Передача цифровых сигналов MPEG-2/DVB-S по спутниковым каналам

Обработка цифрового потока MPEG-2 для использования в спутниковом вещании детально специфицирована в стандарте EN 300 421, принятом ETSI в 1998 г. Последовательность этапов обработки приведена на рис. 9.4 [18].

Рис. 9.4. Структурная схема обработки транспортного потока в стандарте EN 300 421

Рис. 9.5. Скремблирование данных в стандарте DVB-S

Пришедшие на вход модулятора транспортные пакеты длиной 188 байтов содержат, как мы знаем, синхробайт 0x47 и 187 байтов данных. Для устранения неопределенности фазы формируется внутренний цикл модулятора, включающий 8 пакетов: первый с инвертированной стартовой синхрогруппой 0хВ8, остальные - с неинвертированной. Транспортный поток поступает на скремблер, где происходит его суммирование с псевдослучайной последовательностью (ПСП). Структурная схема принятого в стандарте DVB-S скремблера/дескремблера приведена на рис. 9.5 и состоит из регистра сдвига на 15 триггерах и логического элемента «исключающее ИЛИ», суммирующего по модулю 2 сигналы с выходов ячеек 14 и 15 и подающего суммарный сигнал на вход ячейки 1. Символьная синхронизация ячеек производится тактовой частотой транспортных пакетов, цикловая синхронизация - инвертированными стартовыми синхрогруппами, с помощью которых триггеры регистра сдвига устанавливаются в начальное состояние 1001 0101 0000 0000. Порождающий многочлен g(х) = х¹⁵ + х¹⁴ +1 генерирует ПСП длиной 2¹⁵ - 1 = 32 767 битов≈ 4096 байтов, из которых используется участок длиной 1503 байта.

Скремблирование и дескремблирование транспортного потока происходят во втором логическом элементе «исключающее ИЛИ», на один вход которого подаются транспортные пакеты, а на другой вход через логический элемент «И» поступает ПСП. Схема «И» используется для прерывания ПСП на момент передачи синхробайта (иначе на приеме его не удастся обнаружить).

После скремблирования данные транспортного пакета подвергаются помехоустойчивому кодированию каскадным кодом, в котором в качестве внешнего используется укороченный код Рида-Соломона (204,188,8), в качестве внутреннего - сверточный код. Укороченный код Рида-Соломона формируется в кодере полного кода (255,239,8) путем добавления перед началом транспортного пакета группы из 51 байта, состоящей из одних нулей. Получившийся пакет из 239 байтов проходит кодирование, после которого символы на добавленных позициях отбрасываются и остается пакет длиной 204 байта. Работа кодера описывается порождающим многочленом g(х) = х⁸ + х⁴ + х³ + x² + 1.

Рис. 9.6. Структурная схема сверточного перемежителя и декодера перемежения с глубиной перемежения l = 12

Код Рида-Соломона устойчиво работает при вероятности ошибок на входе декодера не выше 2∙10^-4 устраняя ошибки, с которыми не справился декодер сверточного кода, и обеспечивая выходную вероятность ошибок в пределах 10^-10...10^-11 (квазисвободный от ошибок канал). Такое высокое требование к коэффициенту ошибок связано с принятой DVB концепцией «контейнера данных», согласно которой цифровой канал должен быть универсальным и пригодным для передачи не только телевидения (для которого достаточно иметь вероятность ошибки 3∙10^-6...10^-8), но и любых других цифровых сигналов, в том числе и с повышенными требованиями к достоверности.

Для защиты от пакетных ошибок большой длительности в стандарте осуществляется сверточное перемежение данных с глубиной перемежения 12 байтов. Структурные схема кодера и декодера перемежения показаны на рис. 9.6. В каждом положении переключателя в регистры записывается 1 байт информации, так что транспортный пакет длиной 204 байта будет полнбетью обработан за 204/12 = 17 циклов. Задержка данных в каждой ветви должна быть кратна 17 байт - от 0 до 11 х 17 = 187 байт. В декодере перемежения восстанавливается первоначальный порядок следования данных.

В стандарте DVB-S используется сверточный кодер с длиной кодового ограничения K = 7 и относительными скоростями кодирования R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 (FEC (Forward Error Correction) - прямая коррекция ошибок в англоязычной терминологии). Переключение с базовой скорости 1/2 на другие значения осуществляется выборочным вычеркиванием - перфорированием - некоторых символов. Это несколько снижает корректирующую способность кода, но одновременно уменьшает и его избыточность, позволяя высвободить больше емкости для полезных данных. Декодер сверточного кода осуществляет первый уровень кодозащиты и должен работать при коэффициенте ошибок входного сигнала 10^-1...10^-2, снижая коэффициент ошибок в выходном сигнале до значения 2∙10^-4 необходимого для работы кода Рида-Соломона.

Суммарная энергетическая эффективность каскадного кода, определяемая как выигрыш в необходимом отношении Е_б/N₀, достигает 7,5 дБ при R= 1/2, снижаясь до 5,5 дБ при R= 7/8.