Все о стандарте DVB-S2

[Konstantin]

Стандарт DVB-S2. В 2004г. появился стандарт SAT 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 же стандарт DVB-S2 призван покрыть недостатки как стандарта DVB-S (низкие скорости потоков за счет формата модуляции QPSK), так и стандарта DVB-DSNG (работа SAT передатчиков при пониженных выходных мощностях в силу требования обеспечения более низких искажений). Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами.

Важнейшим фактором создания нового стандарта DVB-S2 стали планы массового запуска HDTV (телевидение высокой четкости ли высокого разрешения - ТВЧ). Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV (телевидение стандартного разрешения). Если же все SAT программы будут вещаться в ТВЧ, то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии TV сигнала. Таким образом, перспектива появления HDTV потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих имеющиеся частотные ресурсы (т.е. DVB-S2).

Вторая причина появления стандарта DVB-S2 обязана неудовлетворительной работе имеющихся приемных систем K a-диапазона. Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и KU-диапазонах.

Третья причина появления стандарта DVB-S2 - появление интерактивных SAT сетей с адресными услугами. Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата. Старые стандарты таких возможностей не предоставляют.

Таким образом, от нового стандарта DVB-S2 требовалось следующее:

повысить эффективность использования транспортного канала, т.е. предоставить возможность в полосе стандартного канала передавать больше бит полезной информации на помехоустойчивость;
допускать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале.
Кроме того, стандарт DVB-S2 должен был обеспечить совместимость с прежними стандартами и пути плавной миграции от старого оборудования к новому.

Первые два требования удалось выполнить за счет введения в стандарт более разнообразных схем модуляции, использования более эффективных систем защитного кодирования и введения дополнительных коэффициентов скругления, обеспечивающих более крутые фронты модулированного сигнала.

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. Режим АСМ предназначен для сетей с обратным каналом, где приемные системы имеют возможность переправлять на головную станцию информацию об условиях приема.

В результате был создан универсальный стандарт (DVB-S2), на базе которого могут строиться сети для распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Новый стандарт DVB-S2 также удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей.

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.

Новый стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможности схемы модуляции (рис.1). Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают там 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 констелляционного 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.

Одновременно с введением более высоких уровней модуляции стандарт DVB-S2 предусматривает возможность применения двух дополнительных коэффициентов скругления alpho (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 a способствует повышению нелинейных искажений, что особенно сказывается при передаче одной несущей на транспондер. Поэтому конкретное значение коэффициента выбирается с учетом всех параметров передачи.

Для защиты от помех в новом стандарте DVB-S2, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции (Forward Error Correction - FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты - другие, чем в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты в место кода Рида-Соломона используется код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose- Bhaudhuri- Hocquenghem, BCH), а в качестве внутренней, вместо сверточного кода, - код с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes - LDPC).

Для дополнительного снижения частоты ошибки используется внешний уровень кодозащиты ВСН, работающий при малой плотности ошибок. В большинстве режимов код позволяет исправлять до 12 ошибок, но в некоторых - до 8 или до 10 ошибок.

Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2 TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой.

DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/шум.

Режимы с совместимостью вниз в основном предназначены для сетей вещания и более всего - для операторов, предоставляющих субсидии на покупку абонентских приемников. Они могут использовать эти режимы на время смены парка приемников, а затем переключиться на более эффективные, несовместимые режимы.

Стандарт DVB-S2 допускает два таких режима. В первом производится одновременная передача сигналов стандартов DVB-S и DVB-S2, асинхронно комбинируемых в одном частотном канале. Во втором сигнал DVB-S2 накладывается на сигнал DVB-S с помощью иерархической модуляции. То есть поток DVB-S выступает в качестве сигнала верхнего приоритета, а поток DVB-S2 - в качестве сигнала нижнего приоритета (рис.2). Сигнал DVB-S2 передается с помощью модуляции 8 PSK с неоднородной структурой констелляционного созвездия. Две точки созвездия, размещенные в каждом квадранте, отображают один символ сигнала с верхним приоритетлм. Наложение сигнала DVB-S2 осуществляется сдвигом символов в констелляционном поле по окружности на угол ±θ. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работабщим в режиме, близкому к насыщению.

Совместимые вниз режимы не позволяют полностью использовать потенциал нового стандарта DVB-S2 и довольно сложны в реализации. Поэтому, скорее всего, они не получат широкого распространения.

В зависимости от выбранного режима помехоустойчивого кодирования и схемы модуляции, уровень сигнал/шум, позволяющий принять сигнал на приемной стороне, колеблется от -2,4 dB (при модуляции QPSK и FEC с относительной скоростью 1/4) до +16 dB (32 APSK и FEC 9/10). Эти значения справедливы для гауссовского канала и идеального демодулятора. Они были получены методом компьютерного моделирования. При условии допустимости BER на уровне 10Е-7 энергетика сигнала превышает предел Шеннона всего на 0,7 - 1,2 dB.

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. 2 показаны варианты полезной скорости, достигаемые при разных конфигурациях системы, а также полезные скорости сигналов стандартов DVB-S и DVB-DSNG.



Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима АСМ, предназначенного для интерактивных адресных приложений, таких как передача IP unicast. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 dB, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим АСМ наиболее эффективен применительно к трансляциям Кα-диапазона, а также для тропических зон приема.

На рис. 3 показана схема работы спутниковой системы в этом режиме. Система включает АСМ шлюз, DVB-S2 модулятор с поддержкой АСМ, передающую наземную станцию, спутник и систему приема спутникового сигнала, подключенную к АСМ шлюзу через реверсный канал.


В АСМ режиме формат помехоустойчивого кодирования и схема модуляции могут меняться от кадра к кадру. В условиях повышенного затухания сигнала услуга может поддерживаться за счет снижения скорости передачи полезной информации с одновременным повышением избыточности помехозащитного кода и/или перехода к более помехоустойчивой схеме модуляции. Качество принимаемого сигнала оценивается параметром C/N + I.

Каждая приемная система измеряет величину этого параметра и по реверсному каналу отправляет результат к АСМ шлюзу.

В заключение следует отметить, что консорциум DVB Project не предполагает, что новый стандарт заменит старые уже в ближайшее время. Сегодня в мире работает множество коммерчески успешных спутниковых сетей стандарта DVB-S, и их трансляции принимаются миллионами декодеров, способными прослужить еще не один год. Поэтому наиболее вероятным сценарием внедрения нового стандарта DVB-S2 выглядит его использование для трансляции услуг, которые не могут быть приняты традиционными приемниками. Например, ТВ сигналов, компрессированных в новых форматах и/или передаваемых с высоким разрешением.

Вполне возможно, что новый стандарт DVB-S2 быстро найдет применение и в сетях спутникового сбора новостей. Хотя бы в виду значительных преимуществ, которые предоставляет АСМ режим. Но скорость его массового внедрения, вероятно, будет зависеть от появления новых услуг, несовместимых с имеющейся приемной аппаратурой.

Источник: Контур-М

[Konstantin]

Самая первая в мире DVB-S2 карта с аппартным декодером H.264

На проходящей в Ганновере выставке CeBIT 2006, компания Micronas представила первую в мире спутниковую dvb-карту с аппаратным декодером H.264. Карта поддерживает новейший стандарт вещания DVB-S2 и выполнена в конструктиве PCI-Express. Карта снабжена аппаратным декодером MPEG-2/-4 и H.264.

Судя по сообщению www.heise.de, на стенде Micronas на CeBIT (зал 23, стенд A43) во время демонстрации при воспроизведении HD-сигнала формата 1080i/50Гц система на процессоре 2800 Celeron и чипсете Intel-915G, была загружена всего на 10%. На аналогичной задаче, рядом установленная система AMD Athlon 64 X2 3800+, видеокарта ATI Radeon X1900, софтовая DVB-S2 карта с программным декодером показала загрузку процессора около 60% и изображение было нестабильным.

К сожалению, в сообщении не уточняется, была ли задействована поддержка аппаратного декодирования H.264 в видеокарте Radeon X1900. Также не приводится подробностей об архитектуре карты и не говоря о предполагаемой цене.

В продаже карта появилась в конце 2006 г. Как сообщили представители Micronas, будет подготовлено решение по совместному использованию карты с USB2.0 считывателем смарт-карт.

[Konstantin]

Физический уровень и структура пилота
// Physical Layer and Pilot Structure

Кадровая синхронизация (Frame synchronization) необходима для указания начала каждого блока FEC для декодера. Она также предоставляет необходимую информацию ресиверу в целях использования соответствующего демодулятора и декодера для демодуляции и декодирования передаваемой информации. Необходимо учесть, что появятся некоторые расходы для синхронизации кадров. Она разработана так, чтобы ее можно было использовать для уменьшения первоначальной частоты и фазы неопределенности (phase uncertainty) модулированного сигнала. Кадровая синхронизация предназначена для обеспечения надежной работы при плохом соотношении сигнала к шуму (SNR) с минимальными затратами. Она также нужна, чтобы минимизировать получаемые потери демодулятором от приобретенного конвертером (LNB) фазового шума. На самом деле, фазовый шум (phase noise) особенно вреден для демодулирования таких высоких модуляций, как 8PSK, 16APSK и 32APSK. Чтобы не уйти за ограничения пропускной способности канала связи (Shannon limit) в DVB-S2 FEC, Pilot-символы могут быть добавлены, чтобы помочь демодулятору свести к минимуму вероятность цикла скольжения и обеспечить более точную оценку фазы. Эти пилотные (pilot) символы также предназначены для уменьшения расходов на общую полосу пропускания и могут быть включены или выключены по желанию. Структура кадровой синхронизации и пилота (pilot) описаны в этом приложении.

http://www.linuxtv.org/wiki/index.php/DVB-S2#Physical_Layer_and_Pilot_Structure