К вопросу влияния параметров кодирования на помехозащищённость и пропускную способность спутниковых телевизионных каналов

За несколько десятилетий в России сформировалась техническая база семейства стандартов спутникового цифрового телевидения, разработанных международным (Европейским) объединением Digital Video Broadcasting Project (DVB Project) для индивидуального и коллективного приёма на спутниковые антенны, и спутникового сбора новостей через репортажные станции. В формировании этой базы большую роль играет российское производство космических аппаратов (КА) «Экспресс» и «Ямал», и оборудования земных станций (ЗС).

Первым стандартом стал DVB-S, имеющий в своём составе 4-позиционный QPSK свёрточный кодер со скоростями кодирования 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 и обеспечивающий работу внутренней системы защиты от ошибок FEC (forward error correction) [1, 2]. Выходной транспортный поток проходит кодер Reed Solomen (RS), обеспечивающий работу второй ступени коррекции (защиты) от ошибок, поступает на QPSK-модулятор и далее – в высокочастотный тракт станции подъёма сигнала на спутник (Up-Link). Загрузка широкополосных транспондеров (стволов) КА производится сигналами ЗС с различными стандартами сжатия MPEG-2, MPEG-4 [1, 2].

В настоящее время действуют такие ТВ каналы: стандарта DVB-S, формата DVB-DSNG (Digital Satellite News Gathering), стандарта DVB-S2, и начинается внедрение его расширенной спецификации (формата) DVB-S2X.

Стандарт DVB-S своё дальнейшее успешное развитие получил в новом формате спутникового телевидения Digital SNG (Satellite News Gathering) – спутниковом сборе новостей, разработанном Европейским консорциумом в 1997-2000 гг. [3] и предназначенном для оперативного и высококачественного сбора « цифровых» новостей со всех точек мира в режиме работы «от случая к случаю» (ocassional). Параметры трансляции ТВ сигналов в таком режиме: типы передающей и приёмной станций; номер транспондера и его диапазон частот; особенности зоны покрытия; угловые параметры передающей антенны репортажной станции ; параметры кодирования и др. изменяются от трансляции к трансляции.

Сравнение параметров ТВ каналов DVB-S и DVB-DSNG

Для проведения сравнения видов модуляции по помехозащищённости и пропускной способности воспользуемся профессиональным калькулятором [4], предназначенным для всех возможных расчётов в спутниковых системах связи. Расчёты проводим для принимающей станции с большим размером антенны. Абсолютные значения вычислений применимы только для конкретных конфигураций оборудования обеих станций. Поэтому в расчётах для сравнения различных вариантов принимаем одинаковую полосу частот для размещения сигнала, равную Δfраз = 36мГц (наиболее распространённая величина), и соотношение сигнал/шум (С/N) на входе при-

ёмника демодулятора, равным 20 дБ. Эта величина близка к реальным значениям для распространённых параболических антенн диаметром ≥ 7,2 м в диапазонах Ku и новом Ka.

Результаты вычислений для всех возможных видов модуляции представлены в таблице 1.

Результаты вычислений в таблице 1 показывают, что высокоэффективные методы модуляции в несколько раз увеличивают пропускную способность, но неизбежно приводят к снижению энергетики спутниковой радиолинии. Однако, учитывая наличие приёмной станции с большим размером антенны, это снимает вопросы энергетики.

Таблица 1. Параметры ТВ каналов DVB-S и DVB-DSNG по помехозащищённости и пропускной способности

Сравнение параметров ТВ канала DVB-S2 с DVB-DSNG

Дальнейшие улучшения стандарта DVB-S в увеличении пропускной способности и помехозащищённости были невозможны без кардинальных изменений структурного состава кодеров. Наибольший вклад в исследования путей повышения пропускной способности и энергетики спутниковой цифровой ТВ радиолинии внесла компания Hughes Network Systems (HNS) разработкой технологии и схемной реализацией обнаруженного в 1962 г. Р. Галлагером кода проверки на чёт- ность с низкой плотностью (LDPC) [5, 6]. С этого открытия и началась эпоха нового категоричного стандарта DVB-S2.

Стандарт DVB-S2 имеет широкий набор видов модуляции [8-10] для удовлетворения потребностей ТВ компаний в пропускной способности и помехозащищённости телевизионных каналов.

В таблице 2 представлены расчёты с ранее принятыми величинами ∆fраз и C/N для сравнения качественных показателей ТВ каналов, образованных использованием DVB-DSNG и DVB-S2.

Таблица 2. Параметры ТВ каналов DVB-DSNG и DVB-S2по помехозащищённости и пропускной способности

Анализируя полученные результаты можно заключить:

• 1.    В режиме модуляции 8PSK (8-и позиционной фазовой манипуляция) при изменении скорости кодирования от 2 / 3 до 8 / 9 энергетический запас по границе срыва спутникового приёма (Link Margin, дБ) стандарта DVB-S2 на 2-3 дБ превышает соответствующий показатель формата DVB-DSNG. А пропускная способность стандарта DVB-S2 превышает соответствующий показатель формата DVB-DSNG только на 7%.

• 2.    Параметры ТВ каналов в режимах модуляции QAM и APSK можно сравнивать только условно. В таком случае Link Margin (помехозащищённость) ТВ канала стандарта DVB-S2 условно будет на 3 дБ выше, но практически без преимущества в пропускной способности.

• 3.    Дополнительным преимуществом DVB-S2 является оптимизированность («заточен-ность» в виде встроенных опций) для передачи телевидения высокой чёткости (HD – ТВЧ) с кодеком последнего поколения H.264 [1, 8] и возможности использования дополнительных приложений.

Заключение. Формат ТВ канала DVB-DSNG является продвинутым форматом первого стандарта DVB-S, но, тем не менее, остаётся конкурентоспособным форматом, широко применяемым в спутниковом ТВ в силу исключительной особенности – обязательного использования антенны большого диаметра на приёмной стороне. Поэтому в настоящее время, кроме обсуждения модернизации, нет оснований поднимать вопрос о подготовке замены формата [ 11 ] .

В то же время более высокие технические параметры стандарта DVB-S2 по сравнению с DVB-DSNG (до 3 дБ по помехозащищённости и до 7-10% по пропускной способности), инициируют исследования использования (интеграции) DVB-S2 в существующий формат DVB-DSNG [ 11 ] .

Проведённый анализ влияния параметров кодирования на помехозащищённость и пропускную способность спутниковой ТВ радиолинии показывает, как необходимо выбирать оптимальные параметры кодирования для выполнения поставленных задач для ТВ радиолинии.