На правах рукописи

Канев Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ АДАПТИВНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ В

СИСТЕМАХ ЦИФРОВОГО ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Специальность 05.12.04- Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском техническом университете связи и информатики (ГОУ ВПО МТУСИ) на кафедре Телевидения им. С.И. Катаева.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Безруков Вадим Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кукк Калью Иванович кандидат технических наук, доцент Смирнов Александр Витальевич Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское Орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени конструкторское бюро Электрон"

Защита состоится 9 июня 2011 г. в 15-00 ч. на заседании диссертационного совета Д219.001.01 в Московском техническом университете связи (ГОУ ВПО МТУСИ) и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-448.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики.

Автореферат разослан «_» мая 2011 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д219.001.01, к.т.н., доцент Иванюшкин Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Распоряжение Правительства РФ от 25 мая 2004г. № 706-Р определяет основой цифрового телевизионного (ТВ) вещания на территории РФ стандарты DVB. В соответствии с этим распоряжением было принято решение о начале наземного ТВ вещания первого мультиплекса в пределах всей страны с использованием системы DVB-T. В 2009 году завершена разработка стандарта на второе поколение системы наземного ТВ вещания DVB-T2. В настоящий момент она является наиболее перспективной для последующего развития наземного цифрового ТВ вещания на территории РФ.

Актуальным является вопрос создания устройств как для корректного формирования и приема сигналов DVB-T/T2, так и для проведения измерений характеристик и параметров этих систем при построении реальных сетей вещания.

Данные устройства могут быть успешно реализованы лишь на основе скрупулзного учта специфики характеристик и параметров информационных сигналов. Только на этой основе можно выявить направления совершенствования системы в целом и отдельных аппаратных решений, а также конкретизировать отличия эффективных технических решений для рассматриваемых систем среди возможного многообразия устройств, использующих радиоканалы для передачи информации.

В связи с высокой вероятностью возникновения (в будущем) ситуации одновременного вещания на основе систем и DVB-T и DVB-T2, при разработке оборудования для наземного ТВ вещания следует уделить внимание созданию таких устройств, которые были бы максимально адаптированы и к первому и ко второму вариантам систем в плане обработки данных. Это позволит существенно минимизировать число возможных технических решений, которые целесообразно использовать в РФ при производстве аппаратурных блоков для оборудования цифрового наземного ТВ вещания.

Системы цифрового ТВ вещания стандарта DVB как первого, так и второго поколения используют модуляцию OFDM. Одной из основных проблем данного вида модуляции является высокие требования к степени соответствия частот передачи и приема сигнала. Следовательно, первоочередной задачей на современном этапе является разработка алгоритма наджной оценки отклонения частоты при приеме от частоты вещания в радиоканале. Другим, не менее важным, направлением является идентификация на примной стороне параметров составляющих структур радиосигналов систем стандартов DVB.

Совершенствование известных и разработка новых алгоритмов обработки информационных сигналов стандарта DVB-T/DVB-T2 обеспечивает основу для увеличения эффективности функционирования систем цифрового ТВ вещания и создания конкурентных преимуществ на современном этапе организации в РФ производства оборудования.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и устройств, позволяющих, с учетом характеристик и параметров сигналов систем цифрового ТВ вещания, обеспечить надежный прием сигнала и дальнейшую обработку полученных данных.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно практические задачи:

1. Проведен анализ алгоритмов формирования, особенностей структуры, характеристик и параметров сигналов в системах цифрового вещательного телевидения DVB-T и DVB-T2.

2. Исследованы характеристики устойчивости модуляции OFDM системы DVB-T к действию различных шумов и при многолучевом распространении.

3. Исследованы специфические особенности прохождения цифрового сигнала системы DVB-T через тракт мощного аналогового передатчика.

4. Разработан метод определения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в системе цифрового вещательного телевидения DVB-T.

5. Проведены аналитические исследования влияния смещения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала на эффективность декодирования радиосигнала OFDM.

6. Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T.

7. Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T 8. Проведены экспериментальные исследования разработанных устройств оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала систем DVB-T и DVB-T2.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы современные методы теории передачи, цифровой обработки сигналов и изображений, включая элементы теории функций и функционального анализа, теории численного интегрирования, методы спектрального анализа, программирования и др.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод определения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в системе цифрового вещательного телевидения DVB-T.

2. Проведены аналитические исследования влияния смещения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала на принимаемый 3. Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала системы DVB-T.

4. Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала системы DVB-T Практическая ценность:

1. Разработан метод определения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в современных системах цифрового вещательного телевидения.

2. Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T.

3. Разработано устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T Реализация результатов работы. Результаты диссертации внедрены при проведении НИР в НТЦ ТВ ФГУП НИИР с включением в отчет (Гос. рег. № 0120. 810565), при разработке устройств по стандарту DVB-T в “ЦТВ СИГМА”, в учебный процесс кафедры телевидения им. С.И. Катаева МТУСИ и использованы при выполнении НИР в отделе “Цифрового телевидения и видеоинформатики” МТУСИ.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на НТК МТУСИ, Москва, 2009 г.г., научных сессиях российского научно-техническое общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.

Попова, 2008-2010г.г. и на НТК профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2008-2011 г.г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе, 5 работ - в журналах, соответствующих перечню ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состроит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста. Список литературы включает 115 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты относительного анализа алгоритмов формирования, структуры, характеристик и параметров сигналов в системах цифрового вещательного телевидения DVB-T и DVB-T2;

2. Результаты экспериментальных исследований прохождения сигнала OFDM через усилительный тракт мощного аналогового передатчика;

3. Результаты анализа полученных экспериментально характеристик модуляции OFDM системы DVB-T при действии шумов различного характера и при многолучевом распространении;

4. Разработанный метод нахождения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в современных системах цифрового вещательного телевидения;

5. Результаты аналитических исследований влияния на характеристики сигнала OFDM смещения частоты приема относительно центральной частоты 6. Разработанное устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T;

7. Разработанное устройство оценки отклонения частоты приемника относительно центральной частоты радиоканала для системы DVB-T2.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, охарактеризовано состояние исследуемых вопросов, определены цель, задачи и методы исследований.

Сформулированы научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту. Представлены состав и краткое описание работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.

В первой главе «Основные характеристики и параметры систем цифрового телевизионного вещания» осуществлн анализ специфики функционирования, характеристик и параметров систем наземного цифрового ТВ вещания двух (DVB-T и DVB-T2) поколений, проведено их сравнение. Рассмотрены вопросы формирования сигнала OFDM систем DVB-T и DVB-T2, конкретизирована кадровая структура этих систем и вариантоы распределения пилот-сигналов. Сформулированы основные проблемы использования данного вида (OFDM) модуляции и методы их устранения в рассматриваемых системах.

Главной модуляционной структурной единицей систем DVB-T и DVB-T является кадр, который состоит из символов OFDM. Для формирования и декодирования символов OFDM используется комбинация быстрого преобразования Фурье (ОБПФ и БПФ). В качестве первичной используются QPSK и QAM модуляция сигнала для каждой из мультиплексированных в частотной структуре символа поднесущих. При формировании модулированного сигнала, последовательные блоки числовых значений, отражающие предаваемую информацию, дискретно конкретизируются в частотной области. Они определяются как входные данные для ОБПФ, с использованием которого заданная в частотной области совокупность отсчтов спектра трансформируется во временную область. В результате ОБПФ получают N отсчетов реального символа, который, в соответствии со стандартом, ограничивают по частотному диапазону. При фильтрации полученного сигнала OFDM следует производить его предварительную коррекцию, которая обеспечивает компенсацию действия фазо-частотной характеристики используемого фильтра в пределах всего частотного диапазона спектра сформированного сигнала.

Для модуляции типа OFDM, применяемой в цифровых вещательных системах, характерны недостатки: возможность возникновения пик-фактора, повышенные требования к стабильности частоты передатчика и строгое соответствие частоты приемника эфирной частоте, возрастание влияния эффекта Доплера на качество мобильного прима символов с увеличением числа мультиплексированных поднесущих.

Основным различием вещательных систем первого и второго поколений DVB на физическом уровне является существенное усложнение во втором поколении структуры передаваемых кадров и суперкадров, адаптационное изменение параметров частотного мультиплексирования с дополнительным возрастанием числа поднесущих в символах и введением специальных символов сигнализации.

При разработке алгоритмов, направленных на совершенствование методов структурную специфику отдельных символов, кадров и суперкадров, которая обусловлена возможными частными вариациями требований к характеристикам и параметрам вещательных систем стандарта DVB. В то же время необходимо уделять внимание и вопросам дальнейшего совершенствованию структуры радиосигнала стандарта DVB, что диктуется постоянно возрастающей “теснотой” в эфире.

Во второй главе «Экспериментальные исследования характеристик и параметров сигналов цифрового вещательного телевидения» представлены результаты, конкретизирующие влияние на помехоустойчивость системы DVB-T параметров модуляции OFDM и канального кодирования. Исследования проведены при воздействии различных шумов: аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) и импульсного шума (ИШ); а также на райсовской и релеевской моделях приема сигнала.

В стандарте на систему DVB-T приведены табулированные значения отношения C/N (мощности сигнала на несущей к мощности шума), требуемого для достижения в различных режимах и условиях вещания вероятности ошибки на выходе декодера Витерби, равной 210-4. В результате проведения экспериментальных исследований были получены зависимости коэффициента ошибок по битам (BER) от отношения несущая/шум C/N для выбранного режима вещания. Полученные зависимости сопоставлены для условий воздействия АБГШ, импульсных помех и комбинаций первого и второго.

В реальных условиях непрерывные и импульсных помехи чаще всего действуют одновременно. По этой причине наибольший интерес представляет исследование помехоустойчивости при совместном воздействии на сигнал АБГШ и ИШ. При проведении экспериментальных испытаний была использована модель импульсного шума (C/I - отношения несущая/импульсный шум), полученного стробированием ограниченное число импульсов шумового воздействия чередуются, с неравномерным периодом, в пределах дискретных пачек, каждая из которых содержит определенное последовательности с числом импульсов внутри пачки, равным 20 (Test 5) и 40 (Test 6).

В ходе проведения измерений на выходе декодера Витерби фиксировалось значение BER, равное 210-4, при различных испытательных соотношениях мощностей гауссовского и импульсного шумов.

Рис.1 Зависимость отношения C/N от C/I при различной относительной скорости кода для теста № В результате экспериментальных исследований тракта был получен ряд графиков, отражающих характеристики помехоустойчивости системы DVB-T в условиях действия в тракте передачи различных весовых комбинаций шумов (АБГШ и ИШ). Некоторые из полученных графиков представлены на рисунке 1. Полученные характеристики помехоустойчивости в условиях совместного действия АБГШ и ИШ при использовании различных параметров вещания. На рис. 1 относительные скорости кода 1/2, 2/3, 3/4, 5/ и 7/8 обозначены цифрами 1 – 5 соответственно. Сопоставление полученных графиков позволяет численно оценить выигрыш в помехоустойчивости в зависимости от выбора количества позиций первичной модуляции поднесущих.

Характер действия импульсной помехи на систему можно проследить по количеству пакетов, содержащих неисправленные ошибки после декодера РидаСоломона. При фиксации некоторого определенного значения BER на входе декодера Рида-Соломона, количество пакетов с ошибками уменьшается вместе со снижением мощности ИШ и увеличением мощности АБГШ. Если же фиксировать значение BER с превышением общепринятого значения 210-4, то отрицательное влияние интенсивности ИШ проявляется в виде более явного возрастания общего числа пакетов с ошибками.

Таким образом, при неизменном значении BER число неисправленных пакетов на выходе декодера Рида-Соломона является показателем возросшей интенсивности импульсных помех и характеризует работу каскадного декодера системы DVB-T.

Информативной формой представления исправляющей способности каскадного декодера по отношению к непрерывным и импульсным помехам является трехмерный график, по осям которого отложены значения отношения C/N, отношения C/I и коэффициента ошибок по пакетам (PER). Пример такого построения применительно к модуляции 64-QAM с защитным интервалом 1/8 и относительной скоростью кода 3/4, показан на рис.2, где цифрами 1 – 3 обозначены кривые, соответствующие значениям BER на входе декодера Рида-Соломона, равным 210-4, 3,610-4 и 5,810-4, моделирование импульсного шума - по тесту № 6.

Помехоустойчивость системы DVB-T существенно зависит от наличия в канале связи импульсных помех и их относительного веса в общей структуре шумового воздействия. Импульсные помехи высокой интенсивности вызывают перегрузку внутреннего декодера Витерби и эффект размножения ошибок. Поэтому даже кратковременные импульсные воздействия на сигнал системы DVB-T могут вызывать существенно более продолжительный сбой нормальной работы декодера.

Рис. 2. Исправляющая способность каскадного декодера системы DVB-T при фиксированных характеристикой случайного импульсного процесса. Проведнные испытания показали, что использованные тесты по типовой модели ИШ позволяют оценить потенциальные возможности системы DVB-T и сравнить, по помехоустойчивости, варианты е реализации с различными видами модуляции поднесущих и параметрами кодовой защиты.

В данной главе были экспериментально получены зависимости влияния многолучевости при приме на характеристики помехоустойчивости системы DVB-T в райсовском и рэлеевском каналах с АБГШ. В райсовском канале ход соответствующих графиков, в целом, соответствует гауссовскому каналу с учетом параллельного сдвига их вправо, примерно, на 1,2 дБ.

Изменение структуры ошибок в канале и резкое снижение помехоустойчивости наиболее существенно проявляется в варианте зависимостей рэлеевского канала.

Соответствующие графики показаны на Рис.3 сплошными линиями, отражающими значения BER до (обозначены цифрами 1,3,5) и после (обозначены цифрами 2,4,6) характеристики помехоустойчивости системы DVB-T в рэлеевском канале с АБГШ (CR=3/4;

захватывает также и кривую после декодера Витерби..

При портативном приеме необходимо учитывать снижение помехоустойчивости, вследствие действия внешних помех, в том числе и импульсного характера. Сочетание внешних помех с приемом в рэлеевском канале может иметь бесконечно большое число вариантов и обусловить необходимость в резерве помехоустойчивости относительно планируемых значений. При приеме в движении модель рэлеевского канала имеет динамический характер, т.к. отраженные сигналы приходят со случайными фазовыми сдвигами и смещением частот несущих из-за эффекта Доплера.

Анализ (глава 1) специфики системы DVB-T2 показал, что используемые методы помехоустойчивого кодирования в данном случае значительно отличаются, а кадр имеет иную структуру по отношению к системе DVB-T. Последнее определяет высокую актуальность проведения в дальнейшем аналогичных экспериментальных исследований системы DVB-T2.

Одним из возможных сценариев внедрения в РФ цифровое ТВ вещание является перевод в переходный период части аналоговых передатчиков на цифровой формат.

Для определения возможности такого перевода было проведено исследование характеристик двух мощных аналоговых передатчиков, применительно к передаче цифровых сигналов. Исследовалась работа этих передатчиков в режиме мощного усиления сигнала с модуляцией OFDM по стандарту DVB-T. В частности, исследованы специфические особенности прохождения цифрового сигнала через тракт мощного аналогового передатчика, измерены зависимости искажения сигнала от уровня мощности на его выходе, сформулированы предложения по доработке и возможности использования таких передатчиков для цифрового вещания в переходный период.

Рис. 4 Зависимость коэффициента MER от средней мощности Результаты измерения коэффициентов ошибок модуляции MER, в зависимости от уровня средней мощности для одного из исследованных передатчиков, показаны на рис.4.

Однако при переводе передатчиков в режим регулярного цифрового вещания нелинейных искажений и фильтры полосы радиоканала со спектральной маской, обеспечивающей требуемое подавление боковых спектральных составляющих.

В третьей главе «Аналитические исследования характеристик и параметров сигналов цифрового вещательного телевидения» приведены результаты исследования, конкретизирующие специфику влияния отстройки частоты приема от центральной частоты радиоканала на форму и спектр принятого радиосигнала OFDM. Представлены также результаты разработанного метода идентификации координаты начала символов в последовательности принятых отсчетов применительно к системе DVB-T.

Влияние отстройки частоты приема от частоты передатчика на искажения сигнала следует рассматривать с учтом того, что модуляция OFDM является многочастотной и искажения в этом случае возникают на каждой из мультиплексированных с ортогональным частотным разделением поднесущих. Аналитически полученное соотношение, отражающее в частотной области воздействие на форму группового сигнала отклонения частоты приемника от центральной частоты радиоканала, имеет следующий вид:

Осуществив переход в реальное пространство, получим следующее выражение для принятого сигнала символа:

Выражения 1 и 2 показывают зависимость формы спектра SПР(w) и, следовательно, принятого сигнала sПР(t) от величины отклонении w частоты приемника от эфирной частоты, где k - текущая поднесущая из общего числа поднесущих Kmax, w1- расстояние между соседними поднесущими группового сигнала в спектральной области, T0длительность символа, k- информация, передаваемая в виде вектора сигнального созвездия, wв и wн -верхняя и нижняя частоты ограничения сигнала в частотной области соответственно. Для более компактной формы представления полученного выражения используется:

каналообразующим и приемным фильтром, так как их амплитудно-частотная характеристика имеет фиксированный уровень в полосе пропускания, протяжнность которой превышает ширину спектра передаваемого радиосигнала, а действие фазочастотных характеристик на его составляющие скомпенсировано (глава 1).

Проведенный анализ выражений 1 и 2 выявил специфику деформации сигнального созвездия символа OFDM при приме, характеризуемого совокупностью значений k на всех канальных поднесущих. Искажения, вносимые отклонением частоты, проявляются в виде поворота всего сигнального созвездия и появления многократных отклонений (различной величины и по различным направлениям) отдельных значений в пределах совокупности соответствующих позиций его векторов.

Величина поворота и отклонений (размытия позиций сигнального созвездия) зависят от величины w, а также от параметров ОБПФ, используемого при формировании (параметры ОБПФ определяют величины Kmax, T0 и w1).

Полученные результаты были подтверждены экспериментально на модели передающего и приемного тракта сигналов OFDM, сформированных в соответствии со стандартами цифрового телевизионного вещания DVB-T и DVB-T2. Иллюстрация влияния отстройки частоты w на структуру сигнальных созвездий для различных порядков ОБПФ модуляции OFDM представлена на рисунке 5. Отстройка w в данном случае составляет значение в 50 Гц - случаи 4, 8, 16 и 32k (соответственно а, б, в и г на рис.4). В качестве первичной модуляции использовалась 64QAM.

Рисунок 5 Влияние отстройки частоты величиной 50Гц на сигнальные созвездия вещательных систем Для контроля результатов, полученных на основе выражений 1 и 2, была также оценена зависимость степени размытия совокупности значений векторов сигнального созвездия отдельной поднесущей от порядка модуляции. С этой целью осуществлено моделирование передачи и приема сигнала в режиме 8k со смещением частоты приема, равным значению в 50 Гц, при модуляции единственной поднесущей группового сигнала. Остальные поднесущие были установлены по уровню равными нулю, а график строился с накоплением значений. В результате накопления, было получено изображение сигнального созвездия с единым значением угла поворота для всех накопленных значений векторов и без размытия.

Кроме вышеперечисленных проблем, характерных для модуляции OFDM систем цифрового телевизионного вещания, актуальной является задача идентификации интервалов следования смежных символов при приме сигнала OFDM. Как известно, в системах с модуляцией OFDM участок в пределах защитного интервала является циклическим префиксом в структуре сигнала отдельного символа и повторяет по виду конец его полезной части, выполняя роль защиты от действии помех отраженных каналов. Этим исключаются интерференция составляющих предшествующего символа и полезной части текущего символа. Указанная специфика структуры символа позволяет конкретизировать координаты его участков в пределах защитного интервала на основе относительной интегральной обработки текущего сигнала OFDM в соответствии с соотношением следующего вида:

В выражении 3, функция r(n) характеризует принятый текущий комплексный отсчет сигнала OFDM среди N дискретных значении отсчтов сигнала одного символа, а r*(n - N) – комплексно сопряженное значение смещнное на N отсчтов. Значение NGI в формуле 3 характеризует протяженность защитного интервала в отсчетах.

Однако метод идентификации координат символа на основе соотношения (3) имеет недостатки. С одной стороны, это высокая вычислительная сложность, которая ограничивает область его применения в недорогих бытовых приемниках сигналов, так неопределнность на примной стороне канала связи в отношении длительности защитного интервала не позволяет конкретизировать протяжнность участка, на котором осуществляется рассмотренная интегральная обработка сигнала OFDM.

В случае превышения интервалом обработки длительности защитного интервала возникают трудности с локализацией фронтов полученных в пределах зависимости G(n) импульсов, определяющих участки с возрастанием уровня. Последнее, естественно, отражается погрешностями вычисления необходимых координат сигнала символа. В случае же уменьшения протяжнности интервала обработки, по отношению к реальной длительности защитного интервала, наряду с пропорциональным уменьшением длительности фронтов импульсов падает их относительная амплитуда, и возникают вероятность ложной идентификации координат символа.

Существует возможность упрощения вычислительной сложности. Вычисление зависимости, в частности, предложено осуществлять по двум символам OFDM системы DVB-T. Работу данного алгоритма можно разбить на два этапа, каждый из которых реализуется в пределах одного из двух последовательных символов. На первом этапе осуществляется предварительная оценка положения защитного интервала и его (заданной на передающей стороне канала связи) протяжнности. На втором этапе реализуется точное вычисление начала символа. При этом точность вычисления может повышаться от символа к символу.

Работу алгоритма на первом принятом символе иллюстрирует рисунок 6а. На нем представлен результат первого этапа алгоритма для режима вещания 8k и длины защитного интервала равного 1/4 от длины символа. На данном рисунке по оси абсцисс указан порядок следования отчетов сигнала OFDM, принятых из эфира.

Рис.6 Работа алгоритма нахождения начала символа OFDM системы DVB-T (а – первый этап, бвторой этап) Анализ зависимости, применяемый в данном случае, близок к анализу, описываемому выражением 3, с той лишь разницей, что интервал преобразования, равен минимальной длине защитного интервала, измеряемого в отсчетах, а шаг анализа его половине. В результате для системы DVB-T получается совокупность дискретных значений, отстоящих друг от друга на 256 отсчетов. Преобразованная таким образом зависимость проиллюстрирована верхним графиком на рис. 6а. Длина интервала, на котором осуществляется анализ, была принята равной длине символа плюс две длины защитного интервала. Далее происходит ограничение по пороговому значению и присвоение фиксированного уровня всем отсчтам, значения которых выше порога (второй и третий графики рис. 6а соответственно). В завершении первого этапа осуществляться преобразование полученных данных в соответствии с логическим алгоритмом, и определяется длина защитного интервала.

На втором этапе разработанного алгоритма реализуется обработка последовательности отсчтов сигнала OFDM в соответствии с выражением 3, но на сокращенном интервале значений n (Рис. 6б верх). Тот факт, что вычисление этой характеристики происходит на заранее определенном и узком интервале символа приводит к значительному уменьшению вычислений. Следующими шагами второго этапа являются адаптивное ограничение по уровню и нахождения центра полученной характеристики интегральным методом (Рис 6б низ).

Разработанный алгоритм позволяет снизить необходимый объем вычислений по сравнению с выражением 3 применительно к системе DVB-T. Однако, данный вариант алгоритма так же, как и алгоритм, работающий в соответствии с выражением 3, не позволяет найти начало символа с точностью до отсчета.

В четвертой главе, с учтом представленных в третьей главе аналитических результатов, осуществлена разработка устройств вычисления отклонения частоты от центральной частоты радиоканала для систем DVB-T и DVB-T2. В первой части четвртой главы детально рассмотрен алгоритм, структура устройства вычисления отклонения частоты и особенности реализации соответствующих конкретных блоков для системы DVB-T. В качестве параметров вещания взяты значения модуляции, принятые для вещания первого мультиплекса в Москве и Московской области, а именно режим 8k и 64QAM.

В основе работы предложенного алгоритма лежит метод интегральной обработки совокупности реальных векторов сигнальных созвездий. Работа предложенного алгоритма осуществляется как по сигнальному созвездию, так и по пилот-сигналам. Он является универсальным для всех видов первичной модуляции и для различных порядков модуляции OFDM. Специфику данного технического решения рассмотрим с использованием разработанной функциональной схемы, представленной на Рис.7.

Представим возможное значение отклонения частоты в виде соотношения:

f=Mf1+df. Здесь f – общее относительное смещение частот приема и передачи сигнала; f1 –расстояние между смежными поднесущими в спектре сигнала символа; df – вторая составляющая отклонения частоты (f1>df); значение M = 0, 1, 2, 3...

БПЧВС БФВС БДВС ББПФ БППО

ОГ БГВОЧ

БВОЧ БОМИЗ

Рис. 7. Блок схема устройства подстройки частоты приема к центральной частоте радиоканала системы этапа БФМСС2 - блок формирования матрицы сигнального созвездия второго этапа БПМСС1 - блок преобразования матрицы сигнального созвездия первого этапа БПМСС2 - блок преобразования матрицы сигнального созвездия второго этапа БВРОМ - блок вычисления размеров опорной матрицы БОИЗ1 - блок обработки интегральной зависимости первого этапа БОИЗ2 - блок обработки интегральной зависимости второго этапа БФОМ1 - блок формирования опорной матрицы первого этапа БФОМ2 - блок формирования опорной матрицы второго этапа БНМИЗ - блок нахождения максимума интегральной зависимости Вычисление отклонения и подстройка частоты осуществляется в три этапа, каждый из которых реализуется на отдельном символе. На первом этапе происходит грубое вычисление значения df и изменение частоты опорного генератора (ОГ) в соответствии с вычисленным значением. На втором этапе осуществляется более точное вычисление df и соответствующее изменение частоты ОГ, а во время третьего этапа, когда форма сигнального созвездия восстановлена и появляется возможность точного выделения пилот-сигналов, происходит вычисление значения M в блоке БГВОЧ. На начальной стадии каждого из этапов происходит преобразование принятого сигнала в сигнальное созвездие в соответствии с алгоритмами, едиными для всех приемников и демодуляторов сигналов OFDM (осуществляются с помощью блоков БПЧВС, БФВС, БДВС, ББПФ).

В момент первого этапа, полученное сигнальное созвездие поступает в БМСС, где оно подвергается преобразованиям амплитуд, после чего в БФМСС1 формируется квадратная матрица, расположение элементов которой определяется реальными и мнимыми частями коэффициентов сигнального созвездия. На следующем этапе полученная матрица подвергается (в БПМСС1) пространственной фильтрации для устранения высокочастотных компонентов, после которой получают новую матрицу, содержащую сглаженные значения элементов. Далее реализуется вычисление интегральной зависимости при изменении относительного положения последней и вращающейся опорной матрицы, сформированной в БФОМ1. Форма опорной матрицы согласована с формой сигнального созвездия, а е размер вычисляется адаптивно в зависимости от степени размытия сигнального созвездия, которая оценивается в БВРОМ. После осуществления указанной последовательности действий получаем функцию, которая отражает зависимость результата интегрирования от угла поворота опорной матрицы. Полученная функция обрабатывается в БОИЗ1 и вычисляется координата е максимума в БНМИЗ. После получения максимума зависимости определяется отклонение частоты df в БВОЧ и осуществляется подстройка частоты приемника fПР на вычисленное значение. На этом заканчивается первый этап подстройки частоты приема сигнала из эфира.

Второй этап вычисления подстройки частоты приема практически повторяет первый лишь с той разницей, что применяется другая опорная матрица, которая включает элементы для селекции положения пилот-сигналов, так как после окончания второго этапа уже возможно их использование для оценки поворота созвездия.

На рисунке 8 представлены результаты моделирования вычисления отклонения частоты приемника от центральной частоты радиоканала. По оси абсцисс отложены значения самого отклонения, а по оси ординат значения погрешности его вычисления.

Погрешность может быть сведена к минимальному значению при работе алгоритма с большим значением размеров матрицы сигнального созвездия и меньшим шагом угла поворота опорной матрицы.

Рис. 8. Ошибка экспериментального вычисления отклонения частоты на модели тракта Основываясь на устройстве, разработанном для системы DVB-T, с учетом особенностей структуры системы DVB-T2 было разработано устройство для подстройки частоты приема к частоте передачи системы DVB-T2. Некоторые операции алгоритма являются идентичными как для системы первого, так и второго поколения.

При разработке данного варианта устройства использовались особенности структуры кадра системы DVB-T2, рассмотренные в первой главе работы. К этим особенностям относятся специальная структура символа P1, а также специальное распределение пилот-сигналов символа P2. Как и в алгоритме для системы DVB-T, подстройка реализуется в три этапа. На начальной стадии каждого из этапов происходит преобразование принятых данных в сигнальное созвездие в соответствии с алгоритмами, едиными для всех приемников и демодуляторов сигналов OFDM (осуществляются с помощью блоков аналогичных БПЧВС, БФВС, БДВС, ББПФ).

Однако порядок вычисления отклонения частоты в системе второго поколения несколько отличается от предложенного для системы DVB-T. Это связано с необходимостью декодирования информации о символе P2, передаваемой в символе P1.

На первом этапе по символу P1 происходит вычисление отклонения частоты df и корректировка значения опорного генератора, значение df находится в пределах частотного интервала равного расстоянию между соседними поднесущими данного символа. На втором этапе происходит вычисление значения M по принятому на скорректированной частоте следующему символу P1 и декодирование информации передаваемой в нем. На третьем этапе вычисления полученное значение уточняется по основывается на особенности распределения пилот-сигналов символа P2, состоящей в том, что количество последних здесь значительно больше, чем в информационных символах при любом из восьми возможных распределений.

На Рис.9 представлены результаты моделирования работы описанного алгоритма.

Из рисунка видно, что вычисленные значения погрешности являются меньшими, чем на Рис 8. Это достигается путем уменьшения шага интегральной обработки алгоритма c увеличением вычислительной сложности.

Рис. 9. Ошибка экспериментального вычисления отклонения частоты на модели тракта отклонения частоты приема от центральной частоты канала в системах DVB-T и DVBT2. Основным принципом их работы является преобразования параметров сигнала из одномерной области в двумерную, что дает возможность применения к ним пространственных алгоритмов обработки информации. Все операции, входящие в состав алгоритмов, могут быть реализованы программными методами в соответствующем оборудовании.

Алгоритмы для вычисления отклонения частоты в системах DVB-T и DVB-T могут быть реализованы в универсальных устройствах, поддерживающих оба стандарта.

Степень вычислительной сложности разработанных алгоритмов зависит от требуемой точности определения отклонения частоты приема от центральной частоты канала.

Разработанные алгоритмы вычисляют отклонение частоты на уровне обработки полученных данных, для реальной работы данных алгоритмов необходима достаточная стабильность частоты опорного генератора приема ( 10-8).

К недостаткам работы предложенного алгоритма вычисления отклонения частоты приема от центральной частоты передачи в системе DVB-T относится неустойчивость результата оценки для случая модуляции QPSK. Проблема связана с высокой дислокацией значений сигнального созвездия около точек сигнального созвездия, что снижает относительное количество пилот-сигналов и, как следствие, затрудняет работу по ним. Проблема может быть решена путем введения дополнительного блока, обнуляющего все значений кроме тех, которые соответствуют пилот-сигналам.

Разработанные алгоритмы могут быть также использованы при реализации отслеживания и подстройки плавного ухода частоты ОГ. При этом рекомендуется использование второго этапа алгоритма для системы DVB-T, либо этапа работы по символу P2 для системы DVB-T2.

В заключении приводятся основные выводы и результаты выполненной работы.

В приложениях приведены значения ослаблений, фаз и задержек для фиксированного и портативного приема, а также текст программ, моделирующих работу разработанных алгоритмов.

Основные результаты работы.

В процессе выполнения диссертационной работы был проведен анализ формирования и особенностей модуляции OFDM в современных системах цифрового вещательного телевидения. Подробно рассмотрены кадровые структуры систем DVB-T и DVB-T2, особенности модуляции и распределения пилот-сигналов. Рассмотрены проблемы, связанные с применением OFDM в вещательных телевизионных системах.

Проведены экспериментальные исследования помехоустойчивости системы DVBT при действии АБГШ, импульсного шума и их комбинации. Исследованы влияния различных моделей приема сигнала на помехоустойчивость данной системы.

Исследован процесс прохождения сигнала OFDM системы DVB-T через усилительный тракт мощного аналогового передатчика. Показаны возможность использования и направления доработки подобных передатчиков для целей цифрового вещания.

Разработан метод нахождения начала символа OFDM среди принятых отсчетов в системе цифрового телевизионного вещания DVB-T.

Проведены аналитические исследования влияния смещения частоты приемника относительно центральной частоты канала модуляции OFDM на принятый сигнал. На основе этих исследований разработаны алгоритмы для вычисления отклонения частоты систем цифрового телевизионного вещания DVB-T и DVB-T2.

Рекомендовано использование разработанных методов и устройств для обработки данных в измерительном оборудовании систем цифрового телевизионного вещания.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Безруков В.Н., Власюк И.В., Канев С.А. Оценка относительного отклонения частоты при приеме сигналов наземных цифровых телевизионных вещательных систем// T-comm Телекоммуникации и транспорт – 2010. – №6. – с.9-11.

2. Красносельский И.Н., Волков А.Г., Канев С.А. Исследование применимости передатчиков I-II частотных диапазонов для цифрового эфирного вещания// Электросвязь. – 2010. – №1. – с.17-21.

3. Красносельский И.Н., Канев С.А. Исследование помехоустойчивости системы DVB-T на модели канала с многолучевым распространением// Электросвязь. – 2010. – №7. – с.28-30.

4. Шавдия Ю.Д., Красносельский И.Н., Канев С.А. Проблемы эфирного цифрового телевизионного вещания в I-II частотных диапазонах// Электросвязь. – 2010. – №1.

– с.15-17.

5. Канев С.А. Системы цифрового телевизионного вещания второго поколения // Tcomm Телекоммуникации и транспорт. Спецвыпуски по итогам 3-й отраслевой научной конференции “Технологии информационного общества”(Части I-III) – 2009. – с.220- 6. Красносельский И.Н., Канев С.А. Исследование помехоустойчивости системы цифрового вещания DVB-T на модели канала с импульсными помехами// Труды НИИР. – 2009. – №3. – с.66-71.

7. Канев С.А. Наземное мобильное телевизионное вещание.// Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова. Научная сессия посвященная дню радио. Выпуск: LXIII – 2008. – с.362-363.

8. Канев С.А. Помехоустойчивость системы наземного вещательного телевидения DVB-T.//Труды электроники и связи имени А.С.Попова. Научная сессия, посвященная дню радио.

Выпуск: LXV – 2009. – с.362-363.

9. В.Н. Безруков, С.А. Канев. Оценка относительного отклонения частоты при приеме сигналов системы DVB-T2// Материалы 63 НТК Профессорскопреподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им.

проф. М.А. Бонч-Бруевича (Часть 1). – 2011. –с.356-