Система телевизионного вещания по кабелю DVB-C

Ожидаемое внедрение цифрового телевидения в системы кабельного телевидения (СКТ) ставят вопрос об их пригодности для этой цели и об оценке необходимых усовершенствований и доработок. В силу того, что в правильно спроектированной СКТ довольно высокое отношение сигнал/шум – S/N (по ГОСТ Р 52023-2003 не менее 43 dB), но в то же время значительно уже полоса канала в сравнении со спутниковой системой, в связи с чем наиболее оптимальным является использование многопозиционной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation – квадратурная амплитудная модуляция). Хорошее S/N согласно теоремы Шеннона снижает вероятность ошибок BER (Bit Error Rate – частота ошибочных бит) и позволяет обойтись одной ступенью помехоустойчивого кодирования. Однако пакетные ошибки не исключены, поэтому перемежение остается составной частью помехоустойчивого кодирования.

Анализ помех и искажений, типичных для линейного тракта, позволяет предположить, что цифровые сигналы окажутся менее чувствительными к интермодуляционным искажениям (CSO и СТВ), чем аналоговые, благодаря значительно меньшему требуемому защитному отношению S/D (цифровой сигнал/цифровая помеха) в совпадающем и соседних каналах и более гладкому спектру. В то же время цифровые QAM сигналы более чувствительны к амплитудным и особенно фазовым искажениям в тракте, поэтому вопросы согласования, коррекции характеристик остаются достаточно острыми.

В литературе еще недостаточно данных о взаимном влиянии большого числа цифровых потоков в кабельной сети, т.к. благодаря эффективному сжатию, в одном частотном канале удается передать до 4-6 ТВ программ, и после перевода на цифровой формат даже очень загруженная сеть с 25-35 транслируемыми программами переходит в категорию сетей с 5-7 реально занятыми физическими каналами, в которых проблемы взаимных помех не столь актуальны.

В построении головных станций (ГС) переход на цифровой формат предъявляет новые требования к аппаратуре обработки и формирования сигналов. Появляется возможность формировать многопрограммные цифровые потоки, не декодируя принятые MPEG-2 сигналы, а выделяя на них нужные компоненты на уровне транспортного потока и ремультиплексируя эти компоненты в новый транспортный поток. Также на уровне транспортного потока при этом могут решаться вопросы скремблирования, смены системы условного доступа. Принятый в стандартах DVB единый подход к канальному кодированию существенно облегчает обработку и преобразование сигналов DVB, т.к. число дополнительных операций при преобразованиях оказывается минимальным. В этом смысле стандарт DVB-C достаточно близок к спутниковому стандарту DVB-S.

Структура системы DVB-C (Стандарт DVB-C) максимально гармонизирована со структурой спутниковой системы DVB-S, но в качестве типа модуляции в ней используется не QPSK, а M-QAM с числом позиций М от 16 до 256 (т.е. от 16 QAM до 256 QAM). На рис.1 показана структура как оборудования ГС кабельной линии, так и абонентского приемника-декодера для такой линии.

Входными сигналами на ГС являются транспортные пакеты MPEG-2 и такты, получаемые через интерфейс в основной полосе от: спутниковой линии, технологических линий, локальных программных источников и т.п. Методы инверсии каждого восьмого байта для цикловой синхронизации, рандомизации, перемежения и кодирования RS-кодом не имеют отличий от аналогичных методов и устройств в системах DVB-S и DVB-Т. Преобразователь байтов и кортежи (короткие последовательности битов, равные значности моделирующего кода) осуществляет формирование битовых структур, удовлетворяющих условию последующего получения символов QAM.

С целью получения созвездия, не зависящего от вращения несущей, к двум старшим разрядам каждого символа QAM применяется дифференциальное кодирование. На этом формирование кортежей заканчивается и осуществляется найквистовская согласованная фильтрация для формирования спектра в квадратурных каналах I и О. Затем сигналами I и О моделируются квадратурные несущие, и сигнал QAM переносится по спектру в полосу рабочего кабельного канала, для сопряжения с которым служит физический интерфейс. На приеме в соответствующем порядке выполняются обратные операции по демодуляции и декодированию сигнала в цифровой приставке Set-Top-Box (STB).

Характерной особенностью рассмотренного тракта адаптации является отсутствие внутреннего сверточного кодека и наличие формирования спектра в основной полосе. Защита от пакетированных ошибок производится исключительно за счет перемежения на выходе кодера Рида-Соломона.

После сверточного перемежения непрерывную последовательность байтов необходимо разделить на короткие последовательности битов, каждая из которых соответствует символу QAM, т.е. определенной точке на квадратурной диаграмме модулированного сигнала. Такие последовательности двоичных символов называются кортежами. Длина кортежа m=log2(M), где М – число позиций сигнала M - QAM (т.е. 2 m×QAM).

Циклическая задача отображения байтов в кортежи для одного цикла может быть выражена формулой:

8k = n×m,

где: k – число преобразуемых байтов по 8 бит;

n – число кортежей длиной m бит.

Различным вариантам модуляции M - QAM соответствуют значения коэффициентов, показанные в табл.1.

Таблица 1.

Минимальный цикл преобразования в 1 байт соответствует видам модуляции 16 QAM и 256 QAM При 256 QAM байты и кортежи совпадают.

В табл.2 приведены примеры расчетных значений символьной и информационной скоростей при разных кратностях модуляции в канале с полосой 8 МГц. Максимальная скорость достигает 38,1 Мбит/с, что соответствует пропускной способности ствола спутникового ретранслятора с полосой 33 МГц в типовом режиме Fсимв = 27,5 Мсимв/с, CR = 3/4.

Таблица 2.

Что несет с собой стандарт DVB-C? Такой вопрос наиболее часто задают кабельные операторы при переходе на цифровые технологии. При внедрении стандарта DVB-C реализуются следующие преимущества:

Существенная экономия частотного ресурса. Действительно, если в одном физическом канале размещаются 4-8 ТВ программ, то это означает, что для передачи 60-ти программ потребуется всего около 10-ти каналов. Такой частотный выигрыш особенно ощутим при внедрении стандарта DVB-C на устаревших сетях с пропускной способностью до 240…300 МГц. В таких сетях легко размещаются свыше 100 цифровых каналов, а при активизации реверсного канала – и услуги интерактивного сервиса.

Существенно повышается качество транслируемых программ. Действительно, трансляция аналоговых сигналов неизбежно влечет за собой снижение их качества в части неизбежного накопления искажений (шумы, интермодуляционные искажения, фоновая помеха, наводимые сигналы, кросс-модуляция и т.д.). Цифровые же сигналы (DVB-C) сохраняют свое качество вне зависимости от протяженности магистрали. Для них достаточно превышения требуемого уровня сигнала (что всегда выполняется на практике в силу более высокой чувствительности STB в сравнении с телевизором) и порогового значения S/N, которое много ниже регламентируемых 43 dB согласно ГОСТ Р 52023-2003.

При использовании стандарта DVB-C появляется возможность значительно увеличить зону обслуживания СКТ за счет более низкого шумового порога (не более 36 dB). Расчеты показывают, что при использовании стадарта DVB-C возможно увеличение зоны обслуживания в 10 и более раз. Причем, такое увеличение зоны охвата наиболее эффективно именно на устаревших сетях с верхней частотой 240…300 МГц. На таких частотах погонные потери коаксиального кабеля почти в 2 раза меньше, чем на частоте 862 МГц, с которой проектируются современные СКТ. При меньших погонных потерях требуется меньшее число усилителей, что и гарантирует поддержание высокого значения S/N.

Более того, снижение числа физических каналов снижает энергетическую нагрузку самой СКТ, что эквивалентно значительному улучшению S/N, CTB и CSO.

Появляется возможность эффективного кодирования пакетов программ, сформированным по тем или иным экономическим соображениям, что позволяет операторам СКТ получать дополнительные прибыли за счет формирования платных каналов. При использовании DVB-C также облегчается и возможность использования фильтров пакетирования за счет снижения числа физических каналов и появления частотных пробелов, которые необходимы при использовании фильтров пакетирования.