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. Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV. Если же все SAT программы будут вещаться в ТВЧ, то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ 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 (). К используемому в DVB-S = 0,35, в новом стандарте добавлены коэффициенты = 0,20 и = 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 (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 ±. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работающим 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 К-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.

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.