К вопросу влияния параметров кодирования на помехозащищённость и пропускную способность спутниковых телевизионных каналов
Автор: Зайцева И.Н., Бочаев Р.М.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 3-1 (42), 2020 года.
Бесплатный доступ
В статье рассмотрены принятые в России стандарты и форматы цифрового спутникового телевизионного (ТВ) вещания. Проанализировано влияние параметров кодирования на основные характеристики ТВ канала, пропускную способность, в части более эффективного использования выделяемой полосы частот транспондера (спутникового ретранслятора), и помехозащищенность. Полученные результаты вычислений основных параметров ТВ каналов и выводы могут быть рекомендованы специалистам спутникового ТВ для оптимального выбора скорости кодирования в зависимости от типов и параметров оборудования используемых станций и зоны спутникового покрытия.
Спутниковый телевизионный канал, помехозащищенность, пропускная способность, ldpc-коды, формат dvb-dsng, стандарт dvb-s2
Короткий адрес: https://sciup.org/170190749
IDR: 170190749 | DOI: 10.24411/2500-1000-2020-10237
Текст научной статьи 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
Виды модуляции |
Bit/symbol |
Symbol Rate, MBaud |
Spectral Efficiency, Bit/Hz |
C/N, дБ |
Eb/No, дБ |
Eb/No, threshold, дБ |
Link Margin, дБ |
Netto Transport Stream Bitrate, MBit/s |
DVB-S |
||||||||
QPSK ½ |
2 |
26.66 |
0.922 |
20.0 |
20.35 |
4.5 |
15.85 |
24.57 |
QPSK 2/3 |
1.229 |
19.1 |
5.0 |
14.1 |
32.77 |
|||
QPSK ¾ |
1.382 |
18.39 |
5.5 |
13.1 |
36.86 |
|||
QPSK 5/6 |
1.536 |
18.13 |
6.0 |
12.13 |
40.96 |
|||
QPSK 7/8 |
1.613 |
17.92 |
6.4 |
11.52 |
43.01 |
|||
DVB-DSNG |
||||||||
8PSK 2/3 |
3 |
28.8 |
1.843 |
20.0 |
17.34 |
5.9 |
11.44 |
53.08 |
8PSK 5/6 |
3 |
2.30 |
16.37 |
8.9 |
7.47 |
66.35 |
||
8PSK 8/9 |
3 |
2.457 |
16.09 |
9.4 |
6.69 |
70.78 |
||
16QAM 3/4 |
4 |
2.765 |
15.58 |
9.0 |
6.58 |
79.62 |
||
16QAM 7/8 |
4 |
3.225 |
14.91 |
10.7 |
4.21 |
92.89 |
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
Виды модуляции |
Bit/symbol |
Symbol Rate, MBaud |
Spectral Efficiency, Bit/Hz |
C/N, дБ |
Eb/No, дБ |
Eb/No, threshold, дБ |
Link Margin, дБ |
Netto Transport Stream Bitrate, MBit/s |
DVB-DSNG |
||||||||
8PSK 2/3 |
3 |
28.8 |
1.843 |
20.0 |
17.34 |
5.9 |
11.44 |
53.08 |
8PSK 5/6 |
3 |
2.30 |
16.37 |
8.9 |
7.47 |
66.35 |
||
8PSK 8/9 |
3 |
2.457 |
16.1 |
9.4 |
6.69 |
70.78 |
||
16QAM 3/4 |
4 |
2.765 |
15.58 |
9.0 |
6.58 |
79.62 |
||
16QAM 7/8 |
4 |
3.225 |
14.91 |
10.7 |
4.21 |
92.89 |
||
DVB-S2 |
||||||||
8PSK 2/3 |
3 |
28.8 |
1.981 |
20.0 |
17.03 |
3.65 |
13.378 |
57.04 |
8PSK 5/6 |
3 |
2.478 |
16.06 |
5.408 |
10.65 |
71.38 |
||
8PSK 8/9 |
3 |
2.646 |
15.77 |
6.464 |
9.307 |
76.21 |
||
16APSK 3/4 |
4 |
2.97 |
15.275 |
5.487 |
9.788 |
85.44 |
||
16APSK 5/6 |
4 |
3.30 |
14.813 |
6.425 |
8.387 |
95.05 |
||
16APSK 8/9 |
4 |
3.523 |
14.53 |
7.421 |
7.107 |
101.47 |
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.
Список литературы К вопросу влияния параметров кодирования на помехозащищённость и пропускную способность спутниковых телевизионных каналов
- Федоров В.К. Стандарты цифрового телевидения первого поколения. - М.: ДМК-Пресс, 2015. - 312 с.
- Карякин В.Л. Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов, 2-е изд., переработанное и дополненное. - М: СОЛОН-ПРЕСС, 2013. - 451 с.
- Morello A. and Mignone V. New DVB standard for DSNG - and contribution satellite links // EBU Technical Review vol. 277, Autumn. 1998. Pp. 1-23.
- Jense N. Saetre T. Online Satellite Calculations 1999-2011. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.satellite-calculations.com/ (дата обращения: 10.02.2020).
- Eroz M., Sun F.-W., Lee L.-N. DVB-S2 Low Density Parity Check Codes with near Shannon Limit Performance // International Journal on Satellite Communication Networks. - 2004. - vol. 22. - Pр. 269-279.