ГОСТ Р 52593-2006 Система кабельного цифрового телевизионного вещания. Методы канального кодирования, мультиплексирования и модуляции

ГОСТ Р 52593-2006

Группа Э07

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИСТЕМА КАБЕЛЬНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

Методы канального кодирования, мультиплексирования и модуляции

Digital video cable broadcasting system.
Methods of channel coding, framing structure and modulation

ОКС 33.170

Дата введения 2007-01-01

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием "Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт радио" (ФГУП НИИР)

2 ВНЕСЕН Министерством информационных технологий и связи Российской Федерации

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 ноября 2006 г. N 263-ст

4 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений Рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ-Т): J.110 (04.97), J.83 (1997) и Европейского Института по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI): EN 300429 (1998)

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на цифровые многопрограммные распределительные системы кабельного телевидения, предназначенные для передачи абонентам сигналов вещательных телевизионных программ и других независимых данных, и устанавливает:

- основные принципы построения многопрограммной системы кабельного цифрового телевизионного вещания;

- структуру цикловой синхронизации, методы канального кодирования, мультиплексирования и модуляции для системы кабельного цифрового телевизионного вещания.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 52023-2003 Сети распределительные систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний

ГОСТ Р 52210-2004 Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения

ГОСТ Р 52592-2006 Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения. Звенья тракта и измерительные сигналы. Общие требования

ГОСТ 17657-79 Передача данных. Термины и определения

ГОСТ 21879-88 Телевидение вещательное. Термины и определения

ГОСТ 22670-77 Сеть связи цифровая интегральная. Термины и определения

ГОСТ 24402-88 Телеобработка данных и вычислительные сети. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться замененным (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 17657, ГОСТ 21879, ГОСТ 22670, ГОСТ 24402, ГОСТ Р 52023, ГОСТ Р 52210, а также следующие термины с соответствующими определениями в соответствии с [1] и [2]:

3.1 генератор псевдослучайной последовательности двоичных чисел (pseudo random binary sequence generator): Оборудование, которое при вводе инициализирующего слова данных генерирует определенную псевдослучайную двоичную последовательность.

3.2 деперемежение (deinterleaving): Метод перестановки символов в принимаемой последовательности с целью восстановления исходной структуры цифрового сигнала, подвергнутого перемежению (операция, обратная перемежению).

3.3 корректирующий код (error-correcting code): Код, позволяющий исправлять ошибки.

3.4 кортежи (m-tuple): Короткие последовательности битов, равные значности модулирующего кода.

3.5 неравномерность АЧХ (in-band ripple): Разность между максимальным и минимальным вносимым затуханием в рабочей полосе пропускания формирующего фильтра.

3.6 перемежение (interleaving): Метод перестановки символов в передаваемой последовательности для изменения распределения ошибок при обработке сигнала на приеме.

3.7 псевдослучайная двоичная последовательность (pseudo random binary sequence): Определенная последовательность двоичных чисел, корреляционные свойства которой близки к корреляционным свойствам ограниченного по уровню шума.

3.8 радиоканал системы кабельного распределения (radio channel of cable distribution system): Полоса частот, отводимая для передачи радиосигнала транспортного потока цифрового вещательного телевидения по кабельной сети.

3.9 радиосигнал системы кабельного распределения (cable distribution system radio frequency signal): Сигнал несущей, модулированный цифровым сигналом транспортного потока цифрового вещательного телевидения.

3.10 самый старший (двоичный) разряд (most significant bit): Бит кодового слова, который имеет наибольший двоичный вес (наибольшее значение двоичного номера в кодовом слове, в настоящем стандарте - это самый левый разряд двоичного номера).

3.11 сверточное перемежение (convolutional interleaving): Способ перемежения, при котором данные считываются в двухмерную матрицу и каждый ряд матрицы задерживается по времени в соответствии с его позицией в матрице. При считывании блоков данных из матрицы происходит изменение их порядка.

3.12 система кабельного телевидения (cable television system): Система кабельного распределения, обслуживающая абонентов большого района или города и обеспечивающая прием радиосигналов телевизионного и звукового вещания, поступающих от центральной головной станции по кабельной сети.

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения:

- коэффициент скругления спектра;

- примитивный элемент поля Галуа, являющийся корнем порождающего многочлена кода Рида-Соломона;

, - старшие разряды кортежа;

ASI (Asynchronous Serial Interface) - асинхронный последовательный интерфейс;

b0, ..., b7 - биты в кодируемых последовательностях;

, …, - биты в последовательностях кортежей;

DVB (Digital Video Broadcasting) - цифровое телевизионное вещание;

DVB-C (Digital Video Broadcasting by Cable) - кабельная система цифрового ТВ вещания;

- текущая частота модулирующего сигнала в основной полосе;

(Nyquist frequency) - частота Найквиста;

- порождающий многочлен кода Рида-Соломона;

- порождающий многочлен рандомизатора;

- амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) формирующего фильтра в основной полосе;

(hexadecimal) - индекс шестнадцатиричной системы счисления;

, - квадратурные сигналы;

- глубина перемежения;

- текущий индекс;

- число информационных символов в блоке кода Рида-Соломона;

LSB (Least Significant Bit) - самый младший (двоичный) разряд;

- число битов в символе при модуляции M-QAM;

- число точек сигнального созвездия модуляции M-QAM (значащих позиций);

MPEG-2 (Moving Picture Experts Group) - обобщенное название группы стандартов ИСО/МЭК 13818 в области кодирования, обработки и транспортирования сигналов изображения и звука;

MSB (Most Significant Bit) - наибольший значащий бит, то есть самый старший (двоичный) разряд;

- длина блока кода Рида-Соломона;

- номер транспортного пакета в группе из восьми пакетов;

- длина последовательности из младших битов кортежа;

- неравномерность АЧХ на частоте Найквиста и в полосе прозрачности формирующего фильтра;

RS(, , 8) - полином кода Рида-Соломона при заданных значениях и ;

SPI (Synchronous Parallel Interface) - синхронный параллельный интерфейс;

STB (Set-Top Box) - цифровая абонентская приставка;

- число ошибок, исправляемых кодом Рида-Соломона;

- байты в кодируемых последовательностях;

- формальная переменная порождающего многочлена, используемая для указания положения разрядов скремблера, охваченных логической обратной связью;

- формальная переменная порождающего многочлена, используемая для указания положения элементов поля Галуа в последовательности данных, кодируемых кодом Рида-Соломона;

- обозначения кортежей в кодируемых последовательностях;

АЧХ (AFC) - амплитудно-частотная характеристика;

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурная амплитудная модуляция;

M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - квадратурная амплитудная модуляция с числом значащих позиций, равным ;

НЗБ (MSB) - наибольший значащий бит;

ПСП (PRBS) - псевдослучайная (двоичная) последовательность;

ПЧ (IF) - промежуточная частота;

РЧ (RF) - радиочастота;

ТВ - телевизионный;

ТП (TS) - транспортный поток.

5 Система кабельного цифрового телевизионного вещания

5.1 Определение системы

Система кабельного цифрового телевизионного вещания - это совокупность технических характеристик, параметров и соответствующих им функциональных блоков оборудования, определяющих способы мультиплексирования, помехоустойчивого кодирования и модуляции, применяемых для согласования (адаптации) транспортных потоков данных MPEG-2 с каналами кабельной распределительной сети [3].

Эта система может сопрягаться с другими цифровыми системами наземного и спутникового многопрограммного телевидения и использоваться для распределения программ абонентам. Система основана на квадратурной амплитудной модуляции (QAM) с 16-, 32-, 64-, 128- или 256-значащими позициями [3], [4].

Настоящий стандарт определяет способ преобразования цифровых сигналов данных MPEG-2 основной полосы частот, поступающих с выхода транспортного мультиплексора MPEG-2, в модулированный сигнал, пригодный для передачи по каналам кабельной распределительной сети, а также способ обратного преобразования сигналов на приемной стороне.

5.2 Структурная схема

5.2.1 Структурная схема системы кабельного цифрового телевизионного вещания, включающая оборудование головной станции, линейной сети и абонентского приемника-декодера показана на рисунке 1.

Рисунок 1

5.2.2 В передающем оборудовании головной станции цифровой кабельной системы для согласования транспортного потока с каналом в линейной сети должны выполняться следующие преобразования:

- сопряжение в основной полосе;

- инвертирование синхроимпульса цикла и рандомизация данных;

- кодирование с помощью кода Рида-Соломона;

- сверточное перемежение;

- преобразование байтов в -разрядные кортежи;

- дифференциальное кодирование;

- формирование спектра в основной полосе частот с помощью формирующего фильтра;

- квадратурная амплитудная модуляция.

5.2.3 Система кабельного цифрового телевизионного вещания должна быть разграничена следующими интерфейсами, приведенными в таблице 1.

Таблица 1

5.2.4 Входными сигналами на головной станции являются транспортные пакеты MPEG-2 и такты, получаемые через интерфейс типа SPI или ASI в основной полосе от: спутниковой линии, технологических линий, локальных программных источников и т.п.

5.2.5 Тактовая частота из интерфейса и внешний сигнал выбора кодовой скорости используются для генерации всех необходимых тактовых и несущей частот. Подачу тактовых сигналов и синхронизацию на передаче следует проводить с использованием соответствующих управляемых генераторов.

5.2.6 В устройстве формирования синхроимпульса цикла и рандомизации осуществляется инвертирование байта синхронизации каждого восьмого транспортного пакета, а также проводится 15-разрядное скремблирование транспортного потока.

5.2.7 Рандомизированные пакеты данных кодируются во внешнем RS-кодере, подвергаются внешнему сверточному перемежению и поступают на преобразователь данных в -разрядные кортежи. Защиту от пакетированных ошибок проводят за счет перемежения символов на выходе кодера Рида-Соломона.

5.2.8 В системе кабельного цифрового телевизионного вещания применяется квадратурная амплитудная модуляция с числом значащих позиций от 16 до 256. Вариант с 64 является обязательным.

5.2.9 Преобразователь байтов в кортежи осуществляет формирование битовых структур, удовлетворяющих условию последующего получения символов квадратурной амплитудной модуляции QAM. С целью получения сигнального созвездия, не зависящего от вращения несущей, к двум старшим разрядам каждого символа QAM следует применять дифференциальное кодирование.

5.2.10 Для формирования спектра сигналов в квадратурных каналах и осуществляется согласованная фильтрация по Найквисту. Сигналами и модулируются квадратурные несущие, затем сигнал QAM переносится по спектру в полосу рабочего кабельного канала, для сопряжения с которым служит физический интерфейс.

5.2.11 На приеме в соответствующем порядке выполняются обратные операции по демодуляции и декодированию сигнала в цифровом приемнике-декодере (цифровой приставке).

6 Кодирование для защиты от ошибок

6.1 Адаптация транспортного потока к каналу передачи и его рандомизация

6.1.1 Входящий поток битов данных должен быть организован в виде транспортных пакетов фиксированной длины по 188 байт. Каждый транспортный пакет должен содержать 1 байт слова синхронизации (его значение - 01000111, или 47) и 187 байт мультиплексированных данных [3].

6.1.2 Байты данных должны следовать старшим разрядом вперед. Процесс обработки данных на передающей стороне начинается со старшего разряда байта синхронизации, то есть с бита со значением "0".

6.1.3 Дисперсия (рассеивание) энергии и близкая к случайной статистика переходов между битами потока данных должны обеспечиваться путем рандомизации входного системного потока MPEG-2. Для рандомизации должен использоваться аддитивный 15-разрядный скремблер, структурная схема которого показана на рисунке 2. Для осуществления обратной функции дескремблирования в приемнике должно использоваться аналогичное устройство.

Последовательность инициализации скремблера

Рисунок 2

6.1.4 Генератор двоичной псевдослучайной последовательности (ПСП) рандомизатора должен иметь порождающий многочлен вида:

. (1)

6.1.5 Работа генератора ПСП должна инициализироваться в начале каждого восьмого транспортного пакета путем загрузки в регистр скремблера фиксированной последовательности "100101010000000". Чтобы обеспечить выделение сигнала инициализации в дескремблере, значение байта синхронизации в первом (1) транспортном пакете в группе из восьми транспортных пакетов (1, ..., 8) должно быть инвертировано, то есть преобразовано из 47 в В8.

6.1.6 Байты синхронизации не должны скремблироваться. Поэтому первый бит с выхода генератора ПСП должен соответствовать во времени первому, то есть старшему (MSB) биту первого байта, следующего за инвертированным синхробайтом (В8). Для поддержки процесса синхронизации во время передачи синхробайтов последующих семи пакетов генератор ПСП должен продолжать работать, но его выход должен быть блокирован, оставляя эти байты нерандомизированными. Таким образом, период ПСП составляет 1503 байт. Структура исходного и рандомизированных транспортных пакетов в последовательности цикла показана на рисунках 3а), 3б) соответственно.

Обозначения:

- нескремблированный синхроимпульс (1 байт);

- нескремблированный инвертированный синхроимпульс (1 байт), 1;

- нескремблированный синхроимпульс (1 байт), 2, 3, ..., 8

Рисунок 3

6.1.7 Процесс рандомизации должен быть активен и тогда, когда входной поток отсутствует, или когда он не соответствует формату транспортного потока MPEG-2 (1 синхробайт + 187 байт пакета). Это необходимо для предотвращения появления немодулированной несущей на выходе передатчика.

6.2 Внешнее кодирование

6.2.1 Для внешнего кодирования должен использоваться укороченный код Рида-Соломона RS(204,188, 8), полученный из первоначального систематического кода Рида-Соломона RS(255, 239, 8). Укорочение кода должно обеспечиваться добавлением 51 байта (все со значением "0") перед информационными байтами на входе кодера RS(255, 239, 8). После кодирования все эти нулевые байты должны быть исключены.

6.2.2 Внешнее кодирование должно быть применено к каждому входящему рандомизированному транспортному пакету [см. рисунок 3б)] с получением в результате пакета с введенными байтами защиты от ошибок, как показано на рисунке 3в).

6.2.3 Кодирование Рида-Соломона необходимо применять к всему транспортному пакету, включая байт синхронизации как неинвертированный (значение 47), так и инвертированный (значение В8).

6.2.4 Для задания кода Рида-Соломона должны использоваться порождающий многочлен

(2)

и порождающий многочлен конечного поля Галуа

, (3)

где 0,2 - примитивный элемент поля Галуа, являющийся корнем порождающего многочлена;

- формальная переменная, используемая для указания положения элементов поля в последовательности кодируемых данных.

6.3 Сверточное перемежение и цикловая синхронизация

6.3.1 Операцию внешнего перемежения следует проводить после внешнего кодирования в сверточном побайтовом перемежителе структуры Форни с глубиной перемежения 12. Структурная схема внешнего перемежения показана на рисунке 4.

Рисунок 4

Перемежитель должен быть составлен из 12 ветвей, циклически подключаемых коммутатором в цепь прохождения входного потока байтов. Каждая из ветвей образована регистрами сдвига типа FIFO с глубиной () ячеек, где , 204 - длина кадра с защитой от ошибок, 12 - глубина перемежения, - индекс ветви. Ячейки регистра сдвига имеют емкость в 1 байт, а входные и выходные переключатели синхронизированы. Задержки в ветвях деперемежителя выбраны так, чтобы во всех положениях 12-позиционного коммутатора суммарная задержка перемежителя/деперемежителя была равна 17х11 байт.

6.3.2 Результатом перемежения должны быть сформированные перемеженные кадры, структура которых показана на рисунке 3г).

Перемеженные кадры составлены из байтов перекрывающихся пакетов с байтами защиты от ошибок и для их разграничения используются инвертированные или неинвертированные синхронизирующие байты пакетов MPEG-2 (это сохраняет периодичность в 204 байт). Практически байты синхронизации пакетов не перемежаются, они должны всегда проходить через перемежитель по ветви с нулевой задержкой, как показано на структурной схеме, приведенной на рисунке 4.

6.3.3 Для деперемежения данных в приемнике должна использоваться схема деперемежителя, аналогичная перемежителю, но индексы ветвей которой должны быть полностью обратны (то есть ветви с индексом 0 должна соответствовать самая большая задержка).

6.3.4 Синхронизация деперемежителя в приемнике должна выполняться направлением первого идентифицированного синхронизирующего байта в ветвь с нулевой ("0") задержкой.

7 Формирование спектра и модуляция

7.1 Отображение байтов в символы

7.1.1 Преобразование непрерывной последовательности байтов с выхода сверточного перемежителя в короткие последовательности битов (кортежи) необходимо для последующей модуляции несущей. Каждый из кортежей должен соответствовать символу QAM, т.е. определенной точке на квадратурной диаграмме модулированного сигнала [3], [4].

7.1.2 Длина кортежа в битах должна быть равна , где - число позиций модулированного сигнала M-QAM. При этом отображение байтов в кортежи должно осуществляться циклически и для одного цикла выражаться следующей формулой

, (4)

где - число преобразуемых байтов по 8 бит каждый,

- число кортежей длины бит.

7.1.3 Для различных вариантов модуляции M-QAM соответствующие значения коэффициентов преобразования байтов в символы должны соответствовать приведенным в таблице 2.

Таблица 2

Минимальный цикл преобразования в 1 байт соответствует видам модуляции 16-QAM и 256-QAM. При модуляции 256-QAM байты и кортежи совпадают.

Процесс преобразования с использованием модуляции 64-QAM показан на рисунке 5. В начале преобразования старший значащий разряд (MSB) кортежа должен соответствовать старшему разряду из последовательности байтов b7 и далее в том же порядке. При 8 каждый байт входит более чем в один кортеж.

Рисунок 5

7.2 Дифференциальное кодирование

7.2.1 Для устранения потерь информации из-за скачков фазы несущей в цифровой кабельной системе должно применяться дифференциальное кодирование двух старших разрядов кортежа ( и ). При этом обеспечивается однозначность выделения требуемого квадранта на квадратурной диаграмме в соответствии с данными таблицы 3.

Таблица 3

7.2.2 Менее значащие битов кортежа (2, 3, 4, 5, 6 для 16-, 32-, 64-, 128-, 256-QAM соответственно) определяют номер точки, повторяясь в каждом квадранте, и не подвержены искажениям из-за случайных фазовых сдвигов на значение, кратное /2.

7.2.3 Закон дифференциального кодирования старших разрядов должен определяться следующими логическими формулами:

, (5)

, (6)

где и - старшие разряды кортежа;

и - старшие разряды кортежа после дифференциального кодирования; индекс относится к текущему такту преобразования, а индекс - к предшествующему такту.

7.2.4 Структурная схема устройств, связанных с дифференциальным кодированием и отображением байтов в символы M-QAM, показана на рисунке 6.

Рисунок 6

7.3 Квадратурные диаграммы сигналов и формирование спектра

7.3.1 В системе кабельного цифрового телевизионного вещания должна применяться квадратурная амплитудная модуляция M-QAM с числом значащих позиций , равным 16, 32, 64, 128 или 256. Вариант модуляции с 64 является обязательным, варианты модуляции с 16, 32, 128, 256 допускаются опционно [3].

7.3.2 Квадратурные диаграммы сигналов (сигнальные созвездия), отображающие полную совокупность сигналов, передаваемых в цифровой распределительной системе кабельного телевидения, показаны на рисунке 7 для модуляции 16-, 32- и 64-QАМ, на рисунке 8 - для модуляции 128- и 256-QAM. На рисунках 7 и 8 около каждой точки сигнальных созвездий указаны значения битов соответствующих кортежей.

- два старших разряда в каждом квадранте

Рисунок 7

Рисунок 8

7.3.3 Квадратурные сигналы (сигнал синфазен с несущей) и (сигнал находится в квадратуре к несущей) с выхода блока отображения байтов в кортежи перед модуляцией и после демодуляции в приемнике должны подвергаться согласованной фильтрации для формирования полного спектра системы с коэффициентом скругления 0,15.

7.3.4 Амплитудно-частотные характеристики формирующих фильтров в передатчике и в приемнике в области скругления спектра должны соответствовать корню квадратному из полной характеристики спектра системы и выражаться формулой:

, (7)

где - текущая частота модулирующего сигнала в основной полосе;

- частота Найквиста;

- коэффициент скругления спектра.

7.3.5 Неравномерность АЧХ формирующих фильтров (7) в полосе прозрачности и на частоте Найквиста не должна превышать 0,4 дБ.

Приложение А
(обязательное)

Амплитудно-частотная характеристика фильтра основной полосы

Амплитудно-частотная характеристика формирующих фильтров Найквиста в передатчике и в приемнике (7) в основной полосе сигнала системы кабельного цифрового телевизионного вещания должна соответствовать шаблону, приведенному на рисунке А.1. Соответствие шаблону рассматривается как минимальное требование при воплощении формирующего фильтра. Шаблон учитывает не только возможные конструктивные ограничения цифрового фильтра, но также и искажения, возникающие при аналоговой обработке сигналов в системе (например при цифроаналоговом преобразовании; при аналоговой фильтрации и т.п.).

Рисунок А.1

Значение неравномерности АЧХ формирующего фильтра (7) в полосе прозрачности фильтра до и на частоте Найквиста не должно быть более 0,4 дБ. Глубина подавления в полосе задерживания фильтра (7) должна быть не менее 43 дБ.

Формирующий фильтр должен иметь линейную фазочастотную характеристику с неравномерностью группового времени задержки в полосе до частоты Найквиста не более 0,1, где - длительность символа модулирующего сигнала.

Примечание - Значения неравномерности АЧХ в полосе пропускания и глубины подавления в полосе задерживания, приведенные в настоящем приложении, являются ориентировочными и могут быть впоследствии уточнены.

Библиография

Текст документа сверен по:

, 2007