АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Вергелес Д.П.
Источник: «Информационные системы», 2004. Труды постоянно действующей научно-технической школы-семинара.

Введение

Типы систем телевизионного (ТВ) вещания подразделяются по методу доставки ТВ-сигнала к конечному приемнику на спутниковые, когда спутник используется в качестве ретранслятора, наземные, когда в качестве ретранслятора используются мощные приемопередатчики, находящиеся на Земле, и кабельные. Для каждого типа существуют свои стандарты. Для спутникового вещания цифрового телевидения (ЦТВ) на сегодняшний день используются два основных стандарта: Integrated Services Data Broadcasting Satellite Systems (ISDB-S) [1], применяемый в Японии, и Digital Video Broad-casting Satellite (DVB-S) [2], применяемый как в Европе, так и во всем мире. Основными стандартами для наземного ЦТВ-вещания являются: ISDB-T (Terrestrial) [3], применяемый в Японии; DVB-T [4], применяемый во многих странах мира (Германия, Китай, Австралия и т.д.), и Advanced Television Systems Committee (ATSC) [5], применяемый также в разных странах (США, Бразилия и т.д.). Для кабельного ЦТВ в основном используются стандарты DVB-C (Cable) [6] и японский стандарт ISDB-С (пока еще не стандартизован). В качестве основных стандартов непосредственной цифровой компрессии видеоизображений и звука на сегодняшний день используется MPEG-2 [7] для видео- и MPEG-1 [8], MPEG-2 [9], AC3 [10] для аудиосигналов. Все вышеприведенные стандарты ЦТВ используют именно эти методы аудио- и видеокомпрессии. Отличаются они в основном лишь методами модуляции. В настоящее время существует два основных типа приемных устройств – это так называемые Set-Top-Box и собственно ПК с использованием соответствующей периферии, например PCI-карт или USB- приемников, и программного обеспечения, включающего операционную систему.

Одним из неоспоримых достоинств цифрового представления ТВ-сигнала над аналоговым является независимость количества выполняемых с сигналом операций (исключая перекодирование) от отношения сигнал/шум. Поскольку это свойство снимает проблему ухудшения качества при многократном перезаписывании ТВ-данных, возникает задача защиты этих данных от несанкционированного копирования и распространения. Существуют различные подходы к решению данного вопроса. В основном это методы шифрования и идентификации, реализуемые защитными системами. Наиболее перспективным подходом является внедрение дополнительной информации в сам сигнал, которая впоследствии позволит его идентифицировать.

Последующий анализ структуры систем приема-передачи ТВ-сигнала должен выявить функциональные звенья, в которых были бы применимы те или иные методы защиты.

Приемопередача ЦТВ

Обобщенная структурная схема приема-передачи сигналов ЦТВ включает пять основных блоков (рис. 1).

Блок 1 выполняет такие функции, как захват видео- и аудиосигналов с определенного источника (камера, видеомагнитофон и т.д.), а также дополнительных данных (файлы); уменьшение объема видео- и аудиоданных за счет цифровой компрессии; мультиплексирование видео- и аудиопотоков, требуемых для передачи, в единый цифровой транспортный поток.

Блок 2 осуществляет помехоустойчивое кодирование единого цифрового потока, модуляцию транспортного потока соответствующим типом, непосредственную передачу модулированного сигнала.

Блок 3 в общем случае может выполнять такие функции, как прием, усиление, демодуляцию, обнаружение и исправление ошибок, модуляцию, передачу.

Блок 4 выполняет функции, противоположные блоку 2: прием сигнала, демодуляцию, обнаружение и исправление ошибок, возникших при передаче.

Блок 5 отвечает за демультиплексирование, декодирование отдельных видео- и аудиопотоков и вывод декодированных данных на конечные устройства (экран и акустические системы).

Рис. 1 – Обобщенная структурная схема системы приема-передачи ЦТВ

Все три типа систем вещания ЦТВ (спутниковое, кабельное, наземное) отличаются лишь блоками 2, 3, 4. Блоки 1 и 5 строятся по одним и тем же принципам как в различных типах систем, так и в системах одного типа, но по различным стандартам. Рассмотрим более подробно спутниковое ЦТВ.

Спутниковое ЦТВ

Название данного типа системы вещания обусловлено ретранслятором, в качестве которого выступает спутник, находящийся, как правило, на геостационарной орбите [11]. Как было уже отмечено, доминирующим стандартом для спутникового ЦТВ является DVB-S. Для того чтобы рассмотреть блок приема сигнала (блок 4, рис. 1), нам необходимо показать принципы передачи сигнала. Для этого кратко рассмотрим функциональные звенья блока передачи сигнала (рис. 2).

Рандомизация – процесс превращения цифрового сигнала в квазислучайный для равномерного распределения энергетического спектра впоследствии излучаемого радиосигнала.

Внешнее кодирование – помехоустойчивое кодирование кодами Рида-Соломона RS (204,188), в результате которого к пакетам транспортного потока стандартной длины 188 байт добавляются дополнительные 16 байт, позволяющие на приемной стороне обнаружить и исправить до 8 ошибочных байтов [12].

Внешнее перемежение – перемешивание байтов, для того чтобы длинные пакетные ошибки, возникающие в канале связи и искажающие последовательно идущие байты данных, при обратном перемежении были распределены по разным кодовым словам кода Рида-Соломона. Вследствие этого в кодовое слово попадет лишь малая часть пакетной ошибки, для которой системе обнаружения и исправления ошибок потребуется меньший объем вычислительных данных [13].

Внутреннее кодирование – помехоустойчивое кодирование так называемыми перфорированными сверточными кодами с длиной кодового ограничения к=7 и скоростями передачи 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 [14].

Кодирование кодами Грея – процесс, после которого по синфазному и квадратурному каналам на модулятор поступают пары битов, отличающиеся от предыдущей пары на один символ.

Модуляция – фактически, цифроаналоговое преобразование методом 4-позиционной квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) [15], ведущееся на промежуточных частотах 70 или 140 МГц [2].

Передача – процесс, в который включаются такие операции, как преобразование частоты модулированного радиосигнала в Ku-диапазон 10,95–12,5 ГГц [2], усиление и непосредственная передача радиосигнала на спутниковый ретранслятор.

Рис. 2 – Обобщенная функциональная схема блока передачи DVB-S-сигналов

В соответствии с блоком передачи сигнала DVB-S будет строиться и блок приема (рис. 3).

Рис. 3 – Структурная схема блока приема DVB-S-сигналов

В схему входят следующие узлы. Параболическая антенна диаметром 0,6–1,5 м в зависимости от уровня сигнал/шум принимаемого сигнала. Как правило, за рефлектором антенны помещают наружный блок (конвертер), основной задачей которого является деполяризация, усиление и преобразование частоты принимаемого сигнала из Ku-диапазона 10,95–12,5 ГГц в диапазон частот 0,95–2,15 ГГц, в котором работает приемник. Далее находится QPSK-демодулятор и блок обнаружения и исправления ошибок, выполняющий свои функции при помощи сверточных кодов обратного перемежения и кодов Рида-Соломона. Блок управления переключает гетеродины и тип поляризации при помощи соответствующих сигналов. В конвертере, как правило, используются два гетеродина с частотами 9750 и 10600 МГц. Это необходимо для согласования диапазонов. Дело в том, что диапазон входных частот стандартного приемника – 950–2150 МГц, то есть 1100 МГц. Ширина же Ku-диапазона, в котором передается DVB-S-сигнал, – 2050 МГц (10700–12750 МГц). Поэтому входной Ku-диапазон разбивают на два поддиапазона: нижний – 10700–11700 МГц и верхний – 11700–12750 МГц. Для этого и используются два гетеродина, которые переключает блок управления сигналом частотой 22 кГц. Поскольку сигналы со спутника передаются, как правило, в двух видах поляризации – вертикальной и горизонтальной (в России применяется круговая правая и круговая левая поляризация), то схема имеет поляризаторы, переключающиеся с одного вида на другой при помощи подачи на них сигнала различного напряжения – 13 и 18 В соответственно. Конвертеры, позволяющие переключать частоты гетеродинов и типы поляризации, называются универсальными.

Рассмотрев принципы приема-передачи сигналов DVB-S, покажем функциональную схему блока 4, изображенного на рис. 1 (рис. 4). На схеме обозначено: 1 – QPSK-сигнал, снимаемый с конвертера (см. рис. 3), в диапазоне частот 950–2150 МГц; 2 – QPSK-сигнал на промежуточной частоте; 3 – демодулированный цифровой поток с избыточностью (сверточные коды и коды Рида-Соломона); 4 – цифровой поток с обнаруженными и исправленными ошибками 1-го уровня (сверточные коды); 5 – цифровой поток в виде пакетов длиною 204 байт, 16 из которых проверочные; 6 – цифровой поток в виде пакетов по 188 байт с обнаруженными и исправленными ошибками (не более 8 исправленных ошибочных байтов на пакет); 7 – стандартные MPEG2 транспортные пакеты длиною 188 байт.

Рис. 4 – Обобщенная функциональная схема блока приема сигналов ЦТВ

Заключение

Кратко рассмотрев основные процессы приема и передачи сигналов ЦТВ в стандарте DVB-S, можно сделать вывод, что введение дополнительных данных для защиты ТВ-информации в блоках передачи (см. рис. 2) и приема (см. рис. 3) не является целесообразным. Это касается случая дальнейшего использования сигнала (хранение, передача по сетям, запись на носители, распространение и т.д.). Если рассматривать передающую часть системы, а защита информации может требоваться как на передающей, так и на приемной стороне, то на рисунке видно, что блок передачи имеет дело уже с мультиплексированным сигналом. Это значит, что к моменту, когда на приемной стороне сигнал вновь станет транспортным потоком MPEG2 [16], с ним уже будут произведены обратные преобразования (см. рис. 4), то есть вся дополнительная информация, введенная в блоке передачи, будет отсутствовать в сигнале, снимаемом с блока приема. Единственная возможность сохранения внесенной дополнительной информации в этих блоках – внесение ее в транспортный поток MPEG2. Нужно учитывать также, что данная информация будет утеряна и при демультиплексировании. Если ее все же необходимо добавлять в транспортный поток, то удобнее это делать в блоке формирования сигналов (блок 1, рис. 1) при непосредственном мультиплексировании и в блоке воспроизведения (блок 5, рис. 1).

ЛИТЕРАТУРА

1. ITU-R Recommendation BO.1211 Digital multi-programme emission systems for television, sound and data services operating in the 11/12 GHz frequency range, 1995.
2. EN 300421/ Digital Broadcasting Systems for television, sound and data services. Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services, 1994.
3. ITU-R 11A/59/ Proposed draft new Recommendation-Channel coding, frame structure and modulation scheme for terrestrial integrated services digital broadcasting (ISDB-T), 1999.
4. EN 300744/ Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital Terrestrial television (DVB-T), 1997.
5. ATSC Doc. A/53C/ ATSC standard: ATSC Digital Television Standard (A/53), Revision C Including Amendment. – 2004. – № 1.
6. EN 300429/ Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for cable systems (DVB-C), 1997.
7. ISO/IEC 13818-2 / Coding of moving pictures and associated audio: Video, 1994.
8. ISO/IEC 11172-3 / Information Technology-Coding of Moving Pictures and Associated Audio for Digital Storage Media at up to about 1,5 Mbit/s. – Audio, 1993.
9. ISO/IEC 13818-3 / Coding of moving pictures and associated audio. – Audio, 1994.
10. ATSC Doc. A/52А/ ATSC standard: Digital Audio Compression (AC-3), Revision A, 2001.
11. Мамаев Н.С. Цифровое Телевидение / Н.С. Мамаев, Ю.Н. Мамаев, Б.Г. Теряев. – М.: Горячая линия-Телеком, 2001. – 180 с.
12. Харкевич А.А. Борьба с помехами. – 2-е изд. – М.: Наука, 1965. –276 с.
13. Гласман К. Методы передачи данных в цифровом телевидении. Ч. 3 // “625”. – 1999. – № 9.
14. Никитин Г.И. Сверточные коды: Учеб. пособие / СПбГУАП. – СПб., 2001. – 80 с.
15. Прокис Дж. Цифровая связь / Пер. с англ.; Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.
16. ISO/IEC 13818-1 / Coding of moving pictures and associated audio. – Systems, 1994.

вверх

---

© Nesterenko Ann, 2011