ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИГНАЛА DVB-T2 В РАЗЛИЧНЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются основные преимущества стандарта DVB-T2 перед более ранними стандартами цифрового телевизионного вещания. Описан алгоритм исследования. Приводятся графики и результаты моделирования.

Ключевые слова: телевидение; DVB-T2; моделирование.

ВВЕДЕНИЕ 

Стандарт цифрового наземного телевещания DVB-T появился в 1997 году. Данный стандарт был разработан в качестве альтернативы аналоговому телевизионному вещанию. Чаще всего для сигнала DVB-T использовались стационарные приемники-приставки для телевизоров. Затем, были разработаны телевизоры со встроенным приемником, а также нестационарные приемники, к примеру, использующиеся в мультимедиа-системах автомобилей. Впоследствии, благодаря развитию технологий и наращиванию мощностей вычислительной техники был представлен стандарт DVB-T2. Как известно, новый стандарт вещания не имеет обратной совместимости с предыдущим, и, следовательно, это ведет к замене всех устройств приема сигнала. Но DVB-T2 имеет множество неоспоримых преимуществ. В то время как стандарт первого поколения был разработан с целью перехода с аналогового вещания на цифровое, второй стандарт был создан для расширения возможностей и увеличения эффективности цифрового ТВ [1 с.9].

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ

A. Используемое ПО

Для проведения моделирования был использован пакет MatLab. Данное программное обеспечение обеспечивает высокую точность, скорость и достоверность результатов.

B. Алгоритм программы

Функция T2Modulation создаёт поток информации на входе. Предполагаются канал шириной 8 МГц и стандартный FEC - кадр объемом 64800 бит. Команда T2Modulation() вызывает набор функций, с помощью которых генерируется модулированный сигнал DVB-T2. С помощью битового перемежителя поток битов разделяется на несколько  субпотоков для выполнения QAM – модуляции. Порядок следования битов изменен. Количество субпотоков в полном FEC - блоке равняется 2*ld(M). Информационные слова размером ld(M) генерируются из субпотоков.  Чтобы нормализовать амплитуды QAM, точки в констелляционном созвездии перемножены с нормирующим коэффициентом. Этот коэффициент будет равным √2   для QPSK, √10   для 16QAM, √42   для 64QAM, √170   для 256QAM [2 c.20]. Кадропостроитель - OFDM распределяет данные на группы, состоящие из N_max символов.  N_max обусловлено количеством быстрых преобразований Фурье в OFDM модуляции и обозначает наибольшее количество QAM символов, которые могут быть переданы в одном OFDM кадре. Используемая модель предполагает использование структуры пилот сигналов PP7. В таком случае N_max будет максимальным [3 c.57]. Частотный перемежитель выполняет перестановку QAM символов по псевдослучайному алгоритму. В дальнейшем, с помощью ОБПФ создается OFDM сигнал.  Полученный сигнал DVB-T2 проходит через один из трех каналов связи, и передается на приёмное устройство, преобразующее сигнал обратно в информационный поток. Полученный поток информации сравнивается с исходным и, таким образов, вычисляется коэффициент битовых ошибок (BER).

III. УСЛОВИЯ ПРОХОЖДЕНИЯ СИГНАЛА

Для того чтобы исследовать поведение сигнала максимально близко к реальным условиям, с помощью системы MatLab были созданы следующие модели:

A. Канал с аддитивным белым шумом

Модель канала с аддитивным белым шумом — это стандартное решение при исследовании помех и искажений в системах связи.

Математически, сигнал прошедший через данный канал, можно описать следующим образом:

                                                                     (1)

где s(t) – сигнал, n(t) – белый шум.

Белый шум имеет равномерную спектральную плотность, а дисперсия равна

   .                                                                          (2)

Белый шум существует во всех коммуникационных системах, например, тепловой шум электронных компонентов и т.д.

B.  Релеевский канал

Релеевский канал – это канал с замираниями, вызванными интерференцией от многолучевого распространения сигнала. Такая ситуация чаще всего наблюдается в городах, с высокой плотностью застройки. Сигнал многократно отражается как от неподвижных объектов - зданий, гор, деревьев, так и от движущихся объектов, таких как автомобили и летательные аппараты. Этот эффект вызывает медленные замирания.

Для мобильных приемников наиболее вредны быстрые замирания [4, c.21]. Они вызываются эффектом Доплера. Доплеровский сдвиг зависит от скорости передвижения приёмника, а также от несущей частоты сигнала. Наибольший возможный Доплеровский сдвиг выражается как:

  .                                                                          (3)

Величина Доплеровского сдвига также зависит и от направления движения приемника относительно передатчика:                          

                                                        (4)

Рисунок 1. Иллюстрация эффекта многолучевого распространения

C. Райсовский канал

В дополнение к модели Релеевскому каналу используется модель Райсовского канала. Она отличается наличием дополнительной прямой траекторией распространения сигнала. Отношение энергии сигнала при прямом и многолучевом распространении к энергии принятого сигнала выражается K – фактором:                                                       

                                                                            (5)

Выигрыш от поворота сигнального созвездия в Райсовском канале напрямую зависит от соотношения мощностей компоненты сигнала в прямой видимости и многолучевой компоненты.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По итогам моделирования и проведения симуляции были получены следующие результаты.

A. Канал с аддитивным белым шумом

Моделирование прохождения сигнала DVB-2 через канал с белым шумом не выявило преимуществ от OFDM –модуляции и увеличенного количества быстрых преобразований Фурье. Не повлиял на результат и поворот констелляционных созвездий.

Рисунок 2. Сравнение коэффициента битовых ошибок для DVB-T и DVB-T2 в канале с аддитивным белым шумом

B. Релеевский канал

Результат моделирования сигнала DVB-T2 в Релеевском канале хорошо иллюстрирует преимущества от поворота констелляционного созвездия и OFDM модуляции.

Рисунок 3. Сравнение коэффициента битовых ошибок для DVB-T и DVB-T2 в канале с аддитивным белым шумом

C. Райсовский канал

В дополнение к модели Релеевскому каналу используется модель Райсовского канала. Выигрыш от поворота сигнального созвездия в Райсовском канале напрямую зависит от соотношения мощностей компоненты сигнала в прямой видимости и многолучевой компоненты. Для больших значений K – фактора мощность сигнала в прямой видимости приемника будет больше, следовательно, поворот сигнального созвездия не будет оказывать значительного влияния на коэффициент бытовых ошибок. Но для K → 0 результаты моделирования будут схожи с результатами, полученными при использовании модели Релеевского канала.

Список литературы:

1. DVB: Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). Rev. 5. 2008-06J.
2. ETSI: Digital Video Broadcasting (DVB) User guidelines for the second generation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2). V1.1.1. 2005-02
3. ETSI: Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. V 1.6.1. 2008-09
4. Д.Ю.Жулябин «Модели каналов для беспроводных систем связи» Воронежский институт высоких технологий, 2014.