Общие принципы передачи и приема сигналов по системе DVB-S

В настоящее время спутниковые системы связи стали неотъемлемой частью теле- и радиовещательной (ТВ и РВ) мировой инфраструктуры. Являясь промежуточным звеном между производителем ТВ и РВ программ и потребителем данной продукции, они стали интернациональным мостом между всеми жителями земного шара. Несомненно, телевидение несет культуру в наши дома и не последнюю роль в данном процессе играет спутниковое телевидение (СТВ).

Наблюдая за эволюцией развития СТВ можно отметить гигантский прогресс в данном процессе. Многие помнят, что изначально СТВ использовалось для передачи информации нескольких десятков государственных каналов. Операторы спутниковой связи по сути дела были только государственные. Передача и прием сигналов на спутники и с них осуществлялись посредством гигантских параболических антенн диаметром более трех метров. Принимаемые программы далее распределялись по эфирным каналам или по кабельным сетям. Об индивидуальном приеме речи фактически быть не могло. Исключение составляли энтузиасты, конструирующие индивидуальные приемные установки с антеннами меньшего диаметра. Качество приема при этом оставляло желать лучшего.

Первым прорывом в области непосредственного СТВ-вещания стала программа DTH (direct-to-home) частной компании SES (Societe Europeene des Satellites). Суть программы DTH заключалась в том, что любой житель Западной Европы мог принимать сигналы 16-ти ТВ и множества РВ программ (с FM-качеством), ретранслируемых спутником ASTRA 1A на небольшую параболическую антенну диаметром всего 60 см. Именно запуск этого спутника положил начало бурному развитию индивидуального приема программ.

Увеличивалось количество спутников на орбитальных позициях, при этом увеличивалось количество ретранслируемых программ. На небольшую антенну со спутников ASTRA и HOT BIRD можно было принимать в аналоговом виде около сотни ТВ программ. Однако возросшие потребности телезрителей требовали еще большего количества получаемой информации.

В середине 90-х годов прошлого века бурное развитие цифровых методов обработки сигналов привело к созданию систем DVB-S (Digital Video Broadcasting Satellite) и DSS (Digital Subscriber System), предназначенных для передачи ТВ и РВ программ через спутниковые транспондеры в цифровом виде. Это позволило транслировать вместо одного аналогового канала до десятка цифровых программ. Количество ретранслируемых программ возросло в несколько раз.

Появление массы поставщиков ТВ контента, предлагающих свои услуги по доставке ТВ программ зрителю, привело к развитию сектора продажи оборудования для приема СТВ. Увеличение рейтинга продаж в данном направлении порождает спрос на обслуживание и сервис данной техники.

В настоящее время трансляция аналоговых программ в СТВ практически не ведется. Естественно, принципы обработки принимаемых аналоговых и цифровых программ существенно отличаются. Принципиально новыми являются устройство и работа цифровых СТВ приемников. К сожалению, в современной литературе очень мало информации по этой теме. Данный материал поможет решить эту проблему.

Проект DVB был основан в сентябре 1993 года как консорциум общественных и частных организаций ТВ индустрии. Его целью стало создание цифровых ТВ служб на основе стандарта цифрового сжатия MPEG-2. В настоящее время он включает свыше 200 организаций из 25 стран. Стандарт DVB-S для цифрового СТВ-вещания был принят 15 августа 1994 года [1] в рамках проекта DVB.

Функциональная блок-схема передающей части ТВ сигнала и звукового сопровождения стандарта DVB-S показана на рис. 1. Система определена как преобразователь выходного сигнала с транспортного мультиплексора MPEG-2 (ISO/IEC DIS 13818-1) в спутниковый радиочастотный канал. Этот процесс заключает в себе следующие этапы:

- адаптация транспортного потока TS и рандомизация для энергетической дисперсии;

- внешнее канальное кодирование (с помощью кодов Рида-Соломона);

- деперемежение;

- внутреннее канальное кодирование (сверточное кодирование);

- полосовая фильтрация для модуляции;

- QPSK-модуляция.

Рис. 1. Функциональная блок-схема передающей части ТВ стандарта DVB-S

Поскольку службы DTH обычно работают с сигналами строго ограниченной мощности, для борьбы с шумами и интерференцией в каналах связи первой задачей является повышение эффективности заполнения выделенной полосы частот РЧ сигнала. Для этого используют QPSK-модуляцию (Quantitude Phase Shift Keying) и совместное использование сверточного и RS-кодирования (Reed-Solomon code). Система при этом может оптимально работать как в режиме с одной несущей на транспондер TDM (Time Division Multiplexing), так и в режиме множества несущих с использованием частотного уплотнения FDM (Frequency Division Multiplexing) в рамках полосы пропускания транспондера. Все узлы системы синхронизируются образцовыми импульсами, выделяемыми из входного транспортного потока MPEG-2.

Передача сигналов DVB-S осуществляется в обеих спутниковых службах Ku-диапазона (FSS и BSS). Так как транспондеры спутников на этих частотах имеют разную полосу пропускания, то при разных значениях сверточных кодов можно высчитать допустимую символьную скорость подаваемого на вход системы цифрового потока.

Как было сказано выше, на вход системы подают цифровой поток с транспортного мультиплексора MPEG-2 (рис. 2.1). Поток состоит из пакетов длиной 188 байт. Каждый пакет начинается с синхробайта (47h). При этом в процессе передачи данных первым всегда передается старший значащий бит (MSB) синхрослова (т.е. 01000111).

Рис. 2.1. Мультиплексированный пакет транспортного потока MPEG-2

Рис. 2.2.  Рандомизированный транспортный пакет (синхробайты и рандомизированные данные R)

Рис. 2.3. Пакет, защищенный от ошибок кодом Рида-Соломона (204, 188, Т = 8)

Рис. 2.4. Кадры после деперемежения глубиной I = 12 байт

Согласно рекомендации ITU (International Telecommunication Union) входная цифровая последовательность для энергетической дисперсии подвергается рандомизации согласно рис. 3. По данной схеме производится дерандомизация цифровой последовательности в СТВ-приемниках. Полином для псевдослучайной последовательности ПСП (PRBS) имеет вид: 

1+X¹⁴+X¹⁵.

Рис. 3. Рандомизация цифровой последовательности

Последовательность 100101010000000 загружается в ПСП-регистр в начале каждого восьмого транспортного пакета. Для получения инициализирующего сигнала дескремблера СТВ-приемника синхробиты первого транспортного пакета побитно инвертируются с 47h на B8h. Этот процесс называется адаптацией транспортного потока TS.

Первый бит с выхода ПСП-регистра воздействует на первый бит (MSB)инвертированного синхробита. Для сохранения синхронизации в следующих семи пакетах ПСП-генератор продолжает свою работу, но его выход блокируется, оставляя синхробайты нерандомизированными. Таким образом период псевдослучайной последовательности равен 1503 байт (рис. 2.2).

Процесс рандомизации продолжается при отсутствии входного сигнала с транспортного мультиплексора или при наличии на входе сигнала, несовместимого с TS MPEG-2. Это предотвращает появление на выходе модулятора немодулированой несущей.

Код Рида-Соломона RS (204, 188, T = 8) является укороченным кодом RS (255, 239, T = 8) и применяется непосредственно к каждому транспортному пакету (188 байт) (рис. 2.2). При этом генерируется проверочный пакет защиты от ошибок (рис. 2.3). Кодирование Рида-Соломона применяется также и к синхробайтам как неинвертирован-ным, так и инвертированным.

Кодовый полиномиальный генератор: g(x) = (x+λ⁰)(x+λ¹)(x+λ²) ... (х+λ¹⁵), где l = 02h.

Полевой полиномиальный генератор: р(х) = х⁸+х⁴+х³+х²+1.

Укороченный код Рида-Соломона дополняется 51 байтами 00h и поступает совместно с информационными байтами на вход кодера (255, 239). После процедуры RS-кодирования нулевые байты игнорируются.

Перемежение с глубиной I = 12 (рис. 2.4) применяется для защиты пакетов (рис. 2.3) от ошибок размером больше 1 байта. Процесс перемежения основан на методе Форни, совместимом с III типом метода Рамсея. Узел перемежения имеет 12 ветвей (рис. 4), периодически подключаемых к источнику входного сигнала. Каждая ветвь содержит сдвигающий регистр FIFO с глубиной (M,j) ячеек (где M = N/I = 17, N = 204 байт - длина пакета, защищаемого от ошибок, I = 12 - глубина деперемежения, j - индекс ветвления). Ячейки регистра имеют величину 1 байт, а входные и выходные коммутаторы засинхронизированы. Для нормального восстановления импульсов синхронизации СТВ-приемни-ком синхробайты всегда передаются через нулевую ветвь (нулевая задержка). Устройство деперемежения на приемной стороне работает по схожей схеме, только индексы ветвления реверсивны (т.е. j = 0 имеет наибольшую задержку). Синхронизация при этом осуществляется первым принятым синхробайтом в нулевой ветви.

Рис. 4. Работа узла перемежения

Внутреннее канальное кодирование основано на сверточном кодировании. Система DVB-S предусматривает возможность использования широкого диапазона выколоточного сверточного кода на основе сверточного кода с показателем 1/2 и длиной кодового ограничения K = 7. При этом имеется возможность применять сверточные коды с кодовыми показателями 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8. Это позволяет получить оптимальный уровень коррекции ошибок применительно к конкретным параметрам выходного транслируемого цифрового сигнала, техническим параметрам спутникового транспондера. Определение выколоточного сверточного кода показано в таблице.

Определение выколоточного сверточного кода

^*1 - переданный бит, 0 - не переданный бит

Полосовая фильтрация осуществляется после внутреннего канального кодирования с помощью косинусного фильтра с квадратнокоренным подъемом и коэффициентом скругления a = 0,35, определенного согласно формулам:

H(f) = 1 для | ξ | < ξ n (1-α)

H(f) = SQR {1/2 + 1/2 sin (π/(2 * ξ n) [(ξ n - | ξ | )/α]} для ξ n (1-α)<=| ξ | <= ξ n (1+α)

H(f) = 0 для | ξ | > ξ n (1+α),  где ξ n = 1/2T_s = R_s/2 (частота Найквиста).

С полосового фильтра сигналы I- и Q-составляющих поступают на QPSK-модулятор. Система DVB-S использует общепринятую QPSK-модуляцию на основе кодов Грея (без дифференциального кодирования). Схема манипуляции показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема манипуляции

Функциональная блок-схема приемной части стандарта DVB-S показана на рис. 6.

Рис. 6. Функциональная блок-схема приемной части стандарта DVB-S

Сигнал от понижающего конвертера LNB поступает на преобразователь ПЧ. Он предназначен для настройки на требуемую частоту принимаемых программ. Первые цифровые DVB-S СТВ приемники переносили сигнал на вторую ПЧ и через полосовой фильтр и далее сигнал подавался на QPSK-демодулятор. Современные СТВ приемники работают по принципу демодуляции с нулевой ПЧ. Соответственно они имеют совмещенную схему преобразователя ПЧ и QPSK-демодулятора.

Сигналы I и Q через согласующий фильтр поступают на сверточный декодер Виттерби и затем на схему выделения синхробайтов. Импульс синхробайта, импульсы I- и Q-составляющих воздействуют на схему восстановления тактовых импульсов, которые необходимы для синхронизации узлов СТВ-приемника.

После этого сигнал подвергается процессу деперемежения и поступает на внешний декодер Рида-Соломона RS (255, 239, T = 8). После этого следует компенсация энергетической дисперсии и обратная инверсия первого пакета TS. В результате получается нормализованный транспортный поток MPEG-2, который поступает на демультиплексор.

Требуемый поток данных соответствующей программы, выделенный демультиплексором, поступает на MPEG-2 декодер, где он декомпрессируется и преобразуется в привычную аналоговую форму.

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема преобразователя ПЧ и QPSK-демодулятора

На рис. 7 показана принципиальная схема преобразователя ПЧ и QPSK-демодулятора, входящих в состав DVB-S-приемников (тюнеров) DSB-A200C/A300V/A300W фирмы SAMSUNG Electronics. Сигнал ПЧ подается через входной коаксиальный F-разъем на вход усилителя, компенсирующего затухания сигнала в кабеле снижения, собранного на СВЧ транзисторе Q1. С выхода усилителя сигнал подается через микрополосковый делитель на выходной F-разъем (петля обхода для подключения второго тюнера) и на управляемый аттенюатор D903, Q901, входящий в систему АРУ входного сигнала. Напряжения питания/переключения поляризации конвертеров, сигналы переключения принимаемых поддиапазонов и сигналы системы DISEqC, инжектируемые в кабель снижения, подаются на F-разъемы через ФНЧ фильтры на микрополосковых линиях и SMD-емкостях С919, С920, С971-С973 и С977. Далее сигнал через полосовой фильтр подается на вход демодулятора с нулевой ПЧ на ИМС U902 TDA8260. Демодулятор синхронизируется кварцем Y1, входящим в состав петли ФАПЧ. Образцовая частота XT_OUT синхронизирует QPSK-демодулятор PN1010. Демодулированные сигналы квадратурных I- и Q-составляющих поступают на QPSK-демодулятор, проходят декодирование Виттерби, деперемежение, декодирование Рида-Соломона и компенсацию энергетической дисперсии. Сигнал транспортного потока с выхода демодулятора подается на схему управления CI-интерфейсами CIMA X2.0.

Основными симптомами выхода из строя преобразователя ПЧ и QPSK-демодулятора является отсутствие принимаемого сигнала при работоспособности экранной графики устройства. Программные индикаторы уровня при этом также показывают отсутствие сигнала. Наружный конвертор и кабель снижения при этом, безусловно, должны быть исправными, в чем необходимо убедиться. Для устранения дефекта сначала проверяют напряжение, инжектируемое в кабель снижения на входном F-разъеме. В зависимости от принимаемой поляризации, оно должно равняться 14 или 18 В. Также необходимо измерить питающие напряжения 5 и 3,3 В.

Далее проверяют усилитель на транзисторе Q1. При работоспособности перечисленных выше узлов частотомером измеряют частоту 4 МГц на выв. 38 U902. Затем осциллографом, а лучше анализатором шины I²C проверяют сигналы SCL и SDA на входе PN1010. Если они в норме, проверяют сигналы шины I²C на микросхеме TDA8260. При отсутствии сигналов проверяют соответствующий каскад.

Очень часто прием отсутствует в результате утечки в конденсаторах С908, С918, С922.

Таким же методом возможно восстановление неисправностей, связанных с выходом из строя преобразователя ПЧ и QPSK-демодулятора других DVB-S-приемников (тюнеров) различных фирм-производителей.

Литература

1. EN 300 421 V1.1.2 (1997-08): "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services".

Автор: Василий Федоров (г. Липецк)

Источник: Ремонт и сервис