чтобы за время длительности одного элемента фаза несущей
выше, чем у обычной ЧМ.
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - это гауссовская двухпозиционная
частотная манипуляция с минимальным сдвигом, обладающая двумя
особенностями, одна из которых - "минимальный сдвиг", другая - гауссовская
фильтрация. Обе особенности направлены на сужение полосы частот, занимаемой
GMSK-сигналом. Использование GMSK в системе сотовой радиосвязи GSM
регламентируется стандартом ETSI (Европейский институт стандартов связи).
Модуляция GMSK используется в современных системах цифровой
радиосвязи GSM (DCS, PCS), GPRS и других и обеспечивает высокое качество
передачи в относительно узкой полосе, занимаемой сигналом. GMSK реализуется в
электронных компонентах, выпускаемых фирмами Analog Devices, Texas
Instruments, Infineon Technologies и другими.
Для GMSK обычно используют одну из двух схем модуляции - c управляемым по
частоте генератором (УГ) и квадратурным модулятором, которые в упрощённом
виде показаны на рис. 3.4.4.
4
Рис. 3.4.4. Схемы GMSK модуляторов:
а) управляемого генератора в составе системы ФАПЧ ( 01/N = 0/M);
б) квадратурного модулятора с формирователем сигнала модуляции.
В модуляторе с УГ (рис. 3.4.4а) используется система ФАПЧ,
обеспечивающая высокую стабильность несущей частоты ЧМ сигнала. При этом
собственно модулятором является УГ, а система ФАПЧ обеспечивает получение
несущей, равной 0 = (M/N) 01. M и N - это коэффициенты деления частоты в
делителях ":M" и ":N", а 01 - стабильная частота опорного источника. Делители
используются для точной настройки на требуемую частоту 0. В этом смысле
модулятор по схеме на рис. 3.4.4а является одновременно синтезатором частот типа
"Integer-N".
Модулятор характеризуется передаточной функцией:
Kмод(p) = KУГ/[1 + kФ(p)/p 0],
где KУГ - коэффициент преобразования УГ (с размерностью (рад/с)/В), 0 =
M/KУГKФДKФ - постоянная времени, KФД - коэффициент передачи фазового
детектора ФД, KФ и kФ(p) - постоянный и частотно-зависимый множители
передаточной функции фильтра Ф.
Модулятор обладает свойствами фильтра верхних частот. Это соответствует
используемым кодовым последовательностям модулирующего сигнала (без
постоянной составляющей). Модулятор по схеме рис. 3.4.4а является, по существу,
аналоговым, используемым для манипуляции. Обозначения, приведённые на
рисунке (и на других рисунках), например, cos( 0± )ti, являются упрощёнными и,
строго говоря, соответствуют установившимся значениям частоты посылок (то есть
без учёта переходных процессов, связанных с изменением частоты ± ).
Модулятор GMSK с УГ по схеме на рис. 3.4.4а применяется обычно в
беспроводной телефонии (в системе DECT), а в системе GSM применяется
квадратурный модулятор, схема которого приведена на рис. 3.4.4б. Собственно
квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источниками cos 0ti
и sin 0ti и вычитатель на выходе. На вход перемножителей поступают две
составляющие квадратурного сигнала cos(± )ti и sin(± )ti, формируемые обычно в
5
DSP. При этом, если модулятор аналоговый, на выходе DSP используют ЦАП.
Квадратурный модулятор может быть цифровым и иметь ЦАП на своём выходе. На
рис. 3.4.4б показаны эквивалентные цепи DSP - гауссовский фильтр ГФ, интегратор
dt и элементы тригонометрических функций "cos" и "sin". На вход поступает
нефильтрованная последовательность положительных и отрицательных значений
"± ", соответствующая "1" и "0" модулирующего кода. Указанная
последовательность фильтруется в ГФ. Её фронты сглажены, а частотный спектр,
соответственно, сужен.
На рис. 3.4.5 приведены схемы квадратурных модуляторов, совмещённых с
повышающим преобразователем частоты: 0 = 01 + 02, где 0 - несущая ВЧ, 01 несущая на выходе модулятора, определяемая частотой первого гетеродина, 02 частота второго гетеродина. Показанные на входе cos ti и ±sin ti, которые более
наглядны, соответствуют cos(± )ti и sin(± )ti на рис. 3.4.4б (при = ). Схема
устройства
на
рис.
3.4.5а
проще,
чем
на
рис. 3.4.5б, и содержит последовательно включённые модулятор и преобразователь
частоты. Преобразователь построен с использованием системы ФАПЧ и
дополнительно содержит смеситель (перемножитель) и фильтр Ф2. Фильтр
пропускает составляющие с несущей 01, равной разности 0 – 02, и подавляет
составляющие с 0 + 02. Фильтр Ф2 не является обязательным, если, например,
смеситель выполнен по балансной схеме.
Рис. 3.4.5. Преобразователи частоты:
с модулятором на входе (а);
со встроенным модулятором (б) ( = , 01 =
6
0
–
02).
Передаточная функция преобразователя на рис. 3.4.5а является функцией фильтра
нижних частот:
Kпр(p) = 1/{1 + p[ 0/KФ1(p) – зад2]},
где KФ1(p) - частотно-зависимый множитель функции фильтра Ф1, а зад2 = - 2/ временная задержка, вносимая фильтром Ф2 (на рабочем участке его ФЧХ).
Влияние Ф2 на передаточную функцию видно из
Kпр(p)=1/[1+p( 0 – зад2)+p2 0 Ф1]
- функции системы 2-го порядка с KФ1(p) = 1/(1+p Ф1). Действие зад2 эквивалентно
уменьшению 0 при соответствующем увеличении Ф1 (при 0 Ф1 = const) и может
быть компенсировано увеличением 0 при уменьшении Ф1.
На рис. 3.4.5б показана более сложная схема совмещённого модуляторапреобразователя, известного как модулятор передатчика с виртуальной
промежуточной частотой и используемого в новых разработках фирмы Analog
Devices. В рассматриваемом устройстве модулятор встроен в систему ФАПЧ вместе
с преобразователем. На выходе модулятора - сумматор, а выходной частотой
модулятора является 01, которая равна частоте опорного колебания первого
гетеродина, подаваемого на внешний вход ФД. На выходе преобразователя будут
манипулируемые значения частоты 0 ± , где 0 = 01 + 02, 02 - частота второго
гетеродина, а манипуляция частоты ±
определяется входным сигналом
модулятора ( = ).
Модуляция GMSK применяется, прежде всего, в широко распространённой и
зарекомендовавшей себя цифровой системе мобильной сотовой радиосвязи GSM900 (Global System for Mobile Communications), в более высокочастотных её
вариантах - европейском DCS-1800 (GSM-1800) и северо-американском PCS-1900
(GSM-1900), а также в новой системе GPRS (General Packet Radio Service).
В получившей широкое развитие цифровой системе радиодоступа DECT
используется гауссовская частотная манипуляция GFSK (Gaussian Frequency
Keying), родственная гауссовской частотной модуляции с минимальным сдвигом.
Произведение ВТ (bandwidth-bi period) равно 0,5. Номинальная девиация несущей
частоты Fc
f = 288 кГц. Двоичная «1» приводит к пиковой девиации Fc + f ,
двоичный «0» к девиации Fc – f.
Фазовая модуляция (ФМ) — модуляция, при которой фаза несущего
колебания управляется информационным сигналом. Фазомодулированный сигнал
s(t) имеет следующий вид:
,
где g(t) — огибающая сигнала;
является модулирующим сигналом;
fc — частота несущей; t — время.
Фазовая модуляция, не связанная с начальной фазой несущего сигнала,
называется относительной фазовой модуляцией (ОФМ). По характеристикам
фазовая модуляция близка к частотной модуляции. В случае синусоидального
модулирующего (информационного) сигнала, результаты частотной и фазовой
модуляции совпадают.
При цифровой фазовой модуляции (ФМ) фаза переносчика может отличаться
от текущей фазы немодулированного колебания на конечное число разных
7
значений. В случае двоичной фазовой манипуляции (ФМ-2) в качестве таких
значений выбирают 00 и 1800 (BPSK). В современных системах связи часто
используют большие наборы фазовых углов, чтобы в одном канальном символе
передать сразу несколько битов данных. Для передачи возможных
последовательностей из двух битов можно использовать четыре разных фазовых
угла: 450 ,1350 ,-450 ,-1350 (ФМ-4 или QPSK - quadrature phase shift keying)
(рис. 1.6). Возможные значения трёхбитового слова можно представить группой из 8
разных углов (ФМ-8), четырёхбитового слова - группой из 16 фазовых углов (ФМ16) и т.д.
Рис. 3.4.6. Векторная диаграмма BPSK и QPSK сигналов.
При увеличении количества возможных двоичных последовательностей М
возрастает спектральная эффективность. Но с другой стороны, с увеличением М
происходит сближение сигнальных точек. Для поддержания на прежнем уровне
вероятности ошибки приходится увеличивать энергию сигналов.
Формирующие фильтры позволяют обеспечить передачу BPSK сигнала со
скоростью 1 бит/с на 1 Гц полосы сигнала при исключении межсимвольной
интерференции на приемной стороне. Однако такие фильтры нереализуемы,
поэтому на практике применяют формирующие фильтры, обеспечивающие 0.5 бит/c
на 1 Гц полосы сигнала. В случае с QPSK скорость передачи информации вдвое
больше символьной скорости, тогда использование формирующих фильтров дает
нам возможность передавать 1 бит/с цифровой информации на 1 Гц полосы при
использовании фильтра с АЧХ вида приподнятого косинуса.
В европейском стандарте цифрового телевидения DVB-T для передачи пилотсигналов TPS (Transmission Parameter Signaling – передача канальных параметров)
используется значительно более устойчивая дифференциальная ФМ-2 (BPSK). Для
модуляции данных в стандарте предусмотрена возможность использования одного
из трёх видов модуляции: ФМ-4, КАМ-16, КАМ-64.
8
Рис. 3.4.7. Двоичная фазовая модуляция (BPSK).
В 2004 г. появился стандарт спутникового вещания, именуемый DVB-S2,
который явился модификацией ранее существовавшего стандарта DVB-DSNG,
предусматривающего максимально возможную совместимость с системой
цифрового спутникового вещания DVB-S. Для придания большей универсальности
применения и повышения эффективности при работе по каналам с достаточным
энергетическим запасом в технические нормы на системы первичного
распределения добавлены опции режимов передачи, основанные на модуляции типа
8 PSK и 16 QAM.
Новый стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможные схемы
модуляции (рис. 3.4.8). Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для
использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают в
режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по
амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK,
ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые
наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим
работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры
(LNВ), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Эти
схемы модуляции можно использовать и в системах вещания, но в этом случае
каналообразующее оборудование должно поддерживать сложные варианты
предыскажений, а на приемной стороне должен быть обеспечен более высокий
уровень отношения сигнал/шум.
Символы внутри сигнального поля APSK модулированного сигнала
размещены по окружностям. Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в
плане передачи амплитуды символа и позволяет использовать ретрансляторы в
режимах, близких к точке насыщения.
Обратим внимание на то, что, по сравнению с QPSK, верхняя схема
модуляции, 32 APSK, позволяет повысить общую скорость потока в 2,5 раза.
9
Рис. 3.4.8. Возможные схемы модуляции DVB-S2.
Одновременно с введением более высоких уровней модуляции стандарт
DVB-S2 предусматривает возможность применения двух дополнительных
коэффициентов скругления alphа (α). К используемому в DVB-S α = 0,35, в новом
стандарте добавлены коэффициенты α = 0,20 и α = 0,25. Новые, более низкие
значения коэффициентов обеспечивают большую крутизну импульсов, что
позволяет использовать спектр более эффективно. С другой стороны, снижение α
способствует повышению нелинейных искажений, что особенно сказывается при
передаче одной несущей на транспондер. Поэтому конкретное значение
коэффициента выбирается с учетом всех параметров передачи.
Гибкость формирования канала была достигнута теми же методами, что и
эффективность использования спектра методами, а также за счет введения режимов
VCM (Variable Coding and Modulation) и АСМ (Adaptive Coding and Modulation).
Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг,
передаваемый в одном канале, а второй - дополнительную возможность адаптации
транспортных параметров к текущим условиям приема услуги.
По сравнению с DVB-S, новый стандарт DVB-S2 обеспечивает повышение
скорости передачи полезной информации на 20-35% или при той же эффективности
использования спектра дает запас по уровню сигнала в 2-2,5 dB.
На рис. 3.4.9 показаны варианты полезной скорости, достигаемые при разных
конфигурациях системы, а также полезные скорости сигналов стандартов DVB-S и
DVB-DSNG.
10
Рис. 3.4.9. Варианты полезной скорости, достигаемые при разных
конфигурациях системы.
Большинство эффективных механизмов, заложенных в DVB-S2, оказались
несовместимыми со старыми стандартами. Потому, для выполнения требования
совместимости вниз, разработчики ввели в стандарт два режима. Один –
совместимый вниз, но менее эффективный, а другой, использующий все новые
возможности, но не позволяющий использовать приемники стандарта DVB-S.
Первый стандарт DVB-S2 рекомендуется для предоставления традиционных услуг,
на период миграции к новому стандарту, а второй – для применения в
профессиональных сетях и для передачи новых услуг, которые невозможно принять
старыми приемниками.
3.4.2. Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK).
Четырёхпозиционная фазовая модуляция ФМ-4 в соответствии с методом
формирования сигнала
также называется квадратурной модуляцией QPSK
(Quadrature PSK). QPSK является компромиссом между скоростью передачи и
помехоустойчивостью и поэтому она получила широкое применение.
Основным видом модуляции в стандарте спутникового цифрового
телевидения принята ФМ-4 (QPSK), в отдельных случаях при ограниченном
частотном ресурсе могут использоваться ФМ-8 и даже КАМ-16 (перевозимые
репортажные станции).
11
Рис. 3.4.10. Спектр QPSK сигнала.
Для осуществления четырёхпозиционной фазовой модуляции входной
цифровой поток разбивается на два параллельных цифровых потока (рис. 3.4.11),
которые обеспечивают 4 различных состояний, а длительность модулирующего
символа становится в два раза больше. При этом тактовая частота модулирующего
сигнала уменьшается в 2 раза. Соответственно и полоса модулирующего сигнала
уменьшается вдвое. На рис. 3.4.10 показан спектр BPSK
и спектр QPSK
сигналов при
и несущей частоте 100 кГц. Можно
заметить, что ширина главного лепестка, а также боковых лепестков QPSK сигнала
вдвое меньше, чем у BPSK сигнала при одной скорости передачи информации. Это
обусловлено тем, что символьная скорость
QPSK сигнала вдвое меньше скорости
передачи информации
, в то время как символьная скорость BPSK равна
скорости передачи информации. Уровни боковых лепестков QPSK и BPSK равны.
При М больше двух для модуляции используется синфазная P и Q
квадратурная составляющие модулирующего сигнала (рис. 3.4.11).
12
Рис. 3.4.11. Синфазная и квадратурная составляющие QPSK сигнала.
Устройство, выполняющее такое кодирование
QPSK, условно показано на рисунке 3.4.12.
и
согласно созвездию
Рис. 3.4.12. Устройство кодирования синфазной и квадратурной
составляющих на основе созвездия QPSK.
В зависимость от пары бит
на входе, на выходе получаем постоянные в
пределах длительности этой пары бит сигналы
зависит от передаваемой информации.
13
и
, значение которых
Структурная схема QPSK модулятора.
Структурная схема QPSK модулятора на основе универсального квадратурного
модулятора показана на рис. 3.4.13.
Рис. 3.4.13. Структурная схема QPSK модулятора.
Сигнал
имеет вид:
.
Синфазная
и квадратурная
составляющие это реальная и мнимая
части комплексной огибающей QPSK сигнала
являются входными сигналами квадратурного
представить
модулятора.
через его комплексную огибающую
, которые
Тогда можно
:
Из комплексной огибающей можно выделить фазовую огибающую как:
.
Важно отметить, что арктангенс должен вычисляться с учетом четверти
комплексной плоскости (функции арктангенс 2). Вид фазовой огибающей
информационного потока «1100101101100001» показан на рис. 3.4.14.
14
для
Рис. 3.4.14. Фазовая огибающая QPSK сигнала.
Фазовая огибающая представляет собой ступенчатую функцию времени,
претерпевающую разрывы в моменты смены символа QPSK (напомним, что один
символ QPSK несет два бита информации). При этом в пределах одного символа
векторная диаграмма QPSK находится всегда в одной точке созвездия, как это
показано внизу, а при смене символа – скачкообразно переходит в точку
соответствующую следующему символу. Поскольку у QPSK всего четыре точки в
созвездии, то фазовая огибающая может принимать всего четыре значения:
и
.
Амплитудная огибающая QPSK сигнала
комплексной огибающей
также может быть получена из
:
Отметим, что амплитудная огибающая QPSK сигнала равна единице всюду,
за исключением моментов смены передаваемых символов, т. е. в моменты перескока
фазы и перехода очередной точке созвездия.
Пример осциллограммы QPSK сигнала при входном битовом потоке
«1100101101100001» при скорости передачи информации
несущей частоте 20 кГц показан на рис. 3.4.15.
15
и
Рис. 3.4.15. Осциллограмма QPSK сигнала.
Обратим внимание, что фаза несущего колебания может принимать четыре
значения:
и
радиан. При этом фаза следующего символа
относительно предыдущего может не измениться, или измениться на
радиан.
Также
отметим,
что
при
скорости
передачи
мы имеем символьную скорость
или на
информации
, и
длительность одного символа
, что отчетливо видно на
осциллограмме (скачок фазы происходит через 0.2 мс).
В случае с QPSK скорость передачи
информации вдвое больше
символьной скорости
, тогда использование формирующих фильтров дает нам
возможность передавать 0.5 символа в секунду на 1 Гц полосы, или 1 бит/с
цифровой информации на 1 Гц полосы при использовании фильтра с АЧХ вида
приподнятого косинуса. Мы говорили, что импульсная характеристика
формирующего фильтра Найквиста зависит от параметра
и имеет
вид:
На рис. 3.4.16 показаны спектры
и
формирующих фильтров Найквиста с параметром
16
при использовании
.
Рис. 3.4.16. Спектр QPSK сигнала с формирующим фильтром Найквиста.
На рис. 3.4.16 черным показан спектр QPSK сигнала без использования
формирующего фильтра. Видно, что применение фильтра Найквиста позволяет
полностью подавить боковые лепестки в спектре QPSK сигналов. Структурная
схема QPSK модулятора при использовании формирующего фильтра показана на
рис. 3.4.17.
Рис. 3.4.17. Структурная схема QPSK модулятора с формирующим фильтром.
17
Рис. 3.4.18. Графики, поясняющие работу QPSK модулятора.
Импульсы тактового генератора стробируют
ключей и тогда получаем отсчеты
и
которые возбуждают формирующий
характеристикой
и
при помощи
, показанные на двух нижних графиках,
фильтр интерполятор с импульсной
и на выходе имеем синфазную
и квадратурную
составляющие комплексной огибающей, которые подаются на универсальный
квадратурный модулятор. На выходе модулятора получаем QPSK сигнал с
подавлением боковых лепестков спектра (рис. 3.4.18).
18
Обратим внимание, что синфазная
и квадратурная
составляющие
становятся непрерывными функциями времени, в результате вектор комплексной
огибающей QPSK уже не находится в точках созвездия, перескакивая во время
смены символа, а непрерывно движется комплексной плоскости как это показано на
рис. 3.4.19 при использовании фильтра приподнятого косинуса с различными
параметрами
.
Рис. 3.4.19. Траектории движения вектора комплексной огибающей QPSK сигнала
при различных параметрах формирующего фильтра Найквиста.
На верхнем левом графике показана векторная диаграмма при отсутствии
формирующего фильтра при скачкообразном перемещении вектора комплексной
огибающей. Если включить фильтр Найквиста, то при уменьшении
векторная
диаграмма превращается в «клубок». При
получаем наилучшее приближение
к идеальной диаграмме.
При непрерывном движении вектора комплексной огибающей его амплитуда
начинает меняться во времени, значит у QPSK сигнала, при использовании
формирующего
фильтра,
начинает
меняться
амплитудная
огибающая
19
, что наглядно демонстрируется осциллограммой QPSK
сигнала, показанной на рис. 3.4.20.
Рис. 3.4.20. Осциллограмма QPSK сигнала при использовании
формирующего фильтра Найквиста.
Видно,
что
фильтр
Найквиста
приводит
к
появлению
амплитудной модуляции. При этом в точках, где и синфазная
паразитной
и квадратурная
составляющие комплексной огибающей равны нулю, амплитуда
QPSK
сигнала также падает до нуля, и фаза поворачивается на
радиан. Глубокая
амплитудная модуляция это негативный эффект, который можно устранить с
помощью офсетной QPSK (OQPSK) модуляции. Важно отметить, что при
непрерывных
и
фазовая огибающая также становится непрерывной
функцией времени и перестает меняться скачкообразно а плавно перетекает от
символа к символу, что и приводит к сужению спектра QPSК сигнала при
использовании формирующего фильтра.
При одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с 10 на 01,
или с 00 на 11) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180°. Такие скачки
фазы, также имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции (ФМ-2),
вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате
этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы
огибающей сигнала до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку
приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.
Четырехфазная ФМ со сдвигом (OQPSK - Offset QPSK) (рис. 3.4.21)
позволяет избежать скачков фазы на 180° и, следовательно, глубокой модуляции
огибающей. Формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и
в модуляторе ФМ-4, за исключением того, что манипуляционные элементы
информационной последовательности x(t) и y(t) смещены во времени на
20
длительность одного элемента Т, как показано на рис. 3.4.21, б, в. Изменение фазы
при таком смещении модулирующих потоков определяется лишь одним элементом
последовательности, а не двумя, как при ФМ-4. В результате скачки фазы на 180°
отсутствуют, так как каждый элемент последовательности, поступающий на вход
модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы
на 0°, +90° или -90°.
Рис. 3.4.21. Формирование сигналов OQPSK.
Для сигнала характерна взаимная независимость многоуровневых
манипулирующих импульсов x(t), y(t) в каналах, т.е. единичному уровню в одном
канале может соответствовать единичный или нулевой уровень в другом канале. В
результате выходной сигнал квадратурной схемы изменяется не только по фазе, но и
по амплитуде. Поскольку в каждом канале осуществляется амплитудная
манипуляция, этот вид модуляции называют квадратурной манипуляцией с
изменением амплитуды (QASK — Quadrature Amplitude Shift Keying) или просто
квадратурной амплитудной модуляцией — КАМ.
3.4.3. Квадратурная амплитудная модуляция.
При квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM – Quadrature
Amplitude Modulation) изменяется как фаза, так и амплитуда несущего сигнала. Это
позволяет увеличить количество кодируемых в единицу времени бит и при этом
существенно повысить помехоустойчивость их передачи по каналу связи. В
настоящее время число кодируемых информационных бит на одном интервале
может достигать 8-9, а число позиций сигнала (возможных комбинаций единиц и
нулей) в сигнальном пространстве – 256…512.
Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно
универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в
выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих –
синусоидальной и косинусоидальной:
S (t )  x(t ) sin( t   )  y (t ) cos(t   ) ,
где x(t) и y(t) – биполярные дискретные величины.
21
Рис. 3.4.22. Векторная диаграмма возможных состояний
сигнала при QAM-16 ( = 1).
Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал КАМ можно
изобразить вектором в сигнальном пространстве. Отмечая только концы векторов,
для сигналов КАМ получаем изображение в виде сигнальной точки, координаты
которой определяются значениями x(t) и y(t). Совокупность сигнальных точек
образует так называемое сигнальное созвездие (signal constellation). На рис. 3.4.23
показана структурная схема модулятора и демодулятора для случая, когда x( t) и y(t)
принимают значения ±1, ±3. Величины ±1, ±3 определяют уровни модуляции и
имеют относительный характер. Созвездие содержит 16 сигнальных точек, каждая
из которых соответствует четырем передаваемым информационным битам. В
модуляции типа QAM-16 несущая может иметь три значения амплитуды и 12
значений фазы, причем каждой позиции сигнального вектора соответствует
четырехразрядный символ, состоящий из двоичных импульсов (рис. 3.4.22). При
формировании подобных символов используется код Грея, поэтому соседние
символы отличаются значением бита только в одном разряде, что минимизирует
вероятность ошибки на символ.
22
Рис. 3.4.23. Модулятор-демодулятор КАМ.
Существует несколько способов практической реализации 4-х уровневой
КАМ, наиболее распространенным из которых является так называемый способ
модуляции наложением (SPM — Supersposed Modulation). В схеме, реализующей
данный способ, используются два одинаковых 4-х фазных модулятора. Структурная
схема модулятора SPM и диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис.
3.4.24.
Из теории связи известно, что при равном числе точек в сигнальном
созвездии спектр сигналов КАМ идентичен спектру сигналов ФМ. Однако
помехоустойчивость систем ФМ и КАМ различна. При большом числе точек
сигналы системы КАМ имеют лучшие характеристики, чем системы ФМ. Основная
причина этого состоит в том, что расстояние между сигнальными точками в системе
ФМ меньше расстояния между сигнальными точками в системе КАМ. На рис. 3.4.26
представлены сигнальные созвездия систем КАМ-16 и ФМ-16 при одинаковой
мощности сигнала.
С точки зрения помехоустойчивости важно сохранить достаточно большим
минимальное расстояние между двумя соседними точками в фазово-амплитудном
пространстве. Доказано, что это условие выполняется при размещении сигнальных
точек в узлах квадратной решетки.
Для примера рассмотрим принцип построения квадратурного модулятора
QAM-16 (рис. 3.4.25). Входной поток данных вначале подвергается необходимой
цифровой обработке в процессоре данных. Так как модуляция QAM-16
обеспечивает удельную скорость передачи 4 (бит/с)/Гц, то для последующей
модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разделяется на четыре
подпотока с соответственно сниженными скоростями. Затем производится цифроаналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один четырехуровневый
с одновременным формированием их спектра в ЦТФ, где импульсам придается
23
сглаженная форма. Четырехуровневые сигналы в каналах I и Q управляют
работой балансных модуляторов, выходные сигналы которых складываются,
образуя сигнал QAM-16 с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные
модуляторы несущая поступает со сдвигом /2, т.е. в квадратуре. Выходной
сигнал модулятора на промежуточной частоте несущей проходит через полосовой
фильтр, ограничивающий внеполосные излучения, и может быть конвертирован в
полосу любого вещательного канала.
Рис. 3.4.24. Схема модулятора КАМ-16.
В демодуляторе имеется аналогичная пара балансных модуляторов и блоки
обратного преобразования из четырехуровневых в двоичные сигналы с
последующей обработкой данных.
Рис. 3.4.25. Возможная структурная схема модулятора QAM-16.
24
Рис. 3.4.26. Сигнальные созвездия КАМ 16 и ФМ-16.
Кроме модуляции типа QAM-16 в системах цифрового телевидения широко
используется QAM-64. В данном случае числа в обозначениях типа модуляции
означают количество вариантов суммарного сигнала. Например, в модуляции QAM64 несущая частота может иметь 9 значений амплитуды и 48 значений фазы (рис.
3.4.27). Учитывая относительно высокое отношение сигнал-шум, в системе
кабельного телевидения DVB-C используется квадратурная амплитудная модуляция
от КАМ-16 до КАМ-256.
Рис. 3.4.27. Диаграмма созвездий 64-QAM.
Анализ ошибок модуляции сигнала.
25
При наличии нелинейных и фазовых искажений, помех и шумов канала
возникают переходные помехи между квадратурными каналами. Сигнальные
созвездия при этом размываются, то есть в каждом такте точка созвездия имеет
случайные координаты (рис. 3.4.28). MER (Modulation Error Ratio) - коэффициент
ошибок модуляции) представляет меру, показывающую насколько фактическое
значение комплексной амплитуды несущей спектра сигнала OFDM, отличается от ее
номинального значения. На звездной диаграмме (рис. 3.4.29), обозначено
номинальное положение комплексной амплитуды одной из несущих (для простоты
выбрана QPSK модуляция) и её фактическое положение. В общем случае они не
совпадают из-за нелинейных искажений амплитуды и фазы в усилительном тракте,
и из-за внесения шума преобразования в модуляторе.
Рис. 3.4.28. Форма 16-QAM созвездий при наличии помех при сдвиге частоты 25 Гц:
а) нет дополнительных помех, кроме ухода частоты,
б) добавляется влияние гауссовой помехи с отношением сигнал/шум 16 дБ.
Показан вектор сигнала ошибки между номинальным и фактическим
значением комплексной амплитуды данной несущей. Усредняя значения MER для
каждой несущей, вычисляется интегральное значение MER. На экране прибора это
выглядит следующим образом, чем меньше облако из точек (рис. 3.4.30 -3.4.31), чем
более точно они попадают в центр сектора, тем меньше ошибка каждой отдельной
несущей и соответственно меньше среднеквадратичная ошибка по всем несущим.
Четыре точки на оси I являются маркерными.
26
Рис. 3.4.29. Возникновение ошибки при QPSK-модуляции.
Следовательно, коэффициент ошибок модуляции MER можно определить по
следующему выражению:
 J 2  Q 2 
n
MER  10log
i 1
n
  dJ
2
 dQ
2

,
i 1
где i – число символов OFDM в кадре.
Суммирование ведется по количеству символов в кадре DVB-T. Усредняя
значение MER для каждой несущей, вычисляется интегральное значение MER.
Рис. 3.4.30. MER=35 дБ.
27
Рис. 3.4.31. MER=28 дБ.
На рис. 3.4.30 и 3.4.31 показаны осциллограммы сигналов с разными значениями
МЕR.
Иерархический режим.
Иерархический режим нужен для одновременной передачи двух
транспортных потоков. Например, один транспортный поток предназначен для
мобильных телевизоров. В этом случае требуется достаточно низкая скорость
передачи и используется самый помехоустойчивый режим - QPSK. Второй
транспортный поток предназначен для стационарного приема и имеет больше
скорость, но значительно меньше помехоустойчивость.
При иерархической передаче применяется неоднородная квадратурная
модуляция. Особенности иерархической передачи (16-QAM) иллюстрируют
диаграммы рис. 3.4.32. Каждая точка диаграммы определяется четырьмя битами, из
которых y0,q' и y1,q' являются битами высшего приоритета, а y2,q' и y3,q' – низшего
(рис. 3.4.33). Как видно, четыре явно выраженные групп по четыре точки
характеризуются одинаковыми битами высшего приоритета. Расположение точек
векторной диаграммы зависит от параметра модуляции, обозначаемого в системе
DVB-T буквой α. Этот параметр равен отношению расстояния между соседними
точками в двух разных квадрантах к расстоянию между точками водном квадранте.
Стандарт DVB-T предусматривает три значения параметра. При использовании
однородной модуляции параметр устанавливается равным 1, в случае
неоднородной: a=2 или a=4. В этом случае по высокому приоритету передается
информация 00. По низкому приоритету передается информация 10. Информация,
передаваемая с высоким и низким приоритетом, может различаться. Транспортный
поток, передаваемый с высоким приоритетом, обязательно будет иметь модуляцию
QPSK. Максимальная скорость передачи по высокому приоритету составляет 10,56
28
MB/c, максимальная скорость передачи по низкому приоритету составляет 21,11
MB/c.
Рис. 3.4.32. Иерархический режим.
29
Рис. 3.4.33. Биты низшего и высшего порядка при иерархическом
режиме модуляции (16-QAM  = 4).
Поворот сигнального созвездия.
В стандарте
DVB-Т2 используется новаторская техника поворота
сигнального созвездия на определенный круговой угол, позволяющая улучшить
помехоустойчивость системы. В таблице 1 приведены значения угла поворота
созвездия в зависимости от типа модуляции.
Таблица 3.4.1. Значения угла поворота созвездия для различных типов модуляции.
Тип модуляции
QPSK
16 QAM 64 QAM 256 QAM
Угол поворота созвездия
29°
16,8°
8,6°
arctg(1/16)
Такой поворот может существенно повысить устойчивость сигнала при
типичных проблемах эфира. Каждый вектор такого созвездия приобретает свои
индивидуальные координаты I и Q. Соответственно в случае потери информации об
одной из координат ее можно будет восстановить. В результате перемежения
компоненты I и Q передаются раздельно, что уменьшает вероятность их
одновременной потери. В системе DVB-T каждая координата встречается несколько
раз, поэтому в случае потери информации об одной из них определить, к какому
квадранту относится точка, затруднительно. Принцип показан на рис. 3.4.34. Каждая
координата точки обрабатывается в модуляторе отдельно, и они передаются в
OFDM-сигнале отдельно друг от друга, замешиваясь с u2 и u1 другого символа (то
есть u2 и u1 могут передаваться на разных OFDM-несущих и в разных OFDMсимволах). В приемнике u2 и u1 опять объединяются, формируя исходное
сигнальное созвездие, сдвинутое по кругу. Таким образом, если одна несущая или
символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о
30
другой координате, это позволит восстановить символ, хотя и с более низким
уровнем сигнал/шум. При использовании симметричного (не повернутого)
сигнального созвездия разнесение u2 и u1 смысла не имеет потому, что символ
может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в
отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание. Новый метод
обеспечивает существенный прирост устойчивости в сложных эфирных условиях.
Тестовая имитация показала, что выигрыш в отношении сигнал/шум (С/N) за счет
применением этой техники может доходить до 5 и более дБ (рис. 3.4.25, 3.4.35).
Рис. 3.4.34. Поворот сигнального созвездия.
Рис. 3.4.35. Сравнение характеристик помехоустойчивости
при повернутом/ не повернутом созвездии.
31
3.4.4. Ортогональная частотная модуляция (OFDM).
Ортогональная частотная модуляция потребовалась для высокоскоростной
передачи сигналов в условиях городской застройки для борьбы с многолучёвостью.
Разность фаз из-за интерференции прямого и отражённого сигналов может меняться
от 0 до 180 градусов, результирующий сигнал может быть равным нулю. Выбором
числа подканалов можно добиться, чтобы сигналы суммировались в фазе и
замирания отсутствовали. Число каналов определяется максимальной разностью
хода и допустимой разностью фаз (3…5 гр.). В системах наземного цифрового
радиовещания Т-DAB, DRM, телевидения DVB-T , DVB-MC, DVB-MS, DVB-H
существуют наиболее тяжёлые условия приёма сигнала, особенно при приёме на
подвижных объектах. Для достижения необходимого качества приёма используется
многочастотный способ передачи OFDM (Orthoganal Frequency Multiplex
ортоганальное частотное разделение мультиплекса). Моделирование на
компьютерах и натурные испытания показали, что восприимчивость к помехам тот
сигналов PAL и SECAM у OFDM примерно на 10 Дб ниже, чем у одночастотной
сисстемы. Стандарты широкополосных систем радиодоступа 4 поколения 802.11 и
802.16 (Wi-Fi, WiMAX ) и системы сотовой связи (UMTS, SC-CDMA, MC-CDMA,
LTE) также основаны на применении OFDM.
При использовании модуляции типа OFDM поток данных передается с
помощью большого числа несущих. Как и при квадратурной модуляции, способ
OFDM использует ортогональные несущие. Но, в отличие от квадратурной
модуляции, частоты этих несущих не являются одинаковыми, они расположены в
некотором диапазоне частот, отведенном для передачи данных путем модуляции и
кратны некоторой основной частоте, в данном случае f . На практике частоты
несущих соответствуют уравнению:
U (t) = U0cos[2π (f0+ n/TS)t],
где f0 - начало интервала, в котором производится частотное уплотнение;
n - номер несущей, находящийся в диапазоне от 0 до (N-1);
ТS - длительность интервала передачи одного символа.
Анализ данного выражения подтверждает, что несущие действительно
являются ортогональными, т.е. их среднее (по времени) произведение равно нулю.
Это означает возможность их разделения на приеме даже при частичном
перекрытии их боковых полос. Схема, иллюстрирующая принцип модуляции типа
OFDM, приведена на рис. 3.4.36, а спектр сигнала OFDM – на рис. 3.4.38 и 3.4.39
Сначала последовательный поток передаваемых данных демультиплексируется, т.е.
разделяется на большое число (N) параллельных потоков, трансформируясь в
параллельную форму. Каждый из параллельных сигналов поступает на свой
модулятор, в котором одна из ортогональных несущих подвергается модуляции
какого-либо типа. Например, в качестве первичного метода модуляции отдельных
несущих, могут использоваться дифференциальная относительная фазовая
модуляция (ДОФМ) и квадратурная амплитудная модуляция типа 16-QAM или 64QAM, а также QPSK. Таким образом, каждая несущая переносит поток данных,
уменьшенный в число раз, равное количеству несущих N. После сложения
32
модулированных ортогональных колебаний формируется результирующих сигнал
OFDM.
Рис. 3.4.36. Функциональная схема устройства модуляции типа OFDM.
Даже в условиях сравнительно небольшой скорости потока данных,
переносимого каждой несущей, возможны межсимвольные искажения, бороться с
которыми позволяет защитный интервал перед каждым передаваемым символом.
Причем, структура и заполнение защитного интервала,
должны сохранить
ортогональность принимаемых несущих. Поэтому защитный интервал - это не
просто пауза между полезными символами, достаточная для угасания сигнала
символа до начала следующего. В защитном интервале передается фрагмент
полезного сигнала, что и гарантирует сохранение ортогональности несущих частот
принятого сигнала. Это обеспечивается только в том случае, если эхо-сигнал при
многолучевом распространении задержан не более, чем на длительность защитного
интервала. Поэтому величина защитного интервала зависит от расстояния между
радиопередатчиками в одночастотных сетях ТВ вещания или от задержки
естественного эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением
частотных каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть
длительность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения
максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен
быть как можно короче. Практически одна четвертая часть от величины полезного
интервала является достаточной оценкой максимального значения длительности
защитного интервала. Предварительные исследования показали, что если
одночастотные сети будут строиться в основном с использованием существующих
радиопередатчиков, то абсолютная величина защитного интервала должна быть
около 250 мкс. Это позволяет создавать большие одночастотные сети регионального
уровня.
Если защитный интервал в 250 мкс составляет четвертую часть полезного
интервала, то длительность самого полезного интервала должна быть установлена
на уровне около 1 мс. Величина шага частот несущих связана с шириной основного
лепестка спектра одного модулированного несущего колебания и определяется
33
величиной, обратной длительности полезного интервала, поэтому расстояние между
соседними несущими будет равно примерно 1 кГц. При ширине полосы частот
канала 8 МГц и шаге 1 кГц число несущих должно быть равно 8000.
Можно задаться вопросом об объеме данных, которые необходимо
передавать с помощью одной несущей. Если он окажется слишком велик, то
потребуется использовать многопозиционные модулирующие сигналы, и
помехозащищенность системы будет невелика. Для передачи данных даже в системе
ТВЧ достаточно скорости потока данных 20 Мбит/с (с учетом применения
компрессии), в этом случае за 1 мс (время одного символа) должно быть передано
20 кбит, что дает меньше 3 битов на одну несущую за время одного символа. Такая
величина может быть реализована с использованием 8-позиционных символов, что
дает довольно высокую степень помехозащищенности. При числе несущих в
несколько тысяч возникает естественный вопрос о практической реализации
функциональной схемы, представленной на рис. 3.4. 4.1. Применение восьми тысяч
синтезаторов несущих колебаний и восьми тысяч модуляторов сделало бы такую
систему передачи очень громоздкой и практически невозможной для реализации. Но
разработки алгоритмов и промышленный выпуск интегральных схем процессоров
быстрого преобразования Фурье позволили решить эту проблему (рис. 3.4.4.2). Ведь
перемножение некоторых коэффициентов на гармонические колебания разных
частот, удовлетворяющих вышеприведенным условиям, и суммирование
полученных произведений представляет собой не что иное, как вычисление
обратного преобразования Фурье (на схеме рис. 3.4.4.2. соответствующий блок
обозначен как ОБПФ - обратное быстрое преобразование Фурье), коэффициентами
для вычисления которого, являются распараллеленные потоки данных. Поскольку
все вычисления производятся в цифровой форме, то на выходе появляется ЦАП.
Демодуляция может быть построена на базе прямого преобразования Фурье (см.
рис. 3.4.4.2, б), где БПФ - устройство быстрого преобразования Фурье. Естественно,
что в этом случае на входе должен стоять АЦП. В большинстве быстрых алгоритмов
Фурье размер массива, подвергающегося преобразованию, кратен целой степени
числа 2. Поэтому можно использовать, например, размер массива N = 8192 = 8k или
N = 2048 = 2k (здесь k = 210 = 1024). На практике число несущих меньше, часть
несущих не используется, поскольку между полосами соседних каналов должен
быть оставлен некоторый зазор. В двух предложенных в настоящее время режимах
используются 6817 и 1705 несущих, но по размерности массива быстрого
преобразования Фурье системы модуляции называются соответственно 8k OFDM и
2k OFDM.
34
Рис. 3.4.37. Функциональные схемы модуляции и демодуляции типа
ОFDM с помощью обратного и прямого преобразований Фурье.
Рис. 3.4.38. Пример формирования OFDM символа
из пятибитовой цифровой последовательности.
Режим 2k пригоден для вещания одиночным передатчиком и для построения
малых одночастотных сетей с ограниченными расстояниями между передатчиками.
Режим 8k применяется в тех случаях, когда необходимо построение больших
одночастотных сетей. В канале связи с шириной полосы 8 МГц система модуляции
OFDM занимает полосу 7,61 МГц, а разнос несущих равен 4464 Гц (режим 2k) или
1116 Гц (режим 8k).
Передаваемый сигнал, модулированный способом OFDM, организован в
кадры. Четыре кадра образуют суперкадр. Каждый кадр состоит из 68 символов,
каждый символ - из 6817 несущих (режим 8k = 8192), из которых часть используется
для синхронизации и управления. Число полезных несущих равно 6048. Для режима
2k = 2048 из 1705 несущих полезными являются 1512. Общая ширина спектра ТВ
35
сигнала в обоих случаях равна 7,61МГц. Скорости передачи не зависят от числа
несущих, так как с уменьшением числа несущих в 4 раза во столько же
увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей.
В стандартах цифрового телевидения DVB-S2 и DVB-T2, эффективность
которых на 30% выше, чем в стандартах DVB-S и DVB-T, используется режим 32 k.
Однако многолучевое распространение радиосигнала в точку приема
(довольно типичное для наземного телевидения) приводит к ослаблению и даже
полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и
задержанного сигналов. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью
обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных. Кодирование
превращает OFDM в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
Почему же COFDM более эффективна в условиях многолучевого приема, чем
система 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.
Рис. 3.4.39. Структура спектра сигнала при OFDM – модуляции.
Однако, если данные передаются с помощью частотного уплотнения, то даже
полное исчезновение сигналов отдельных несущих не является столь важным,
поскольку данные, переносимые этими несущими, могут быть восстановлены за
счет канального кодирования. Контейнер данных COFDM отлично приспособлен к
условиям передачи данных в наземном телевидении благодаря возможности
раздельной обработки сигналов большого числа несущих. Благодаря применению
COFDM возможна организация сетей ТВ вещания с перекрытием частот
передающих станций, работающих на одной частоте. Скорость передачи данных в
канале связи с модуляцией типа COFDM зависит от вида модуляции несущих,
36
установленных значений кодовой скорости и защитного интервала между
символами. Если кодовая скорость находится в пределах от 1/2 до 7/8 (разность
между знаменателем и числителем равна числу добавленных проверочных битов),
то скорость цифровой передачи составляет: при ДОФМ - 4,98 ... 10,56 Мбит/с; при
16-QAM - 9,95 ... 21,11 Мбит/с; при 64-QAM - 14,93 ... 31,67 Мбит/с.
Уменьшение отношения пиковой и средней мощностей передачи.
Значительную долю расходов на передачу составляет стоимость электричества,
питающего передатчики. OFDM-сигналы характеризуются относительно высоким
отношением пиковой и средней мощностей (4-5). Для иллюстрации на рис. 4.5
показан результирующий сигнал от сложения синусоид с частотами х, 2х, 3х, 4х и
5х. В связи с этим в DVB-Т2 включены две технологии, позволяющие снизить это
отношение примерно на 20%. А это, в свою очередь, существенно снижает расходы
на электропитание. Речь о следующих двух технологиях:
• Резервирование тона. В этом случае 1% несущих остается в резерве, не перенося
никаких данных, но может использоваться передатчиком для введения сигналов,
размазывающих пики.
• Активное расширение сигнального созвездия. В этом случае часть крайних точек
созвездия отводится дальше от центра так, что это уменьшает пики сигналов. Так
как изменения касаются только крайних точек, уводимых в область, свободную от
других точек, это не оказывает существенного влияния на способность ресивера
декодировать данные.
Рис. 3.4.40. Формы sin–х сигналов и суммарного сигнала OFDM.
37
При разработке DVB-Т2 проводились сравнения нескольких вариантов
модуляции с одной или множественными несущими. В результатe был выбран
вариант OFDM c защитными интервалами (GI-OFDM), который используется в
DVB-T. В GI-OFDM каждый символ передается на большом количестве
ортогональных несущих, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде. В
частности, DVB-T предусматривает два режима — 2К и 8К. Эти цифры отражают
размерность FFT (быстрого преобразования Фурье), используемого для
формирования сигнала с множественными несущими. Фактическое количество
несущих, используемых для передачи данных, несколько меньше. Для защиты
сигналов (то есть каждой несущей, используемой для передачи данного символа) от
искажения в условиях многолучевого распространения введено дублирование конца
каждого символа в защитном интервале, предшествующем передаче этого символа.
Принцип показан на рис. 3.4.41.
Рис. 3.4.41. Использование защитных интервалов (GI – Guard Interval).
Длина защитного интервала выбирается в зависимости от расчетной
протяженности эфирного тракта и других параметров сети передачи. Более длинные
защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, где сигналы с соседних
передатчиков могут приходить на приемник со значительным запаздыванием
относительно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой
надстройку, съедающую долю транспортного ресурса. В DVB-T эта надстройка
может занимать до 1/4 общего объема передаваемых данных. Для возможности
удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме данных в
DVB-Т2 были введены два новых режима — 16К и 32К с соответствующем
увеличением числа ортогональных несущих. Рис. 3.4.42 иллюстрирует переход к
режиму с большим числом поднесущих. В данном случае абсолютная величина
защитного интервала сохраняется, но его доля в общем объеме снижается.
Рис. 3.4.42. Использование в DVB-T2 более длинных символов
позволяет уменьшить относительную долю защитного интервала
в общем объеме символа.
38
Максимальная длительность защитного интервала в DVB-Т2 достигается в
режиме 32К при отношении GI и длины всего символа 19/128. Длительность GI при
этом превышает 500 мкс, чего вполне достаточно для строительства крупной
общегосударственной одночастотной
сети. Таким образом, Т2 предлагает более
широкий ряд размерностей FFT и защитных интервалов, а именно:
• размерности FFT:
1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K;
• относительная длительность защитных интервалов: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8,
19/128, 1/4.
Как уже отмечалось, в OFDM каждая несущая модулируется по фазе и
амплитуде. Высшая модуляция стандарта DVB-T, 64 QAM, обеспечивает передачу 6
бит одним символом (модулируемым элементом одной несущей). Высшая
модуляция в DVB-Т2 увеличена до 256 QAM, она позволяет передавать одним
символом 8 бит. Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к
ошибкам, обусловленным шумом, тестовая имитация показала, что LDPC FEC
обеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования канала по
сравнению с DVB-T при типовых условиях передачи.
Появившиеся в DVB-Т2 новые режимы — 16К и 32К имеют значительно
более крутой спад внеполосных составляющих, чем режим 2К. Как показано на рис.
4.8, это обстоятельство позволяет размещать несущие ближе к стандартной
спектральной маске, которая накладывается на сигналы DVB-Т в полосе 8 МГц. Это
расширение полосы позволяет передать еще 2% дополнительных данных.
Рис. 3.4.43. Теоретические кривые спектра сигналов DVB-T2
(ширина канала 8 МГц).
39
Рис. 3.4.44. Спектр сигнала DVB-T2
Информация от передатчика DVB-T передается порциями – символами.
Символ – это многочастотный сигнал, у которого во время всей его длительности
(TS) амплитуды и фазы несущих остаются неизменными. Интервал TS состоит из
двух компонентов: интервала TU, во время которого передаются входные данные
передатчика, то есть полезная информация (интервал TU и называется «полезным»),
и защитного интервала TG.
Защитный интервал представляет собой копию, или циклическое повторение
части полезного интервала, которая вставляется перед полезным. Применение
защитного интервала позволяет существенно повысить устойчивость приема в
условиях многолучевого распространения сигнала. Отраженные сигналы, попавшие
в защитный интервал, не вызывают межсимвольной интерференции. Искажения
внутри символа, обусловленные многолучевым распространением радиоволн,
эффективно компенсируются встроенным эквалайзером приемника благодаря
информации, которая содержится в пилот-тонах, передаваемых в OFDM сигнале.
40
Рис. 3.4.45. Выходной сигнал передатчика DVB-T во временной области.
Передаваемый сигнал организуется в виде кадров. Каждый кадр состоит из
68 символов, нумеруемых от 0 до 67. Четыре последовательных кадра образуют
суперкадр.
При выбранной структуре кадра в одном суперкадре всегда содержится целое
число пакетов длиной 204 байта (рандомизированных транспортных пакетов
MPEG-2, снабженных для защиты от ошибок проверочными байтами).
Кроме информационных несущих присутствуют пилотные несущие:
- распределённые пилотные несущие,
- непрерывные несущие,
- пилот сигналы TPS.
Пилотные несущие служат для синхронизации тактовых частот модулятора и
демодулятора, кадровой синхронизации, оценки состояния канала и уровня фазовых
шумов. Пилотные несущие передаются с уровнем в 1,8 раз (примерно на 2,5 дБ по
мощности) выше, чем остальные несущие.
Пилот сигналы TPS передающие канальные параметры, передаются с той же
мощностью, что и информационные, но модулируются более помехоустойчивой
дифференциальной ФМ-2.
41
Рис. 3.4.46.
Рис. 3.4.47. Структура кадра DVB-Т.
Распределенные пилот-сигналы.
В системах OFDM используются распределенные пилот-сигналы. Они
представляют собой модулированные элементы, определенным образом
разнесенные по несущим и во времени. Приемнику известны параметры модуляции
пилот-сигналов, и он может использовать их для оценки состояния канала. В DVB-T
каждый двенадцатый модулированный элемент является пилот-сигналом, то есть
они занимают 8% в общем объеме данных. Эта пропорция используется при любых
вариантах защитных интервалов, и размещения пилот-сигналов должно быть
таковым, чтобы позволить выровнять сигналы с защитным интервалом 1/4. Однако
для меньших защитных интервалов добавка пилот-сигналов в количестве 8%
оказывается избыточной. Поэтому в T2 введены восемь разных вариантов
размещения пилот-сигналов. Каждому варианту относительной длительности
защитного интервала соответствует несколько возможных опций размещения пилотсигналов. Они динамически выбираются в зависимости от текущего состояния
канала, что позволяет оптимизировать их количество. На рис. 3.4.48 показаны два
возможных варианта размещения.
42
Рис. 3.4.48. Типовые варианты расположения пилот-сигналов
и доля образуемой ими надбавки.
Более плотное размещение пилот-сигналов может использоваться для
снижения требуемого уровня сигнал-помеха С/N на входе приемника или для
улучшения синхронизации. В последнем случае пилот-сигналы модулируются
псевдослучайной последовательностью.
Типичным для распространения сигналов в метровом диапазоне является то,
что эти сигналы попадают на приемник несколькими путями, т.е. не прямо, а
обходными путями с запаздыванием по времени. Эти отражения от зданий, гор,
разнообразных движущихся объектов и т.д. интерферируют с прямым сигналом и,
конечно же, друг с другом. Следствием этого являются глубокие провалы
амплитуды поля в точке приема для узких областей частот. Частоты провалов
зависят от места приема (рис. 3.4.4.10). Они приводят к появлению помех, которые
особенно заметны при мобильном приеме, например в автомобиле.
Рис. 3.4.49. Изменение напряжённости поля от частоты.
Узкополосный сигнал может полностью пропадать, в то время как
широкополосный сигнал с OFDM модуляцией может быть принят. В системе
цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting) к каждой относится
несколько несущих частот, которые равномерно распределены на 1536 несущих по
всей полосе 1,54 МГц DAB сигнала и на которые биты звуковых данных
распределяются пучками (рис. 3.4.50). Можно говорить о кодированном
перемежении несущих частот. Если один, или несколько каналов несущих выходит
из строя, то это корректируется в приёмнике за счёт избыточности в передатчике.
43
Для сравнения полоса частот радиоканала передатчика в УКВ-ЧМ диапазонах – 255
кГц для системы с пилот - тоном и 192,5 для системы с полярной модуляцией.
Стандарт цифрового мультимедийного вещания DMB (Digital Multimedia
Broadcasting) – трансформированный стандарт DAB позволяет передавать
цифровые телевизионные и звуковые программы, а также потоки мультимедиа.
Рис. 3.4.50. Передача программ звукового вещания в системе DAB.
Система DAB обеспечивает качественный приём звуковых сигналов, уровни
радиоприёма и характеристики непрерывно и достаточно быстро меняются.
44
3.4.5 Организация интерактивных услуг в системах наземного (terrestrial)
цифрового ТВ вещания
Международный союз электросвязи (МСЭ) определяет интерактивное
телевидение, как предоставление возможности телезрителю реагировать в реальном
или квазиреальном масштабе времени на характер и содержание предоставляемых
услуг путём передачи соответствующих сообщений в центр управления системы
кабельного телевидения, телестудию или другим провайдерам услуг, вовлечённых в
интерактивный процесс. Основное назначение интерактивного (обратного) канала –
«заказ» тех или иных услуг или «голосование по поставленным вопросам.
Предложенная глобальная модель цифровой интерактивной системы вещания
показана на Рис. 3.4.51. Она способствует консолидации международных
исследований в этой области, позволяя использовать особенности различных видов
связи для решения задач массовой многоцелевой интерактивности. Модель
указывает, что сегодня цифровое вещание уже не может рассматриваться со старых
позиций, как только передача информации в виде телевизионной программы и звука
(audio) по однонаправленному каналу. Модуль вещания сегодня есть на всех
телевизионных центрах. Новые подходы к информатизации отражает модуль
мультимедийных служб, который предусматривает совместную работу с Интернет,
телемедициной.
Элементы экологической защиты
Модуль вещания
Пользователи
ТВ программы
Электронные
кинотеатры
Звуковые программы
Internetклубы
Кино
Прочие
информационные
службы
Многоцелевой
цифровой поток в
канале контейнер
Совместимые с
Internet и другие
службы
(телематические
услуги, образование,
медиаметрия,
телемедицина и т.п.)
Модуль мультимедийных служб
Сеть интерактивных каналов
Рис. 3.4.51. Глобальная модель системы интерактивного цифрового вещания
Приемная часть теперь включает не только "традиционных" пользователей, но и
Интернет-клубы, электронные кинотеатры и, самое важное, она содержит
двунаправленный канал, обеспечивающий интерактивность. Модель отражает
конвергенцию вещания, телекоммуникаций и компьютерных технологий. Из
45
большого количества интерактивных услуг подробно рассмотрены две,
представляющие особый интерес для развивающихся стран с точки зрения
обеспечения их населения средствами информатизации - доступ к Интернету и
видео по запросу (video-on-demand).
К числу основных сервисов такой системы относятся:
предоставление доступа к сети Интернет (IP over DVB-T).
подача ТВ программ по запросу абонентов (VOD);
К числу дополнительных услуг относятся:
-выбор источника программы при многоканальной передаче, например, положений
передающей ТВ камеры на спортивных состязаниях;
-передача по запросу расписаний программ вещания и сведений об их содержании;
-управление дополнительной информацией или данными, относящимися к
передаваемой программе, например, вывод субтитров;
-участие в видео- и аудиоконференциях;
-участие в аукционах, опросах и голосовании;
-учет аудитории вещательных программ и других массовых мероприятий,
определение их рейтинга (медиаметрия);
-заказ различного рода билетов;
-электронная коммерция;
-банковские операции на дому;
-дистанционное образование и профессиональная подготовка;
-телемедицина, мониторинг здоровья абонентов, вызов скорой помощи;
-получение справочной информации из различных баз данных;
-сигнализация по обратным каналам о случившихся авариях, срабатывании
охранных датчиков и т.п.;
-телеигры;
-реклама и маркетинг.
Система интерактивного цифрового ТВ вещания включает следующие
функциональные элементы (узлы):
- оборудование для реализации обратного канала;
- система условного доступа (персональное или групповое вещание, защита
от несанкционированного просмотра);
- биллинговая система;
- программно-аппаратное обеспечение STB;
- программно-аппаратное обеспечение оператора вещания сигналов DVB-T.
Полная интерактивность и псевдоинтерактивность
Полная интерактивность – способ соединения, при котором подтверждение
приёма пакета данных поступает в течение текущего сеанса связи, не позже начала
передачи следующего пакета или отстоящего от него на известный промежуток (т.е.
на известное число пакетов). При потере (искажении) пакета данных или
подтверждения приёма пакет высылается вторично. Таким образом, передающей
стороне становится достоверно известно, приняты ли данные правильно.
Псевдоинтерактивность – способ соединения, при котором подтверждение
приёма пакета (группы пакетов) данных поступает в течение одного из следующих
46
сеансов связи, либо не поступает вообще. При потере (искажении) пакета данных
передающая сторона не высылает пакет вторично. Таким образом, передающей
стороне достоверно неизвестно, приняты ли данные правильно. Часть услуг
интерактивного цифрового ТВ вещания требует для своей реализации полной
интерактивности, а для части может быть достаточно псевдоинтерактивности
Медиаметрия это измерение аудитории ТВ вещания, включающее сбор и
систематизацию статистических данных об аудитории, её составе, предпочтениях и
т.д.
Для реализации функции измерения аудитории абонентский приемник (STB)
должен поддерживать следующие функциональности
1) Вывод на экран списка вопросов анкетирования абонента (выводится при
первом включении STB и может повторяться через фиксированные промежутки
времени, например, раз в год, либо по указанию, полученному с сервера оператора).
Ввиду того, что реклама, а также информационные материалы в сетях
интерактивного ТВ имеют адресный характер, вопросы анкеты имеют целью
выяснить, какого рода реклама и какие информационные материалы должны
доставляться данному абоненту. Вопросы могут касаться социального положения,
возраста, пола, уровня доходов абонента, его интересов в различных сферах,
интересующих его товаров и услуг и т.д.
2) Присвоение абоненту потребительского и информационного индексов в
зависимости от его ответов на вопросы анкеты. На каждый вопрос предусмотрено
фиксированное число возможных ответов. В зависимости от набора ответов на
вопросы анкеты абоненту присваиваются потребительский и информационный
индексы (каждой из возможных комбинаций ответов на вопросы анкеты
соответствует индекс). Этот индекс пересылается на сервер и в дальнейшем
определяет характер рекламных, информационных и других материалов,
направляемых данному абоненту.
3) Вывод на экран списков вопросов произвольного содержания, полученных
с сервера (различного рода анкеты и опросы) и передача полученных ответов на
сервер оператора.
4) Медиаметрия ТВ программ. Должно фиксироваться каждое переключение
с одного ТВ канала на другой и, соответственно, время просмотра каждого канала.
Периодически (например, раз в сутки) сформированный архив просмотров должен
передаваться на сервер оператора. Величина периода должна устанавливаться с
сервера.
Должна
быть
предусмотрена
возможность
игнорирования
кратковременных просмотров (например, менее нескольких секунд), так, чтобы они
не учитывались в архиве просмотров. Данная функция (ее включение и выключение,
а также величина критического интервала) должны устанавливаться с сервера.
Данная функциональность нужна для вычисления рейтингов ТВ программ. Следует
подчеркнуть, что только медиаметрия позволяет вещателям и ТВ компаниям
перейти от приблизительного определения рейтингов ТВ программ и передач
(осуществляемого, как правило, с помощью различных опросов) к их прямому и
абсолютно точному вычислению, что, в свою очередь позволяет вещателю точно
выстраивать экономическую политику, в том числе во взаимоотношениях с
рекламодателями.
47
5) Медиаметрия рекламы. Каждый платеж за товары и услуги,
осуществленный абонентом с STB, должен фиксироваться, и информация о типе
приобретенного товара или услуги должны передаваться на сервер, где будет
анализироваться наличие и степень взаимосвязи между приобретением данных
товаров и услуг и рекламой этих товаров и услуг, ранее доставленной абоненту.
Данная функциональность нужна для определения степени эффективности
рекламных материалов.
Примечание: данные медиаметрии ТВ программ и рекламы должны
включать PID абонента (либо какой-либо другой идентификационный индекс), так
чтобы данные рейтингов ТВ программ и эффективности рекламных материалов
вычислялись не только для аудитории в целом, но и применительно к каждому
абоненту (либо группам абонентов), если потребуется.
Прием и обработка данных медиаметрии, полученных от абонентских STB,
должны поддерживаться сервером провайдера интерактивного цифрового ТВ
вещания.
Организация передачи данных при асимметричном доступе
Обмен данными в Интернет между пользователем и серверами имеет ярко
выраженный асимметричный характер, обычный пользователь Интернет потребляет
на порядок больше информации, чем выдает. В частности, видео и аудио данные
очень активно передаются именно в нисходящем (downstream) направлении, т.е. от
провайдера к пользователю. Отсюда целесообразность реализации ассиметричного
канала между провайдером и пользователем. Системы асимметричного доступа
иногда называют TurboInternet. Типичный метод организации такой системы
представлен на примере телевизионного наземного радиоканала.
Рис. 3.4.52. Типичный метод организации асимметричной системы
48
Пользователь получает Интернет - данные совместно с сигналом ТВ
вещания. В сети интерактивного обмена для посылки запроса провайдеру могут
использоваться коммутируемые каналы телефонной сети общего пользования
(PSTN), асимметричные цифровые абонентские линии ADSL, гибридные
волоконно-коаксиальные линии (HFC lines), сотовая телефония, Интернет и пр.
Здесь доставка больших объемов данных абоненту осуществляется уже через
широкополосные каналы цифрового телевидения, со скоростями, значительно
большими, чем удается достичь в телефонных каналах, (по статистике, запросы от
пользователя к провайдеру составляют 10-15% от трафика, получаемого от
провайдера) в данном случае соответствует несимметричность нисходящего и
исходящего каналов.
Порядок работы при этом следующий. Когда пользователь щелкает на
ссылку в Интернете, уходит запрос на соответствующий документ или файл. В
случае обычного модемного соединения, по обратному адресу (т.е. адресу
пользователя), который указан в запросе, направляется документ или файл, который
далее проходит тот же путь, которым проходил и запрос, только в обратном
направлении.
В случае Интернета на базе наземного ТВ вещания (например, DVB-T), в
запрос, отправляемый на сайт, подставляется обратный адрес передающего
устройства DVB-T. Таким образом, данные поступают с сервера прямо к оператору
ТВ вещания, инкапсулируются в транспортный поток DVB-T и оттуда вместе с
телевизионными данными через телевизионную антенну на абонентское приемное
оборудование. При этом может происходить их разбиение. Нисходящий поток
данных может состоять как из одного, так и из двух под потоков (которые мы
условно назовём DVB-под потоком и модемным под потоком). Абонентский
приемник получает весь поток информации и отфильтровывает информацию,
адресованную именно данному абоненту подобно тому, как работают пейджинговые
системы связи. В случае ошибок и неверно принятых пакетов отправляется запрос
на повторную передачу.
Необходимое оборудование
В настоящее время рядом компаний выпускается оборудование для передачи
IP-пакетов в кадрах транспортного потока DVB. С его помощью можно
просматривать web-страницы на STB. Однако это оборудование не предусматривает
стандартизированных требований к интерактивному каналу, что позволяет, с одной
стороны, подойти к выбору оборудования для обратного канала более гибко, а с
другой – создаёт дополнительные сложности, такие, например, как разработка
собственного программного обеспечения. Другими словами, с таким оборудованием
легко отправить и принять IP-пакеты. Дополнительное оборудование позволить
организовать IP over DVB-T.
В абонентском цифровом приемнике STB для приема сигналов,
передаваемых по каналу вещания, используется модуль интерфейса вещательной
сети, входящий в состав блока сетевых интерфейсов NIU. Модуль интерфейса
интерактивной сети служит для организации двустороннего обмена данными с
провайдером интерактивных служб (например, запрос услуг, их оплата, получение
49
сведений о своем счете или служебной информации для системы ограничения
доступа и пр.). В свою очередь, провайдер взаимодействует с вещательной и
интерактивной сетями с помощью соответствующих сетевых адаптеров, которые
осуществляют преобразование и передачу данных на транспортном и физическом
уровнях. Блок обработки данных в приставке осуществляет все операции по
декодированию и выдаче информации требуемых служб, а также по вводу запросов
пользователя.
Список дополнительного оборудования, необходимого и достаточного для
организации IP over DVB-T:
сервер удалённого доступа (RAS);
билинговая система;
прокси-сервер;
кэш-сервер;
DTV IP inserter;
центр координации и управления запросами (сервер);
Сервер удалённого доступа, билинговая система, кэш-сервер, прокси-сервер
и сервер координации могут быть выполнены как в разных системных блоках, так и
в одном, нераздельном. В частности, достаточно мощный mainframe может
удовлетворить потребности пяти функциональных блоков.
Тарификация
Тарификация услуги IP over DVB-T производится исходя из следующих
соображений:
- оператор DVB покупает входящий трафик у Uplink-провайдера;
- оператор DVB окупает затраты на оборудование, необходимое для
организации IP over DVB-T;
- оператор DVB несёт текущие расходы (оплата работы штата сотрудников,
электроэнергии и т.д.);
- оператор DVB получает прибыль.
Разделение нисходящего потока на два подпотока скажется на тарификации
следующим образом: стоимость трафика, входящего через STB + стоимость
времени, которое абонент занимает телефонную линию.
Физическая топология сети
Предложенная на Рис. 3.4.53 схема позволяет реализовать большинство
планируемых интерактивных услуг. В этой сети интерактивный канал является
дуплексным. Абонентская приставка соединяется с сервером удалённого доступа
(RAS) посредством коммутируемых телефонных линий общего пользования, либо с
web-сервером оператора через сеть Интернет. Возможно использование GPRS для
передачи служебных данных от STB к КС. Для этого RAS меняется на GPRS-шлюз,
а PSTN – на GSM-сеть. Пунктиром показаны возможные пределы интеграции
блоков, исполнение их в едином блоке. Пунктирные стрелки показывают каналы
передачи IP-пакетов, использование которых позволит равномерно распределить
нагрузку на сеть.
50
ip
dvb
dv
b
ео
вид
Абонент 1
dvb
ip
Сторонний
интернетпровайдер
UpLink
(Ростелеком)
dvb
DVB - передатчик
Видеосервер
ip
dvb
ip
Скремблер
Mpeg-2
Интернет
ТФОП
ip
MUX
Mpeg-2
DIP
b
де
ви
dv
Сервер
удалённого
доступа
ip
Билинговая
система
о
dvb
ip
Прокси-сервер с
кешированием
ip
ip
ip
Командный
сервер
Абонент 2
Зона оператора DVB
Рис. 3.4.53. Физическая схема сети.
Командный сервер (КС)
Это "сердце" интерактивной системы, руководит всеми остальными блоками,
которым требуется внешнее управление.
Функции:
Сортировка запросов и пакетов, исходящих от абонента. В них может быть
обращение к внутренним сервисам оператора, или же к web-серверу. Постольку для
связи STB с КС используется стек протоколов TCP/IP, то функция разделения
запросов логично выполнять на представительном уровне этого стека протоколов.
Для этого используется пара плагин-сервис, работающие по клиент-серверной
схеме, один из которых работает в STB, а другой – на КС. При этом для служебного
протокола резервируется и используется номер TCP-порта, отличный от номеров
портов стандартных протоколов (HTTP, FTP, POP3, Telnet и т.д.). Запросы,
51
относящиеся к внутренним сервисам оператора, обрабатываются тут же, а
относящиеся к внешним ресурсам отсылаются на соответствующий сервер.
Собственно выполнение сервисов. Их может быть великое множество, всё
зависит от конкретной услуги, предоставляемой оператором. Однако, можно
выделить основные необходимые: поддержка билинговой службы, ведение логов,
поддержка баз данных, WebCarousel и MediaRouterTM, поиск оптимального
алгоритма и планирование передачи данных и другие.
Маршрутизация IP-пакетов нисходящего к абоненту потока данных. Поскольку
нисходящий поток делится на два подпотока, задача КС – распределить пакеты так,
чтобы обеспечить наибольший коэффициент полезного использования сети и
соблюсти приоритеты для различных абонентов.
Биллинговая система
Биллинговая система - это комплекс программных средств, предназначенный для
выполнения тарификации учетных записей и решения ряда дополнительных задач. В
качестве дополнительных могут быть задачи генерации оборотных ведомостей,
реестров, счетов на русском и английском языках, квитанций. Кроме того, развитая
биллинговая система может также выполнять функции обслуживания абонентов,
номеров, обеспечивать складской учет и управление коммутаторами, обрабатывать
претензии клиентов, предоставлять руководству компании актуальную информацию.
Биллинговая система учитывает все затребованные пользователем услуги, Интернеттрафик и время, которое абонент занимает телефонную линию.
Биллинговая система может быть выполнена как в самостоятельном системном
блоке, так и вкупе с КС.
Сервер удалённого доступа (RAS)
Его задача – принимать телефонные вызовы от STB. Типовая схема
используется Интернет-провайдерами, в нашем случае оборудование и ПО RAS
может полностью совпадать с провайдерским.
В классическом исполнении RAS представляет собой компьютер с
присоединённым или встроенным модемным пулом, настроенный на ожидание
вызова от удалённого пользователя. После звонка устанавливается соединение по
протоколу канального уровня PPP.
Соединение RAS и КС осуществляется согласно стеку протоколов TCP/IP.
Прокси-сервер
Эти устройства необходимы для корректной работы любого Интернет-провайдера.
Прокси-сервер действует как защитный барьер между внутренней сетью
(интрасетью) и Интернет, закрывая доступ других пользователей Интернет к
секретным сведениям во внутренней сети или на локальном компьютере.
Кэш-сервер
Кэш-сервер используется для ускорения доступа к часто используемым ресурсам
сети Интернет и для экономии трафика. DNS-сервер сопоставляет символьным
именам серверов Интернет их IP-значения.
Все функции выполняет одна машина.
52
DVT IP inserter, видеосервер
DVT IP inserter инкапсулирует IP-пакеты внутрь транспортного потока MPEG-2.
Видеосервер предназначен для хранения видеофайлов и выдачи их по запросу КС.
Распространения потоков информации Рис. 3.4.54 и 3.4.55. Тонкими стрелками
указаны запросы и передачи служебной информации. Толстыми стрелками указаны
передача мультимедийной информации и пользовательских пакетов.
На рис. 3.4.54 показаны потоки данных и запросов, возникающих при связи STB с
КС через PSTN. При этом абонент пользуется как VoD, так и IP over DVB-T.
Запросы в обе стороны проходят через сервер удалённого доступа.
d vb
ip
dvb
видео
dvb
Абонент 1
dvb
DVB - передатчик
Скремблер
dvb
ip
Интернет
Видеосервер
MUX
Mpeg-2
DIP
ip
Mpeg-2
ip
UpLink
(Ростелеком)
ip
ТФОП
ip
Командный
сервер
Прокси-сервер с
кешированием
Билинговая
система
ip
Сервер
удалённого
доступа
Зона оператора DVB
Рис. 3.4.54. Логическая схема подключения абонента через PSTN.
На рис. 3.4.54 показаны потоки данных и запросов, возникающих при связи STB с
КС через PSTN. При этом абонент пользуется как VoD, так и IP over DVB-T.
Запросы в обе стороны проходят через сервер удалённого доступа
На рис. 3.4.55 показаны потоки данных и запросов, возникающих при связи STB с
КС через Интернет. При этом абонент пользуется только VoD, так как он уже
подключен к Интернет. Запросы в обе стороны проходят через прокси-сервер.
53
dvb
dvb
ip
видео
Абонент
1
ip
b
v
d
DV - передатчи
B
кb
v
d
Скрембле
р b
v
d
Видеосерве
р
Mpeg-2
pi
MU
X
Mpeg-2
DI
P
Интернет
ip
ip
Командны
й серве
р
Прокс -сервер
икеширование
с
м
ip
Билингова
я систем
а
Серве
удалённог
р
о доступ
а
Зона
оператора
UpLink
(Ростелеком )
ТФОП
ip
DV
B
Рис. 3.4.55. Логическая схема подключения абонента через Интернет.
ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРАКТИВНЫХ КАНАЛОВ
Учитывая распространённость телефонной связи и требования к сети в
целом, наиболее целесообразным из описанных способов является третий –
использование PSTN, и, при отсутствии телефонной линии – четвёртый, сеть
Интернет. Эти два способа рассмотрены в главе "Архитектура и топология сети".
Возможно использование GPRS для передачи служебных данных от STB к
КС. Для этого RAS меняется на GPRS-шлюз, а PSTN – на GSM-сеть.
Использование коммутируемых каналов телефонных сетей общего пользования
От АТС провайдера к серверу удалённого доступа тянется "пучок"
выделенных линий – цифровой высокоскоростной канал с временным уплотнением.
После разуплотнения телефонные линии подключаются к модемному пулу.
54
Ожидаемая полезная пропускная способность составляет не менее 20кбит/с в
направлении абонент – провайдер и не менее 30 Кбит/с в направлении провайдер –
абонент.
Устройство канала
Командный сервер
RAS
Модуль
интерфейса
интерактивной
сети
Канал
ТЧ
E1
Б
ТФОП
Блок
обработки
данных
А
Канал
ТЧ
ИТС
STB
Рис. 3.4.56. Интерактивный канал, организованный через PSTN.
На Рис. 3.4.56 представлена схема соединения STB с сервером удалённого доступа.
На ней блоками показаны программные и аппаратные узлы. В абонентский
терминал встроен модем с аппаратной коррекцией ошибок.
Клиентом в данном случае является STB, сервером – сервер оператора.
STB соединяется через телефонную линию (канал ТЧ), сервер удалённого доступа
соединяется по каналу E1 (2048 Кбит/с) или E2 (8488 Кбит/с).
Протоколы связи
При установлении связи с Интернет-провайдером на участке абонент – АТС
используется следующий стек протоколов, соответствующий модели OSI:
Таблица 3.4.2.
Уровень
прикладной
представительный
сеансовый
транспортный
сетевой
канальный
физический
Протокол (А)
Протокол (Б)
HTTP, FTP, SNMP, IMAP и т.д.
HTTP, FTP, SNMP, IMAP и т.д.
TCP
TCP
IP
IP
PPP
PPP
V.34, V.34+, V42, V.90, V.92 и т.д. G.703, Fast Ethernet
Модем STB
Асинхронный модем выполнен внутри абонентского терминала.
Стандартизации подвергается только его соединение с телефонной линией.
Предпочтителен стандарт V.92 или V.90, ввиду того, что часть цифровых АТС
позволяют устанавливать соединение до 50кбит/с. Кроме того, рекомендуется
наличие в модеме аппаратной коррекции ошибок.
Поскольку STB проектируется по индивидуальному заказу, то нет смысла
выбирать производителя и модель на данном этапе. Достаточно указать, что модем
должен быть и быть управляем.
55
Сервер удалённого доступа
Это оборудование должно принимать и обслуживать вызовы не менее чем
200 абонентов одновременно. Собственно, с АТС поступают вызовы в цифровой
форме, так что после поступления их на RAS им не требуется АЦП. При
интенсивности нисходящих модемных подпотоков 33,6 Кбит/с требуется пропускная
способность канала не менее 7600 Кбит/с. Предпочтительнее в этом случае
оказывается канал E2 либо несколько каналов E1.
Пересылка MAC-адресов
Каждый STB имеет MAC-адрес приёмника, по которому происходит
опознавание приёмником кадров MPEG-2, обращённых к нему. При аутентификации
STB отсылает MAC-адрес провайдеру, чтобы потом получать IP-пакеты на этот
MAC-адрес.
Использование модема PC
Командный сервер
RAS
ТФОП
Модуль
интерфейса
интерактивной
сети
E1
Канал
ТЧ
Блок
обработки
данных
LAN
ИТС
STB
Рис. 3.4.57. Подключение STB к провайдеру через PC.
Наиболее распространена ситуация, в которой есть и компьютер, и Интернет.
Есть смысл соединить STB с PC по LAN-интерфейсу так, что STB будет являться
для PC элементом сетевого окружения. В этом случае возможно соединение с
сервером провайдера не плагина STB, а программы на PC, использующей те же
номер TCP-порта и протокол, что и Java-плагин STB. Эта же программа будет либо
клиентом по отношению к STB, получающему пакеты данных из DVB-потока и
передающим их на PC, либо сервером по отношению к STB, получающему пакеты,
пришедшие в модемном подпотоке.
Чаще всего будет возникать ситуация, в которой Интернет-клиентом в
реальном времени будет выступать именно PC. В нём уже есть модем, жёсткий диск
и великое множество программ, требующих Интернет-ресурсов. Возможно, это
будет главным фактором успеха или неудачи услуги IP-over-DVB-T в условиях
конкуренции с DSL-, dial-up соединениями. Ибо конечному пользователю часто
требуется Интернет именно при пользовании компьютером, а не при просмотре
телевизора.
Использование сети Интернет
При использовании сети Интернет значимыми оказываются лишь два
верхних протокола модели OSI. Поэтому STB может соединяться по любому
протоколу с любым звеном Интернет. Но наиболее вероятно, что это будет протокол
Fast Ethernet, а устройством будет персональный компьютер (в таком случае
требуется плагин для сопряжение PC и STB, и клиентом будет являться приложение
56
на PC пользователя), или свитч (тогда STB будет выступать как самостоятельный
хост, и клиентом будет являться Java-плагин самого STB).
Использование STB как самостоятельного узла сети – довольно редкое
явление, хотя может происходить в большой организации, имеющей сервер и
статический диапазон IP-адресов. Говоря другими словами, ситуация, в которой
свободная LAN-розетка есть, а компьютера под неё нет – редкое явление.
Схему, представленную на Рис. 3.4.58 нельзя использовать для доступа к
Интернет, а только для доступа к внутренним ресурсам сервера.
Командный сервер
Прокси-сервер
Интернет
Модуль
интерфейса
интерактивной
сети
Блок
обработки
данных
LAN
ИТС
STB
Рис. 3.4.58. Схема доступа к ресурсам оператора, организованного через Интернет
Интерфейс соединения PC c Интернет не оговаривается.
IP over DVB-T
В этой главе рассматривается псевдоинтерактивный и интерактивный
режимы работы сети цифрового эфирного ТВ с точки зрения протоколов уровня
сетевых интерфейсов и уровня межсетевого взаимодействия.
Рассматриваются услуги "Интернет через цифровое ТВ". Освещаются
основные вопросы, возникающие при построении этой услуги, выбирается
оборудование, предлагаются решения.
WoDTV – техническое решение для отсутствия интерактивности
В настоящее время ряд компаний - производителей телекоммуникационного
оборудования имеют законченные решения для передачи IP пакетов по
транспортным сетям DVB на абонентский сервер с большим объемом cash-памяти.
Появление таких серверов стало возможным из-за существенного снижения
стоимости жестких дисков и создания платформы MHP (Multimedia Home Platform)
для предоставления интерактивных мультимедийных услуг. Эти решения включают
программно-аппаратную часть для головной станции и программное обеспечение
для абонентского сервера. На головной станции устанавливается аппарат,
вставляющий IP пакеты в уже сформированный телевизионный транспортный поток
MPEG-2. Пакеты загружаются с головного сервера, организуя карусель данных по
протоколу DSM-CC. На приемной стороне транспортный поток принимается
ресивером, совмещенным с абонентским сервером. Данные извлекаются из потока и
кэшируются. Сохраняемая информация может просматриваться с помощью любого
стандартного браузера.
Ниже, на рисунке 3.4.59 приведена схема такого доступа:
57
Рис. 3.4.59.
Общая характеристика WoDTV системы
WoDTV система предназначена для повышения качества услуг (QoS)
передачи данных на участке т. н. “последней мили”. Разрабатывалась она прежде
всего исходя из необходимости максимально полно обеспечить мультимедийный
сервис, на тот момент уже поддерживаемый мультимедийными домашними
платформами (MHP) от производителей разных стран. Сегодня, Web over DTV удобное и рентабельное решение для распределения ресурсов Интернет
телезрителям и пользователям PC, а также предоставления возможности операторам
цифрового ТВ вещания доставлять пользователям дополнительные услуги вместе с
ТВ программами.
Необходимо, прежде всего, отметить, что WoDTV не удовлетворяет понятию
“доступ” в его классическом понимании, когда мы рассматриваем варианты
взаимодействия между собой компьютеров, сетей и приложений с использованием
глобальных каналов или глобальных сетей. Она осуществляет механизм рассылки
дополнительной телевизионной сервисной информации и др. контента подобно
почтовой рассылке. Более того, распределительная система WoDTV имеет
возможность работать без обратного (интерактивного) канала, что является ее
главным плюсом в сфере обеспечения услугами Интернет пользователей PC и
телезрителей, у которых не только нет доступа к Интернет, но и вообще нет
телефонной сети.
Необходимое условие системы WoDTV (особенно при отсутствии обратного
канала) – наличие достаточного объема памяти пользовательского MHP – терминала
(начиная с 20GB для HDD и 32Mb для RAM).
Если обратный канал все-таки нужен, а необходимой проводной линии
передачи нет, или в силу определенных обстоятельств ее нельзя организовать, то
WoDTV система допускает возможность применения DVB-RCS(Satellite) DVBRCT(Terrestrial) обратных каналов.
58








Функции WoDTV системы
К основным функциям распределительной системы относится:
Трансляция цифровых данных к большому числу приемников через DVB
Сокращение числа “узких мест” доступа со стороны Интернета
Поддержка передачи данных на передвижные приемники
Передача Интернетовских данных клиентам не имеющим обычного доступа в
Интернет
Обеспечение дополнительными услугами при трансляции программ
Вещание информации из местных и региональных студий
Использование существующих радиовещательных DVB сетей
Использование неиспользованных ресурсов DVB сигнала радиопередачи
Рис. 3.4.60.
Устройство системы WoDTV
Основные программные и аппаратные блоки:
- Web Carousel
- Media Router
- DTV IP Inserter
- Web Proxy
- Stream Connector
Коротко рассмотрим их характеристики.
Web Carousel:
Сервер обслуживания DTV Web Carousel передает отобранные участки
постоянным или передвижным подписчикам, в режиме Unicast или Multicast
соответственно.
Дополнительные данные для DVB представляются как канал распределения
для документов. Документы посылаются посредством “принципа толчка”. В отличие
от обычной диалоговой связи с обратным каналом, передача однонаправленная - с
передатчика на приемник.
59
Сервер обслуживания DTV Web Carousel посылает свои данные без
предварительного запроса со стороны клиента по т.н. “принципу толчка”, например,
для передачи телетекста. Вся информация, находящаяся в буфере передачи, состоит
из сформированных блоков (Pools) запрошенного контекста, которые циклически
посылаются к определенной группе подписчиков. Эта система может использоваться
для всех прикладных задач (мультимедийных платформ), использующих
однонаправленную передачу.
Информация передается циклически, т.к. она должна быть доступна каждому
подписчику круглосуточно. Данные по мере поступления в буфер передачи сервера
обновляются по принципу “FIFO”. Передача информации через DTV Web Carousel
становится доступной посредством списка Интернетовских адресов (URL).
Интернетовские ресурсы загружаются и обновляются автоматически. Полная
область может быть загружена единственной (отдельной) директивой URL. Адреса
посылаются Карусели в форме текстового файла, который также загружается из
Интернета. Переключение к новому содержанию возможно независимо от текущей
передачи.
Данные в буфере DTV Web Carousel переданы циклически к DTV IP Inserter и
таким образом на DVB передатчик. Когда конец буфера достигается, передача
запускается снова с начала.
Media Router
Media Router - решение программного обеспечения для передачи различной
информации от различных источников из Интернета через цифровые системы
радиопередачи. Media Router поддерживает услуги посредством Quality of Service
(QoS) и распределением Интернетовских связей, чтобы вещать на каналах и
программах. Программное обеспечение работает под Windows NT и адаптировано
для IP Inserter.
Особенности:
-Все имеющиеся типы Интернетовских связей поддерживаются как:
-Однонаправленная передача
-Широковещание (например, реальный текущий IP)
-Туннелирование широковещательных связей
-Поддержка радиопередач MHP (соединяет объект Web Carousel)
-Администрирование IP адресантами и связями
-Quality of Service, очередность услуг и контроля (управления) относительно
широкополосной радиопередачи.
-Гибкий распределение Интернетовских связей, чтобы транслировать каналы
-Поддерживает обе цифровые системы радиопередачи DVB и DAB подобным
способом
-Управление предоставлением услуг, общих (символических) названий(имен)
-Управление по времени активацией/дезактивацией услуг (планировщик)
DTV IP Inserter
DTV IP Inserter вставляет Интернетовские данные в формате IP в DVB
MPEG-2 поток данных посредством метода мультипротокольной инкапсуляции
(MPE), определенного для DVB. Могут вставляться IP Unicast (точка-точка) и
Multicast (точка-многоточка) услуги с постоянными и изменяющимися данными.
60
Дополнительные данные передаются без предупреждения о свободном
диапазоне данных в транспортном потоке, содержащем видео/аудио программы или
служебную информацию. Датчик пачки идентифицирует все пустые пачки (не
использованные ресурсы), вставленные в поток данных для их заполнения, и
инициализируют их для дальнейшего использования. Пустые пачки,
идентифицированные в потоке данных датчиком пачек, заменяются на IP пакеты.
Дополнительные данные могут быть вставлены или после MPEG
кодирующего устройства или после мультиплексора транспортного потока. Если
доступный диапазон передачи данных постоянен, DTV IP Inserter должен
использоваться после MPEG кодирующего устройства. В этом случае
дополнительные данные добавляются в конец к переменной части видео и звуковых
данных так, чтобы установленный диапозон данных был получен. Выгода для
поставщика программы - оптимальное использование диапазона данных. Когда DTV
IP Inserter подключен после мультиплексора транспортного потока, ресурсы,
доступные в потоке данных используются полностью.
Комбинируя различные типы информации, поставщик услуг может
обеспечить дополнительными данными большое количество подписчиков. Такие
связи могут быть созданы без ограничения для передачи видео и звуковой
информации.
Вставленные Интернетовские данные могут читаться при помощи
стандартной приемной DVB PC карты.
DTV Web Proxy
На стандартном PC получают IP пачки через DVB PCI приемную карту, от
цифрового радиовещательного сигнала DVB. Программное обеспечение DTV Web
Proxy извлекает IP пачки от радиовещательного сигнала, комбинирует (объединяет)
их в файлы и хранит их в местном масштабе в компьютере пользователя. В этих
файлах хранятся обычные Интернетовские адреса, благодаря чему возможен доступ
к ресурсам сети.
Особенности:
- Дежурное (организованное) хранение IP пачек, полученных через DVB cигнал
- Интерфейс к стандартным Интернетовским браузерам
- Местный резерв переданных Интернетовских ресурсов
- Многодоменный сервер
- Параллельное использование полномочия (Proxy) через сеть
- Использование Интернет адресов для получения его ресурсов
- Modularly (модульная) scalable (масштабируемая) архитектура
- Совместимая на стандартном PC с Windows NT операционная система
Передача данных в прямом канале
Как правило в системах Direct to Home (дословно- “направленный к дому”) как в спутниковых, так и в наземных каналах данные занимают только часть полосы
MCPC (Multi Channels Per Carrier) DVB канала и передаются в отдельном
транспортном потоке MPEG-2 вместе с другими потоками видео и радио каналов. В
SCPC (Multi Channels Per Carrier) системах данные являются единственным
транспортным потоком, однако, содержащим всю служебную информацию DVB
пакета. Передача данных может быть одно или двунаправленной (используя в
61
качестве обратного канал управления) и может быть unicast (точка-точка), multicast
(точка-многоточка) или broadcast (все адаптеры получают выделенный PID).
Основным элементом системы доступа в Интернет через DVB-T,
отличающим ее от чисто телевизионной DVB-системы, является IP/DVB шлюз,
осуществляющий упаковку данных в формат транспортного потока DVB.
Способы передачи данных
Несколько лет назад DVB адаптеры для приема данных выпускались, как
правило, фирмами, разрабатывавшими и сами IP/DVB-шлюзы. Однако в настоящий
момент стандартизация способов передачи данных в DVB-системах позволяет
выпускать адаптеры на готовых чип сетах все большему числу производителей. В
стремлении стандартизировать эти устройства, DVB-спецификации предполагают,
что данные могут передаваться одним из пяти способов:
Data Piping — дискретные порции данных доставляются по назначению,
используя транспортные пакеты. Синхронизация между пакетами данных и другими
PES-пакетами отсутствует.
Data Streaming — данные принимают форму непрерывного потока который
может быть:
- асинхронным, т.е. без временных меток, как пакеты данных в Интернет;
- синхронным, т.е. привязанным к постоянной тактовой частоте передачи для
эмуляции синхронного канала связи;
- синхронизированным, т.е. связанным временными метками с внутренними часами
декодера и таким образом с другими пакетами PES, как при отображении
видеозаписей. Данные несет непосредственно PES.
Multi-Protocol Encapsulation (MPE) — наиболее часто используемая сегодня
технология, основанная на DSM-CC и предназначенная для эмуляции локальной
сети при обмене пакетами данных.
Data Carousels — схема сборки в буфере наборов данных, которые
многократно прокручиваются в периодических передачах. Наборы данных могут
иметь любой формат или тип. Одним из примеров является передача данных
Electronic Programme Guides (EPGs). Данные передаются используя DSM-CC секции
фиксированного размера.
Object Carousels — Карусели, "прокручивающие" карусели данных. Наборы
данных определены спецификацией DVB Network Independent Protocol и могут
использоваться, к примеру, для загрузки данных в DVB-декодеры.
Для передачи Интернет данных рекомендуемой процедурой является
использование MPE схемы. Обратная совместимость с нестандартными схемами
передачи данных использующими piping/streaming механизмы достигается
присвоением зарегистрированного Service Information (SI) кода каждому формату
данных. Каждый SI код который распознается приемником/декодером
обрабатывается,
обеспечивая
поддержку
нестандартного
кодирования
соответствующими аппаратными средствами.
Инкапсуляция протоколов по схеме DSM-CC MPE
Команды и управление цифровыми носителями (Digital Storage Media
Command and Control) DSM-CC является набором средств для разработки каналов
управления, связанных с MPEG-1 и MPEG-2 потоками. DSM-CC может быть
62
использован для управления видеоприемом, обеспечивая возможности, обычно
присутствующие в видемагнитофонах — ускоренный показ, перемотка, пауза и т.п.
Он также может использоваться для великого множества других целей, включая
транспорт данных. Он определен серией весомых стандартов, в частности, MPEG-2
ISO/IEC 13818-6 (часть 6 стандарта MPEG-2: Расширения для DSM-CC) и
использует модель клиент/сервер. DSM-CC может работать в сочетании с такими
Интернет-протоколами, как RSVP, RTSP, RTP и SCP. В отличие от других протоколов
загрузки (download), DSM-CC-загрузка разработана для облегченного и быстрого
выполнения в соответствии с требованиями устройств, имеющих ограниченный
объем оперативной памяти.
DSM-CC-загрузка работает по гетерогенным соединениям и применима к
ряду сетевых моделей, одной из которых является широковещательная модель без
обратного канала. Механизмами, используемыми при DSM-CC-загрузке, являются:
- изменяемый размер окна;
- отсутствие ACK для использования в вещательном (broadcast) режиме;
- вписанность в Транспортный Поток MPEG-2 для аппаратного
мультиплексирования.
При DSM-CC Multi Protocol Encapsulation (MPE) каждый кадр данных
(например IP- пакет) инкапсулируется в Ethernet-подобную секцию путем
добавления заголовка секции — MAC-адреса и, при необходимости,
дополнительного заголовка с Logical Link Control (LLC) / Sub Network Access
Protocol (SNAP). Достоверность данных защищена CRC-32 контрольной суммой.
Весь блок данных называется секцией. Длина секции регулируется добавлением
пустых байтов для сегментации на целое число транспортных пакетов MPEG-2
длинной 188 байт.
Транспорный поток MPEG-2
Кадр DVB (188 байт)
Дейтаграмма IP или LLC-кадр
LLC SNAP (опционально)
№ секции, № последней секции
Заполнение (опционально)
Поле флагов
MAC-адрес (6 байт)
CRC-32 или контрольная сумма
Заголовок секции
Рис. 3.4.61. Инкапсуляция IP-пакетов в транспортный поток DVB.
63
Адресация пользователей
Каждому пользователю (т.е. DVB/MPEG-2 приемник) присвоен MAC адрес
(например из базы пользователей) в соответствии с IP адресом оборудования на
удаленной точке. Уникальные MAC-адреса используются для идентификации
оборудования пользователя.
сервер
инкапсуляция
клиент
сервер
клиент
TCP
TCP
TCP
TCP
IP
IP
IP
IP
тоннель
MPE
MPE
IP
IP
MPEG-ТП
MPEG-ТП
PPP
PPP
кодирован
ие и QPSK
кодирован
ие и QPSK
протокол
модема
протокол
модема
а)
сервер
клиент
TCP
TCP
IP
IP
IP
IP
PPP
PPP
протокол
модема
протокол
модема
б)
Рис. 3.4.62. Архитектура протокола (a) Исходящего к клиенту и (б) обратного от
клиента потоков.
При формировании транспортных пакетов, каждому присваивается PID,
основанный на информации о маршрутизации на передающем хабе.
Группе пользователей может быть выделен один и тот же PID для
формирования Virtual Private Network (VPN), или же каждому пользователю может
быть выделен отдельный PID. Обычно пакеты передаются в Unicast режиме (т.е.
точка-точка), при котором только один приемник доставляет данные, а другие
приемники в сети принимают, но отбрасывают эти данные, так как или MAC-адрес
64
и/или PID не соответствует их внутренним фильтрам. Multicast-передача также
возможна, используя multicast-адреса. Управление группами не предусмотрено и
должно обеспечиваться другими способами, например используя наземный
обратный канал.
Защита информации
Помимо методов управления распределением информации – механизмов
адресации данных с использованием идентификаторов пакетов PID и MAC-адресов
оборудования конечного потребителя, применяется кодирование части каналов, что
необходимо для услуг платного ТВ и доступа к ресурсам Интернет. Для этого пакеты
в DSM-CC секции могут быть скремблированы используя управление условным
доступом (conditional access) который шифрует MAC-адрес, предотвращая
возможность связи поступающих данных с конкретным MAC-адресом, и/или пакет
данных. Шифрование управляется битами флажков в заголовке DSM-CC
инкапсуляции.
Без подключения специальных модулей плата с ТВ-тюнером будет принимать
только некодированные телевизионные каналы (Free-To-Air, FTA). Но поскольку
сегодня большинство коммерческих телеканалов кодируется, DVB-плата должна
иметь встроенный модуль условного доступа (Conditional Access Module, CAM) или
позволять подключать внешний модуль. Для DVB-каналов сегодня применяется
около десятка схем кодирования (ViACCESS, Media Guard, Irdeto, PowerVu и др.).
Модули условного доступа могут принимать каналы только в одной системе
кодирования. Для подключения к DVB-платам различных модулей условного
доступа был разработан стандарт Common Interface.
Техническое решение с присутствием интерактивности
Отличается от WoDTV наличием интерактивного канала и согласующих
модулей. Кроме того, нисходящий поток данных делится надвое, это задача проксисервера или командного сервера (возложение этой задачи на прокси позволит
разгрузить линии его связи с КС и сам КС).
Таким образом, организация доступа к Интернет распадается на несколько
задач, большинство которых были решены ранее.
1. Доставка IP-пакетов абоненту в транспортном потоке DVB. Используется в
технологии WoDTV.
2. Доставка IP-пакетов абоненту через телефонную линию. Решение
используется Интернет-провайдерами при dial-up доступе к Интернет.
3. Доставка IP-пакетов от абонента провайдеру. Эта задача решена
аналогично предыдущей.
4. Распараллеливание IP-пакетов на стороне провайдера перед отправкой
абоненту; сборка их после приёма на стороне абонента. Эту задачу решает
протокол IP, точнее, только разбиение и сборку.
5. Размер окна, пересылка квитанций, обработка ошибок, выбор MTU,
выделение IP-адреса.
6. Выбор (расчёт) пропускных способностей ТФ каналов и их количества.
7. Авторизация и аутентификация.
65
Краткое описание протоколов TCP и IP
Протокол IP (Internet Protocol) является протоколом межсетевого
взаимодействия. Он обеспечивает дейтаграмм от отправителя к получателям через
объединённую систему компьютерных сетей. Протокол действует без установления
соединения. Если получатель не принимает целостный пакет, то IP сообщает об этом
вышестоящему протоколу, но не предпринимает действий для повторной пересылке.
Эту задачу берёт на себя протокол TCP (Transmission Control Protocol). Он
работает с установлением соединения, так что гарантированно пересылает данные.
Представим себе на минуту устройство TCP/IP-потока: в LLC-кадры
внедрены пакеты протокола IP, а в IP-пакеты, в свою очередь TCP-пакеты.
Версия IP
4 бита
Длина
заголовка
4 бита
Тип сервиса
8 бит
Общая длина
16 бит
Идентификатор пакета
16 бит
Время жизни
8 бит
Флаги
3 бита
Протокол верхнего уровня
8 бит
Смещение фрагмента
13 бит
Контрольная сумма
16 бит
IP-адрес источника
32 бита
IP-адрес назначения
32 бита
Опции и выравнивание
Данные (TCP, UDP - пакет)
Рис. 3.4.63. Структура IP-пакета.
Адрес порта источника
16 бит
Адрес порта назначения
16 бит
Номер последовательности
32 бита
Подтверждение
32 бита
Длина
заголовка
4 бита
Зарезервированы
6 бит
Флаги
6 бит
Размер окна
16 бит
Контрольная сумма TCP
16 бит
Показатель неотложности
16 бит
Опции и выравнивание
Данные
Рис. 3.4.64. Структура TCP-пакета.
66
На рис. 3.4.63 и 3.4.64 показано внутреннее устройство кадров протоколов
TCP и IP. На них обозначены заголовки пакетов, поля заполнения и поля данных.
Обычно размер заголовка имеет размер 20 байт (5 двойных слов), но может
иметь и больший размер. Максимальный размер заголовка – 48 байт. Длина
заголовка кратна 32 битам, для выравнивания используется поле "опции и
выравнивание" (заполняется нулями).
Как видно из рис. 3.4.63, Пакет IP может иметь максимальный размер 65535
байт, однако на практике такой размер не используется, и основным ограничением в
этом случае является размер поля данных кадра текущего протокола передачи
данных (это поле называют MTU – Maximum Transfer Unit). В частности, для сети
для сетей Ethernet и Fast Ethernet величина MTU равна 1500 байт, для модемного
рекомендуется MTU размером 576 байт. Для кадра MPEG-2 эта величина равна 176
байт.
При переходе из сети с большим MTU в сеть с меньшим MTU необходимо
разбить (фрагментировать) IP-пакеты, эта задача решается на уровне протокола IP.
Он умеет динамически разбивать пакеты на меньшие и умеет их собирать на
приёмной стороне. Однако, для того, чтобы протокол IP мог создавать при разбиении
пакеты с разным размером и рассылать их по разным маршрутам ему может
потребоваться модернизация.
Обязательным условием является кратность 8 байтам полей данных всех
фрагментированных IP-пакетов кроме последнего.
Доставка IP-пакетов абоненту в транспортном потоке DVB
Собственно нас интересует в большинстве случаев не сами IP-пакеты, а
содержимое TCP-пакетов, однако, в ряде случаев, доставка абоненту пакетов именно
протокола IP позволяет решить вопросы совместимости.
При внедрении IP-пакета в кадр MPEG-2, имеющего размер 188 байт. Часть
из них занимает служебная информация, и на кадр IP приходится 176 байт. Из них 20
байт занимает заголовок IP-пакета, поэтому на кадр протокола TCP остаётся 156
байт. Исходя из условия кратности поля данных максимальная длина поля данных
может варьироваться от 128 байт (16 * 8 байт) до 152 байт (19 * 8 байт).
При этом MTU составляет 176 байт и не зависит от длины заголовка IPпакета.
128
152
 0,68 до
 0,81 .
187
187
1480
 0,99 .
Для сравнения, полезное использование потока Ethernet составляет
1500
Полезное использование потока DVB составляет от
Стек используемых протоколов показан на рис. 3.4.62.
Передача IP-пакетов в прямом широкополосном канале полностью
заимствована из технологии WoDTV.
Двусторонняя доставка IP-пакетов через телефонную линию
В данном случае используется стандартный модемный стек протоколов.
Модемный протокол – V.92, V.90, V.34+ и т.д.
Использованная схема соединения полностью заимствована у Интернетпровайдеров. Отличий нет.
67
Разбиение и распараллеливание пакетов; сборка
Разбиение на маршрутизирующей стороне
Пропускная способность прямого DVB канала в большинстве случаев выше
суммарной пропускной ёмкости прямых интерактивных каналов. Действительно,
пусть у нас есть передатчик с пропускной способностью 31,2 Мбит/с,
обслуживающий 100 человек. Тогда средний нисходящий DVB-подпоток составляет
0,3 Мбит/с = 300 Кбит/с. Средний нисходящий модемный подпоток будет в среднем
не ниже 28,8 Кбит/с, а чаще 33,6 Кбит/с независимо от загрузки сети (при условии
достаточной мощности серверов). Тогда скорость нисходящего DVB-подпотока
будет превышать скорость модемного подпотока при условии VDVB > 33,6 Кбит/с.
Для случая полного использования канала величина Nmax составляет 930
человек (приставок).
В общем случае VDVB  Vмодем, поэтому нисходящие подпотоки будут неравны
по интенсивности друг другу. Фрагментированные пакеты следует распределять
именно между двумя каналами. этим занимается модифицированный протокол IP,
TCP или специальное ПО маршрутизатора (рекомендуется модифицированный
TCP).
Кроме того возможна ситуация, когда один или несколько из множества
абонентов запросят большие фрагменты данных (например, захотят скачать по
фильму). В этом случае необходимо обеспечить скорость скачивания данных не
ниже установленной (например, 64 Кбит/с). Эту задачу решает ПО маршрутизатора.
Для этого оно использует таблицу приоритетов.
Вообще, при поступлении пакетов со скоростью большей скорости их
обработки образуется очередь, порядок обработки которой задаётся особо. Это
может быть буфер FIFO, очередь с отбрасыванием пакетов, приоритетное
обслуживание.
Пакеты поступают от сервера аплинка (например, Ростелекома) по сети Fast
Ethernet или Gigabit Ethernet. MTU в этих сетях составляет 1500 или более байт.
Сборка на приёмной стороне
Прежде чем собирать фрагменты в единый пакет, их нужно объединить в
LLC-подуровне канального уровня стека протоколов. Этим занимается специальный
плагин (такие плагины обычно пишутся на объектном языке высокого уровня Java).
После объединения фрагменты выстраиваются так, как если бы они
передавались в одном канале, затем IP собирает их.
Размер окна, пересылка квитанций, обработка ошибок, выбор MTU,
выделение IP-адреса
Протокол TCP для подтверждения доставки пакетов использует квитирование
данных. Для того, чтобы отношение скорость пересылки/достоверность было
оптимальным, TCP использует метод скользящего окна (sliding window). Таким
образом, размер окна настраивается автоматически.
Ошибки неизбежны, они возникают в любом канале связи и к ним нужно
быть готовым. В канале вещания DVB ошибка возникают примерно раз в час
работы. В телефонной линии вероятность возникновения ошибки может быть на три
порядка выше. В случае возникновения такой ошибки TCP пересылает заново IP68
пакет или их группу, даже если часть фрагментов пакета была послана в DVBподпотоке, что, конечно же, отрицательно сказывается на общей скорости потока.
Чтобы избежать ненужных трат трафика рекомендуется производить
маршрутизацию на уровне протокола TCP, а именно, сортировать не фрагменты IPпакетов, а сами IP-пакеты или их группы. В этом случае через заведомо менее
надёжный канал связи передаётся меньшее количество групп пакетов, а
следовательно, меньшее количество IP-пакетов придётся передавать повторно.
MTU транспортного потока равно 176 байтам. MTU модемного протокола
выбирается приблизительно равным 576 байт.
Выделение IP-адреса происходит динамически из известного диапазона
(количество, кратное двум). Диапазон IP-адресов предоставляет аплинк. Должно
быть достаточно диапазона в 256 или 512 адресов. Маска подсети при этом
представляет собой 255.255.255.0 или 255.255.254.0.
Автоматическое выделение IP-адресов выполняет протокол DHCP (Dynamic
Host Configuration Protocol). Этот протокол должен поддерживаться обеими
сторонами, и клиентом, и сервером.
Авторизация, аутентификация и общие вопросы безопасности.
Поскольку интерактивные услуги платны, то в системе необходима
авторизация пользователей. Авторизация происходит, например, по протоколу
CHAP. Данные пересылаются в сети в зашифрованном виде.
У рассматриваемой сети есть одна интересная особенность: каждый
приёмник имеет уникальный MAC-адрес, и если он зарегистрирован в сети (а он
зарегистрирован в сети), тогда IP-пакеты будут приходить именно тому STB, MACадрес которого STB посылает при аутентификации. Вопрос лишь в том, чтобы MACадрес DVB-приёмника был уникальным.
В целом, конфиденциальность информации, получаемой абонентом много
ниже, чем при использовании CAS-системы, но намного выше, чем при простом
диалап соединении (т.к. используются два нисходящих подпотока, их труднее
перехватить одновременно).
Максимальная скорость соединения, максимальное количество
обслуживаемых абонентов.
Пусть средняя скорость исходящего потока при модемном соединении
составляет 1,5 Кбит/с (для разных пользователей по разному, но для работы в
Интернете это правило обычно выполняется, исключение – отправка почты).
Максимально возможная исходящая скорость, которую позволяет установить
модемное соединение – в среднем 20 Кбит/с. Значит, можно увеличить скорость
соединения с Интернет примерно в тринадцать раз. Скорость нисходящего потока
должна составлять при этом около 400 кбит/с. На такой скорости можно обеспечить
трафиком до 90 абонентов единовременно при полной загрузке передатчика. При V
= 5 Мбит/с количество абонентов составляет 14 человек.
Реально такая скорость может и не требоваться. Обычно, для работы с
текстом и изображениями достаточно скорости 128 Кбит/с. Такой скоростью
скачивания можно обеспечить 320 абонентов единовременно при полной загрузке
передатчика, и до 50 при 5 Мбит/с.
69
Командный сервер (КС), система билинга
Оценка заполнения DVB-потока IP-пакетами, планирование, расстановка
приоритетов, выполнение протоколов, выделение IP-адресов, авторизация
пользователей и т.д.
Билинговая система ведёт учёт абонентских счетов в соответствии с
установленными тарифами. База данных пользователей и установленных тарифов
хранится на КС.
Оборудование
Выгоднее всего приобрести пару многопроцессорных серверов. Пару, чтобы
был запас мощности, и чтобы была отказоустойчивость. То есть, один сервер должен
справляться со всеми задачами одновременно, а два, соответственно, распределят
нарузку поровну, менее чем по 50%.
Единая для обоих серверов дисковая подсистема – зеркальный том RAID или
RAID-1-0. Ёмкость – не менее 300 ГБ для кэш, и примерно 200 ГБ для баз данных,
программ и всего остального. С учётом дублирования общая ёмкость – не менее 1
ТБ.
Дублирование применяется для резервного копирования, т.к. данные о
пользователях чрезвычайно важны.
Программное обеспечение
Для многопроцессорной машины годится Winows 2000 Advanced Server.
Сервисы управления видеосервером и билинговой системой выбираются
индивидуально, исходя из ситуации и предполагаемого количества абонентов (не
менее 30 тысяч, для билинговой системы).
Приложения для управления базами данных об абонентах, SQL-сервер,
например MySQL.
Модифицированные протоколы TCP и IP. Сортировщик пакетов и
планировщик ответов.
Прокси-, DNS-, кэш-сервер
Кроме указанных в главе "Архитектура сети" задач выполняет
маршрутизацию и фрагментацию IP-пакетов. Это лучше сделать прокси, чем КС, т.к.
при этом разгружаются линии их связи. Если прокси и КС объединены, то задача
решается сама собой. Ёмкость кэш должна быть не менее 300 ГБ.
Видео-по-запросу (VoD)
Принципиально новая услуга – доставка пользовательских данных по
требованию. Она схожа с IP over DVB-T и может быть качественным её
дополнением. Сходство же этих услуг – в некоторых узлах и оборудовании, которые
могут быть общими для них обоих.
Существует два главных отличия VoD от IP over DVB-T:
- отсутствие потребности немедленного подтверждения доставки
(или полное её отсутствие);
- выбор данных из ограниченного списка (например, фильмотеки).
Таким образом, VoD можно сравнить со скачиванием файлов с FTP-сервера
(или заказом на e-mail).
70
Реализация запросов
Запрос видео генерируется STB по требованию абонента. В запрос может
входить информация об уникальном запрашиваемом видеофайле, срочность заказа,
информация об отмене заказа, а также служебная информация, например,
идентификатор передатчика с наивысшим приоритетом (с лучшим качеством
приёма) или информация о наличии в STB жёсткого диска, который в случае VOD
является необходимым.
После формирования запроса STB ожидает соединения с сервером по
протоколу прикладного уровня. Эту функцию должен выполнять специальный plug in (обычно подобные plug-ins пишутся на языке Java). Plug-in может оперировать как
ресурсами интерактивной платформы (в данном случае MHP), тогда он может быть
перенесён на другой STB, так и ресурсами аппаратной части STB, и тогда он
перенесён быть не может.
После установления соединения происходит аутентификация абонента в сети
цифрового телевидения.
Затем STB отсылает запрос, и разрывает соединение, если интерактивность
больше не требуется.
Обработка запросов
Центр обработки запросов создаёт очередь фильмов, поступающих на вход
мультиплексора или непосредственно передатчика.
Должна поддерживаться поддержка приоритетов среди запросов, если это
предусмотрено в услуге. Так, например, загрузка ознакомительного ролика
начинается сразу после запроса, а загрузка полуторачасового фильма – спустя
несколько часов.
Может прийти несколько запросов от разных пользователей на один и тот же
фильм. В таком случае, для экономии трафика, целесообразно использовать
групповую передачу данных, то есть передавать один и тот же фильм одновременно
нескольким STB.
Реализовать групповую пересылку данных позволяет система условного
доступа. Для успешной пересылки данных всем STB, сделавшим запросы,
необходимо, чтобы тюнеры всех STB были настроены на одну частоту – на которой
происходит передача. Это актуально, если в одной и той же зоне вещают
передатчики на более чем одной частоте.
Хранение фильмов
Один фильм высокого качества продолжительностью 1,5-2 часа в формате
MPEG-2 занимает приблизительно 4,5 Гбайт. Это значит, что за час непрерывного
вещания со скоростью потока 31,2 Мбит/с можно передать около 3,2 фильма, а в
сутки – около 75. Передача же одного фильма при этом займёт около 20 минут.
Для хранения фильмов потребуется видеосервер, который, к тому же, должен
обладать цифровыми видеовыходами (формата MPEG-2). Сервер может быть
многофункциональным, хранить музыку и прочие данные и обладать
дополнительными выходами. Для хранения, например, 100 фильмов объём
накопительной подсистемы должен быть не менее 520 Гбайт (450 – для фильмов, и
не менее 15% всей ёмкости для обслуживания). Соответственно, для 1000 фильмов
71
нужно не менее 5,2Тбайт (если реализовать накопительную систему такой ёмкости
из жёстких дисков ёмкостью 250 каждый, то понадобится не менее 40 дисков!).
Такой сервер и его обслуживание – дорогое удовольствие. Одним из способов
удешевления может стать переход к вещанию в стандарте, обеспечивающем лучшее
сжатие видео, например, MPEG-4. Другим решением может стать частичный отказ
от телевидения высокой чёткости. Обусловлено средним качеством нынешних
аналоговых телевизоров.
Пересылка видео
Каждый приёмник обладает уникальным адресом, по которому происходит
адресация. При групповой рассылке передаются адреса нескольких приёмнков.
Далее видеофайл сохраняется на встроенном жёстком диске, и по окончании
загрузки готов к просмотру.
Необходимое оборудование
Список дополнительного оборудования, необходимого и достаточного для
организации VOD:
- видеосервер с накопительной системой;
- сервер удалённого доступа (RAS) или любой другой шлюз (Интернет,
GPRS);
- билинговая система;
- центр координации и управления запросами (сервер).
Сервер удалённого доступа, билинговая система и сервер координации могут
быть выполнены как в разных системных блоках, так и в одном, нераздельном.
3.4.6 Видео-по-запросу
В этой главе описывается создание и использование услуги "Видео-позапросу", приводятся схемотехнические решения, выбирается оборудование.
Назначение услуги
Пользователь цифрового телевидения должен иметь возможность заказать
видеофильм или другие мультимедийные данные для индивидуального просмотра.
Доставка в реальном времени не гарантируется, поэтому абоненту необходимо
иметь в STB встроенный жёсткий диск для хранения файлов.
Выбор фильма производится из каталога доступных (хранящихся в данный
момент на сервере провайдера) или возможных для заказа. Для этого вводится
уникальная идентификация фильмов, а всем пользователям на приставки
периодически рассылается каталог. Заказ производится из этого каталога, и спустя
время начинается передача фильма.
Доставка видео производится дейтаграммным методом без подтверждения
или с отложенным подтверждением, однако само подтверждение не влияет на
повторную передачу фильма, а собирается лишь для статистики. Кроме того, они
могут разрешить конфликт в случае спора абонента, по каким-либо причинам не
получившего фильм, и оператора, выславшего его.
Кроме того, при заказе фильма несколькими абонентами, возможна групповая
пересылка.
72
Пересылка видео
Начнём с последнего этапа – с доставки видео в STB абонента. Чтобы понять,
как происходит адресация, следует обратиться к описанию стандарта DVB.
Каждому пользователю (т.е. DVB/MPEG-2 приемник) присвоен MAC адрес
(например, из базы пользователей). Уникальные MAC адреса используются для
идентификации оборудования пользователя.
Каждый кадр данных инкапсулируется путем добавления заголовка секции MAC адреса и, при необходимости, дополнительного заголовка с Logical Link
Control (LLC) / Sub Network Access Protocol (SNAP). Достоверность данных
защищена CRC-32 контрольной суммой. Весь блок данных называется секцией.
Длина секции регулируется добавлением пустых байтов для сегментации на целое
число транспортных пакетов MPEG-2 длиной 188 байт. Транспортным пакетам
присваивается PID, основанный на информации о маршрутизации на передающем
хабе. Группе пользователей может быть выделен один и тот же PID для
формирования Virtual Private Network (VPN), или же каждому пользователю может
быть выделен отдельный PID. Обычно пакеты передаются в Unicast режиме (т.е.
точка-точка), при котором только один приемник доставляет данные, а другие
приемники в сети принимают, но отбрасывают эти данные, так как или MAC адрес
и/или PID не соответствует их внутренним фильтрам. Multicast передача также
возможна, используя multicast адреса. Управление группами не предусмотрено и
должно обеспечиваться другими способами, например, используя наземный
обратный канал.
То есть, адресация транспортных пакетов происходит по уникальным
идентификаторам абонентов.
Передатчик и мультиплексор
Окончательно сформированный ТП подается на передатчик. Передатчик
должен удовлетворять следующим требованиям:
- диапазон рабочих частот 470 МГц – 860 МГц
- вход ASI
- выходы:
o RS-232-C подключается графический пользовательский интерфейс
o RS-232-C
подключается
модем
для
удаленного
администрирования;
опционально
может
устанавливаться
параллельный порт RS-485 для удаленного администрирования
- режимы передачи 2К или 8К
- длительность полезной части символа 224 мкс (2К) и 896 мкс (8К)
- модуляция QPSK, 16QAM or 64 QAM
- скорость внутреннего кодирования 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
- защитный интервал 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
- возможность иерархической передачи данных
- число усилительных каскадов 3; рисунок 3.6
- жидкостное охлаждение
- полоса частот 7 или 8 МГц
Кодирование и модуляция производится согласно стандарту ETSI EN300744.
73
Мультиплексирование производится статистическим мультиплексором. В
одном или нескольких входных потоках передаётся заказанный(е) фильм(ы).
Видеосервер
Описание и характеристики
В качестве типового решения может быть рекомендован Little Big Server. The
Little Big Server (LBS) - это видеосервер, организованный на базе PC с
операционной системой Windows NT. Он состоит из нескольких PCI-плат, каждая из
которых обслуживает 5 DVB I/O каналов (1 In + 4 Out или 2 In + 3 Out). Эти платы
соединяются с дополнительной коммуникационной панелью и обеспечивают
совместимость с ASI, ECL-P и/или LVDS стандартами.
The Little Big Server предоставляет возможность запоминать большое
количество информации, которая может быть немедленно использована для
цифрового телевизионного вещания. The Little Big Server записывает и
воспроизводит цифровые программы в форматах SPTS (транспортный поток одной
программы) или MPTS (транспортный поток многих программ). Сервер также
может создавать MPTS сигнал из нескольких SPTS сигналов.
Полностью автоматическая процедура записи обеспечивает правильное
воспроизведение транспортных потоков без знания их свойств. Благодаря мощной
процедуре записи на диск, The Little Big Server может обрабатывать очень большие
потоки, используя только небольшую часть мощности CPU.
Каналы ввода/вывода The Little Big Server полностью DVB совместимы,
размер записываемых пакетов 188 или 204 байт. Канал ввода может записывать
сигнал до 100 Mbps. Сервер может записывать и воспроизводить сигналы любого
варианта MPEG2 профиля и уровня (включая 4:2:0 Main Profile@Main Level, 4:2:2
Profile@Main Level и Studio Profile@Main Level).
При воспроизведении, каждый канал вывода может обеспечивать до 100
Mbps, однако, скорость суммарного потока ограничена возможностями диска или
RAID массива. При воспроизведении также возможны два размера пакетов - 188 или
204 байт.
До трех PCI-плат плат может быть установлено вместе внутри одного
сервера, образуя 15 DVB каналов ввода/вывода. Типичное значение скорости
суммарного потока для полной системы может составлять 300 Mbps. EVS DVB
плата обеспечивает продуманную поддержку синхронизации и работает как по
внешнему синхросигналу, так и по внутреннему.
Одно из ключевых свойств The Little Big Server - способность осуществлять
воспроизведение с правильным кадровым фазированием, таким, что видеосигнал на
выходе при декодировании синхронизируется и есть точно такой, какой ожидается, в
нужный момент, с покадровой аккуратностью! Эта уникальная возможность
осуществима благодаря разработке компании EVS DVB платы, работающей в
операционной системе Windows NT4.0.
The Little Big Server может быть реализован на основе разных типов
запоминающих устройств. В настоящее время он поддерживает дисковые RAID
массивы уровней 0, 1, 3 или 5 объемом до 945 GB (478 часов @ 4.5 Mbps).
Ленточные запоминающие устройства, от внутреннего ленточного
накопителя до огромных систем внешней памяти, также могут быть использованы
74
для увеличения объема хранимого видеоматериала (например, Petasite ленточная
библиотека фирмы Sony).
The Little Big Server управляется с помощью интуитивно понятного
графического интерфейса пользователя, работающего под Windows NT4.0. Также как
и разработанное EVS программное обеспечение, все обычные NT инструменты
могут быть использованы для наблюдения за действиями сервера (загрузка CPU,
доступная память, и т.д.).
The Little Big Server - EVS DVB сервер - это сильная и экономичная
альтернатива традиционным M-JPEG серверам, особенно для таких приложений, как
многоканальное телевизионное вещание и цифровая сетевая обработка.
Рис. 3.4.65. Схема подключения LBS.
Расчёт параметров видеосервера
Битрейт одного SPTS-потока составляет 4,5 Мбит/с. При пропускной
способности DVB-T передатчика 31,2 Мбит/с и полном его использовании для VOD
один фильм перешлётся в среднем за 20 минут. Итого, пропускная способность
канала
31,2Мбит / с
 3600c  3 фильма в час  70 фильмов в сутки.
8  4,5 Гбайт
В общем случае передатчик вещает несколько каналов, и незанятой остаётся
полоса V Мбит/с, тогда в сутки можно переслать
VММбит / с
 24  3600c  2,4V
8  4,5 Гбайт
фильмов.
Предположим, пользователь заказывает в неделю k фильмов. Передатчик
работает 90% времени (10% - на непредвиденные обстоятельства). Тогда передатчик
может обслуживать 15,1 
V
пользователей.
k
При режиме вещания 5 ТВ каналов + VOD, V  5 Мбит/с, и при допущении,
5
3
что пользователь заказывает 3 фильма в неделю, получаем 15,1   25 пользователей,
которых может обслуживать один передатчик.
Два передатчика могут обслужить примерно вдвое больше пользователей при
условии равномерной загрузки основных каналов.
75
Если вещание производится более чем на одном частотном присвоении, то
всегда существует вероятность, что пользователь будет смотреть передачу на одном
частотном присвоении, а запрашиваемый фильм транслироваться на другом.
Таким образом, двадцать пять абонентов обещают смотреть семьдесят пять
фильмов в неделю. При этом будет проводиться одновременное вешание 5 каналов.
3.4.6.1. Командный сервер и система биллинга
Выполняет задачу распределения и планирования показа. Содержит базу
данных абонентов, базу данных заказов, ведёт логи. Все сервисы распределения,
планирования, учёта выполняются на этом сервере.
Биллинговая система ведёт учёт абонентских счетов в соответствии с
установленными тарифами. Биллинговая система - это программное обеспечение, и,
хотя она выполняет самостоятельную функцию, всё же она не может существовать
без сервисов КС. Более того, система биллинга может быть интегрирована с
сервисами КС, и граница между ними становится весьма условной.
Программное обеспечение гораздо менее требовательно к ресурсам, чем ПО
для маршрутизации, так что сгодится оборудование, описанное в главе "IP over
DVB-T".
3.4.6.2. Приём заказа
STB абонента соединяется по протоколу TCP/IP с командным сервером.
Затем специально написанный плагин соединяется с приложением-сервером на КС.
Этот пункт жёстко не оговаривается, здесь есть где развернуться фантазии
программиста. Типовое программное решение для управления заказами найдено не
было, его придётся заказывать для индивидуальной разработки.
Промежуточным звеном при приёме заказа является сервер удалённого
доступа. Он должен обеспечивать высокую степень готовности, то есть, не должен
для
абонента
быть
занятым.
Рассчитаем
количество
необходимых
зарезервированных телефонных линий:
пусть количество вызовов в неделю вдвое больше количества возможных
транслируемых фильмов, то есть 150  2  300 . Пусть заказы поступают равномерно в
течение недели, тогда в сутки поступит в среднем около 43 заказов. Естественно, в
течение суток вероятность вызова будет меняться, скорее всего, абонент захочет
сделать вызов утром и вечером. Будем считать, что заказы будут поступать в течение
12 часов в сутки, а в остальное время модемный пул будет простаивать. Тогда Пусть
средняя длительность соединения будет 5 минут (для аутентификации и заказа этого
вполне достаточно). Тогда интенсивность обслуживания заявок будет равна
  60 5  12 .
Средняя относительная нагрузка будет равна
  4312  3.6Эрл .
76
Пользуясь формулой Эрланга найдем вероятность получения абонентом
отказа в обслуживания вызовов из-за занятости в момент поступления всех
шнуровых комплектов:
 n 
n
 j 
1
1   ,
n! 
j 1 j! 
где n – количество линий (модемов). Получаем зависимость
Pîòê (n) 
1
2 0.4
Pîòê ( n)
0.2
0
0
0
0.5
1
1.5
n
2
2.5
3
3
Рис. 3.4.66.
Нас интересует степень готовности не менее 99%. Тогда вероятность отказа
должна быть не более 10-2. При 3 = 10 Pотк(n) = 3,3*10-3, что удовлетворяет условию.
Таким образом количество линий должно быть не менее 3.
Если же использовать ресурс передатчика целиком, то следует ожидать
количество заказов в неделю не менее девятисот, и тогда потребуется не менее пяти
телефонных линий.
77
Литература.
1. Мардер Н.С. Современные телекоммуникации. – М.: ИРИАС, 2006. – 384 с.
2. Локшин Б.А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю – М.: Компания
САЙРУС СИСТЕМС, 2001. - 285 с.
3. Зубарев Ю.Б., Кривошеев И.Н., Красносельский И.Н. Цифровое
телевизионное вещание. Основы, методы системы. – М.: Научноисследовательский институт радио (НИИР), 2001.- 568 с.
4. Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового телевизионного
вещания.- М.: Научно-исследовательский институт радио (НИИР). 2006.928с.
5. Красносельский И.Н. Анализ зарубежного опыта и тенденций перехода на
цифровое наземное ТВ вещание // Электросвязь.- 2007.- №3.- С. 18-22.
6. Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б. Состояние и перспективы развития цифрового
телевизионного вещания в России// Электросвязь.- 2008.- №1.
7. Тюхтин М.Ф. Системы интернет-телевидения. - М.: Горячая линия-Телеком,
2008.-320 с.
8. М.С. Немировский, О.А.Шорин, А.И.Бабин, А.Л.Сартаков Беспроводные
технологии от последней мили до последнего дюйма: Учебное пособие. - М.:
Эко-Трендз, 2010.- 400 с.
9. Материалы учебного центра СибГУТИ и ООО «НПО Триада- ТВ»
г. Новосибирск.
10.Г.В. Мамчев Теория и практика наземного цифрового телевизионного
вещания: Учебное пособие / СибГУТИ – Новосибирск, 2010. 340 с.
11.Электроакустика и звуковое вещание: Учебное пособие для вузов /
И.А.Алдошина, Э.И. Вологдин, А.П. Ефимов и др. Под ред. Ю.А. Ковалгина.М.: Горячая линия – Телеком. Радио и связь. 2007. – 872 с.
12.Гельгор А.Л., Попов Е.А. Система цифрового телевизионного вещания
стандарта DVB-T: Учебное пособие. — СПб.: Изд-во Политехнического
университета, 2010. — 207 с.
78