Цифровое вещание. Стандарты цифровых систем кабельного телевидения

Кабельное телевидение (англ. Community Antenna Television, CATV — букв. телевидение с общей антенной) — модель телевизионного вещания (а также иногда и FM-радиовещания), в которой телесигнал распространяется посредством высокочастотных сигналов, передаваемых через проложенный к потребителю кабель. Кабельное телевидение противопоставляется обычному наземному и спутниковому телевещанию.

Долгое время основой кабельных телесетей является коаксиальный кабель. Успешное развитие технологий оптической передачи данных привело к внедрению оптического волокна в сети кабельного телевидения в виде так называемыхгибридных, или волоконно-коаксиальных сетей (англ. HFC — hybrid fibre-coaxial), в которых сочетаются коаксиальные и волоконно-оптические кабели.

Традиционно аналоговая технология кабельного телевидения успешно осваивает цифровые способы передачи данных, как в традиционном направлении к клиентам (DVB — цифровое телевидение), так и двусторонние (DOCSIS), интерактивные.

СТАНДАРТ DOCSIS

В 1998 г. на сессии рабочей группы ITU в Женеве был одобрен основополагающий стандарт J.112, определяющий методы передачи данных по сетям кабельного телевидения. Базируясь на основе стандартов ITU J.112 и J.83, консорциумом CableLabs в сотрудничестве с широким кругом производителей оборудования был разработан единый международный стандарт, известный под названием Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS).

Этот стандарт предусматривает передачу данных абоненту по сети кабельного телевидения с максимальной скоростью до 42 Мбит/с. (при ширине полосы пропускания 6 МГц и использовании многопозиционной амплитудной модуляции 256 QAM) и получение данных от абонента со скоростью до 10,24 Мбит/с. Он призван сменить господствовавшие ранее решения на основе фирменных протоколов передачи данных и методов модуляции, несовместимых друг с другом, и должен гарантировать совместимость аппаратуры различных производителей.

Принятые ITU документы содержат также три приложения, учитывающие специфические особенности американского, европейского и японского рынков услуг CATV и используемые в этих регионах стандарты (NTSC, PAL, SECAM).

Существует несколько версий спецификации DOCSIS: DOCSIS 1.0; DOCSIS 1.1; DOCSIS 2.0; DOCSIS 3.0; EuroDOCSIS.

EuroDOCSIS регламентирует принятое для Европы распределение частот прямого и обратного канала, оговаривает работу c полосой 8 МГц.

Стандарт DOCSIS 1.1 дополнительно предусматривает наличие специальных механизмов, улучшающих поддержку IP-телефонии, уменьшающих задержки при передаче речи (например, механизмы фрагментации и сборки больших пакетов, организации виртуальных каналов и задания приоритетов).

DOCSIS имеет прямую поддержку IP протокола с нефиксированной длиной пакетов, в отличие от DVR-RC, который использует ATM Cell transport для передачи IP пакетов (то есть, IP пакет сначала переводится в формат ATM, который затем передаётся по кабелю; на другой стороне производится обратный процесс). Передача данных «сверху вниз» — к пользователю, или в Downstream-канале — выполняется передающим устройством головного оборудования, называемым CMTS — Cable Modem Termination System; в упрощённом случае вся полоса делится между всеми пользователями, которые в данный момент принимают данные, поэтому доступная в каждый момент времени полоса для конкретного пользователя может «плавать» в широких пределах. Передача информации «снизу вверх» (в Upstream-канале) может выполняться кабельным модемом, который отвечает техническим требованиям, предъявляемым Предприятием, или сертифицирован на соответствие стандарту DOCSIS, а в качестве протокола доступа реализована процедура МДВР (многостанционный доступ с временным разделением каналов) или МДКР (многостанционный доступ с кодовым разделением каналов). До появления стандарта DOCSIS 3.0 полоса на одного пользователя в Downstream-канале составляла примерно не более 25 Мбит/с, в Upstream-канале — не более 10 Мбит/с. Это обусловлено невозможностью выделения всех тайм-слотов на одно абонентское устройство.

Главное отличие DOCSIS 3.0 от 2.0 в том, что в DOCSIS 3.0 каналы на кабельном модеме можно объединять, тем самым увеличивая скорость доступа. Объединяются до 16 прямых и 8 обратных (2008 г.). Также в DOCSIS 3.0 появилась поддержка multicast, IPv6, шифрования AES и др.

	DOCSIS		EuroDOCSIS
	Прямой канал (Down)	Обратный канал (Up)	Прямой канал (Down)	Обратный канал (Up)
1.x	42,88 (38) Мбит/с	10,24 (9) Мбит/с	55,62 (50) Мбит/с	10,24 (9) Мбит/с
2.0	42,88 (38) Мбит/с	30,72 (27) Мбит/с	55,62 (50) Мбит/с	30,72 (27) Мбит/с
3.0 4channel	+171,52 (+152) Мбит/с	+122,88 (+108) Мбит/с	+222,48 (+200) Мбит/с	+122,88 (+108) Мбит/с
3.0 8channel	+343,04 (+304) Мбит/с	+122,88 (+108) Мбит/с	+444,96 (+400) Мбит/с	+122,88 (+108) Мбит/с

Таблица 1. Максимальная скорость синхронизации (Максимальная используемая скорость)

Стек протоколов

Все разнообразные протоколы, используемые в стандарте DOCSIS, имеют специфические функции. Взаимосвязи этих протоколов показаны на диаграмме с названием «Протоколы DOCSIS». Эти протоколы представляют базу для работы любого кабельного модема. Четыре нижних уровня являются специфическими для кабельной сети передачи данных (оборудование HFC) и составляют основу связи между любым кабельным модемом (CM) и оконечной системой кабельных модемов (CMTS). Верхние уровни представляют протоколы, которые работают по соединению, установленному нижними уровнями. Хорошо знакомые IP-службы, такие, как email, web, передача файлов и сетевые новости, все представлены как трафик TCP/IP. Возможно использование других протоколов, таких, как IPX/SPX, AppleTalk и NetBeui, однако, так как в основном Интернет базируется на TCP/IP, указанные протоколы не показаны на диаграмме.

Уровни

PHY — физический уровень. Этот уровень определяет методы модуляции, используемые в оборудовании HFC. Этот уровень обеспечивает преобразование сигнала, принимаемого из коаксиального кабеля, в цифровую информацию, используемую на верхних уровнях, и обратное преобразование цифровых сигналов верхнего уровня для передачи по коаксиальному кабелю. В качестве методов модуляции для передачи сигналов по коаксиальному кабелю могут использоваться 64- или 256-позиционная квадратурная амплитудная модуляция (64- или 256-QAM) — для входящего потока, и квадратурная фазовая модуляция или 16-QAM — для исходящего потока.

MPEG-2 — уровень конвергенции передачи. Все данные, имеющиеся во входящем потоке, инкапсулируются в кадры MPEG-2. Эти кадры могут содержать реальные видео- и аудиоданные, которые, как правило, декодируются и представляют собой ТВ-изображения и звуковой сигнал. Они могут содержать также данные, которые декодируются и представляют собой информацию для компьютера (т.е. информацию Интернет). Так как все данные… голос, видео, Интернет… кодируются в кадры MPEG-2, то оператор имеет возможность мультиплексировать все сигналы в одном кабеле. Это составляет сущность функционирования кабельного доступа к Интернет.

MAC — уровень управления доступом к связной среде. Эта секция стека протоколов DOCSIS управляет всеми данными, представленными в исходящем потоке. Так как оборудование HFC похоже на сеть Ethernet, в которой все телекоммуникационные устройства «подсоединены» к одному и тому же кабелю, то существует определенный процесс, в соответствии с которым CMTS может сообщать CM, когда и как долго они должны передавать данные. Уровень MAC представляет средство координации исходящего трафика из CM в CMTS.

BPI — шифрование канала передачи данных. Так как кабельная сеть представляет собой коллективно используемую среду связи, то должен существовать метод защиты данных пользователя от злонамеренного использования. В качестве такого метода в стандарте DOCSIS определен «базовый интерфейс обеспечения конфиденциальности» (Baseline Privacy Interface, BPI).

Блокировка, присоединение, регистрация, вперед

С момента включения кабельного модема до того момента, когда пользователь может загрузить свою любимую домашнюю страницу, производится последовательность операций, в которых участвуют все уровни стека протоколов DOCSIS. Все они специально разработаны таким образом, чтобы оператор кабельной сети мог обеспечивать стабильное и надежное подключение к Интернет. В этом документе приводится объяснение взаимодействия указанных уровней для организации стабильного соединения для передачи данных между CM и CMTS. Подробное описание протоколов физического уровня и уровней MAC, MPEG-2, BPI не входит в задачи этого документа. Однако, в рамках данного объяснения приведен объем информации, достаточный для получения общего представления об этих протоколах.

Блокировка QAM

При условии, что загрузка CM была проведена надлежащим образом, и он прошел все этапы самотестирования, первой задачей CM является нахождение «канала DOCSIS».

Практически в каждом оборудовании HFC в Северной Америке используется канальный план 6 МГц. Если вы настроите ваш телевизор на канал 32, то кабельное оборудование фактически предоставляет полосу частот 6 МГц из всего частотного спектра. Эти 6 МГц используются для кодирования кадров MPEG-2, содержащих видео- и аудиоинформацию, которую ваше кабельное оборудование или телевизор преобразует в изображение и звук. Канал DOCSIS может быть графически представлен точно также. Вместо видео- и аудиоинформации внутри кадров MGPEG-2 он содержит данные, которые представляют компьютерную информацию. Каждый кадр MGPEG-2 «отмечен» идентификатором программы (PID). Каждый кадр MGPEG-2 с PID 0x1ffe (шестнадцатеричный) является кадром DOCSIS.

CM производит просмотр всего частотного спектра, отыскивая канал 6 МГц, в котором кадры MGPEG-2 отмечены PID 0x1ffe. Найдя канал, в котором передаются кадры MGPEG-2, CM переходит в состояние, называемое блокировка QAM. Достигнув состояния блокировка QAM, CM переходит к следующему этапу процесса.

Присоединение

Каждый CMTS непрерывно широковещательно передает в каждом входящем потоке три отдельных сообщения, относящихся к уровню MAC. Этим сообщениями являются SYNC, UCD и MAP. Для обеспечения правильной передачи данных по кабелю в направлении исходящего потока CM должен непрерывно идентифицировать и декодировать эти сообщения.

Сообщение SYNC — простое сообщения для синхронизации времени. Оно используется для обеспечения общего эталонного времени для всех кабельных модемов, подсоединенных к CMTS через коаксиальный кабель.

Следующее сообщение — сообщение-паспорт канала исходящего потока (UCD). Оно представляет описание параметров исходящего потока, включая модуляцию, скорость передачи символов, ширину канала и частоту. Каждый исходящий поток, существующий в кабельном оборудовании, имеет собственный набор таких характеристик. Для каждого исходящего потока CMTS передает отдельное сообщение UCD. CM должен обязательно использовать это сообщения для согласования своих возможностей с доступными характеристиками исходящего потока.

Последнее сообщение — схема распределения полосы частот (MAP). Подобно сообщению UCD, каждый исходящий поток имеет собственное сообщение MAP. MAP содержит информацию, указывающую CM разрешенные ему время и продолжительность передачи. Сообщение SYNC обеспечивает эталонное время для этих параметров передачи. При первом сеансе передачи, предпринимаемом CM, он должен обратиться к сообщению MAP для определения возможности первоначальной передачи — специально зарезервированной для CM возможности, когда они подсоединяются к сети после включения питания.

После приема и декодирования CM всех этих сообщений ему «известно» следующее:

Эталонное время
Параметры исходящего потока
Параметры исходящего потока

Имея эту информацию, CM переходит к следующему этапу процесса присоединения, который включает следующие процессы:

Точная настройка эталонного времени
Точная настройка частоты передачи
Точная настройка уровня передачи

Процесс присоединения является итерационным. CM использует сообщения SYNC, UCD и MAP в основном для определения, когда и как передавать информацию в исходящем потоке. CMTS контролирует передачу CM, определяет время задержки относительно момента передачи им к CM сообщения MAP, точную частоту входящей (для CMTS) передачи и уровень мощности входящей передачи. Затем CMTS посылает CM ответ на присоединение с указаниями настроить синхронизацию времени, частоту и уровень передачи. Этот обмен сообщениями продолжается до тех пор, пока CMTS и CM не достигнут надлежащей точности настройки параметров: времени — в пределах 1 мкс, частоты — с точностью 10 Гц и уровня передачи — с точностью 0, 25 дБ.

В течение всего периода времени, когда CM активно соединен с CMTS, CMTS периодически повторяет этот процесс. Эта процедура называется периодическим обслуживанием и определяется при конфигурировании CMTS.

После завершения присоединения любая дальнейшая передача CM в исходящем потоке согласуется на основании запроса от CM, который принимается CMTS. CMTS принимает запрос и составляет расписание для создания уникальной возможности передачи для CM. Этот процесс реализуется в микросекундном временном масштабе. Как вы можете понять, координация времени и возможности передачи является критическим фактором. Это объясняет, почему сообщение SYNC имеет такую критическую важность для связи в исходящем направлении.

Регистрация

Теперь, когда кабельный модем установил связь с CMTS на нижних уровнях, его следующим этапом является установление IP-соединения. Это осуществляется с использованием стандартных DHCP-процедур. CM посылает DHCP-запрос. CMTS пересылает этот запрос DHCP-серверу. В большинстве базовых систем DHCP-сервер регистрирует уникальный CM по его Ethernet MAC-адресу (отличающемуся от уровня MAC в модели протокола DOCSIS) и назначает ему IP-адрес. DHCP-ответ пересылает CMTC. Этот ответ содержит, как минимум, IP-адрес, шлюз по умолчанию и маску IP-сети.

В дополнение к этой базовой информации в DHCP-ответе также содержится специфическая информация DOCSIS, необходимая для базового функционирования CM:

IP-адрес сервера TFTP
Имя файла конфигурации DOCSIS
Текущий сервер
Специфическая информация кабельной сети оператора (факультативная)

DHCP-сервер находится в кабельной сети оператора и является тем местом, где обрабатываются различные файлы конфигурации DOCSIS. Эти файлы конфигурации задают специфические параметры для CM и устанавливают максимально допустимую полосу для входящего и исходящего потоков. В более сложных кабельных системах эти файлы могут быть адаптированы для модемов специфических изготовителей, некоторых классов услуг, специальных рабочих инструкций, таких как фильтры и ограничения трафика, и для инициации апгрейда микропрограммного обеспечения CM.

Для загрузки файла конфигурации к CM посылается DHCP-ответ, содержащий IP-адрес сервера TFTP и имя файла конфигурации, который должен быть загружен. После того, как CM сам выполнит собственное конфигурирование на IP-адрес, предоставленный DHCP-сервером, он инициирует передачу файлов TFTP серверу TFTP и производит загрузку указанного файла конфигурации. Загрузив файл конфигурации, CM декодирует и обрабатывает его.

Передача данных

Теперь CM готов к работе в режиме передачи данных. В большинстве разработанных в настоящее время кабельных модемов используется архитектура моста. Если объяснить наиболее просто, то мост — это устройство, осуществляющее преобразование одной среды связи в другую. У CM имеются две среды связи, на стороне оборудования в помещении пользователя (CPE) — Ethernet или USB, на стороне радиочастот (RF) — коаксиальный кабель. Любой существующий с одной стороны кабельного модема трафик данных просто передается на другую сторону.

СТАНДАРТ DVB-C

Альтернативой группе стандартов DOCSIS является стандарт DVB-C.

DVB (англ. Digital Video Broadcasting) — семейство стандартов цифрового телевидения разработанных консорциумом DVB и стандартизированных Европейским институтом телекоммуникационных стандартов. Доступ к текстам большинства стандартов является открытым.

Стандарты охватывают все уровни модели взаимодействия открытых систем OSI с разной степенью детализации для различных способов передачи цифрового сигнала: наземного (фиксированного и мобильного), спутникового, кабельного (как классического, так и IPTV). На более высоких уровнях OSI стандартизируются системы условного доступа, способы организации информации для передачи в среде IP, различные метаданные и др.

Некоторые стандарты DVB в высокой степени связаны со стандартами MPEG1, MPEG2 и ITU H.264, которые определяют тип используемого транспорта и способ компрессии изображений в цифровом телевидении. В то же время стандарты DVB предлагают расширения этих стандартов, особенно MPEG2.

Помимо стандартов ETSI на сайте консорциума DVB в свободном доступе находятся так называемые «голубые книги» (bluebooks), которые содержат новшества в стандартах DVB, которые еще не приняты ETSI и проходят стадию обсуждения.

Стандарты DVB, которые приняты ETSI подразделяются на несколько групп: EN — обязательные стандарты, TS — техническая спецификация (неполный предварительный стандарт), TR — рекомендация, необязательная для исполнения. Стандарты, в названии которых имеется слово guidelines (руководство), содержат развернутые и подробные рекомендации и разъяснения, а кроме того, много полезной сопутствующей информации.

Стандарты цифрового телевидения DVB делятся на группы по сфере применения. Каждая группа имеет сокращенное название с префиксом DVB-, например, DVB-DATA — группа стандартов, посвященная передаче данных по сетям цифрового телевидения.

DVB-C Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через кабельные сети. DVB-C – стандарт цифрового телевизионного вещания по кабелю.

В основе стандартов DVB (в том числе и стандарта DVB-C) лежит стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения MPEG-2 (см. табл.1). В настоящее время используется основной профиль без масштабирования.

Уровень High-1440 (1440×1152 элементов) соответствует телевидению высокого разрешения (высокой четкости) с форматом экрана 4:3 (стандартный экран), а уровень High (1920×1152 элементов) — телевидению высокого разрешения (HDTV) с форматом экрана 16:9 (широкоформатное изображение). Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации (т.е. MPEG-2) цифровых телевизионных систем – профилям. С переходом на более высокие профили, т.е. при продвижении по таблице направо, увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов.

Как видно из таблицы, на главном уровне (Main), соответствующем телевидению обычного разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с. Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с, соответствующей параллельному стыку по Рекомендации 601 МККР, можно видеть, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз. Режим “Main Profile@Main Level (MP@ML)” в настоящее время широко используется в системах DVB (Стандарт DVB-C).

На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих HDTV, скорость передачи в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней разрешения данного профиля используется один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем ЗУ. Аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения.

Высшие профили стандарта MPEG-2 характеризуются наличием масштабируемости, которая была упомянута выше. Кроме того, на высших профилях возможно применение компонентного кодирования сигналов не только через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2). Предусмотрен также специальный профиль (4:2:2, в табл.2 не показан), предназначенный для студийного оборудования, в частности для видеомонтажа.

Таблица 2. Стандарт MPEG-2 (в основе DVB-C)

Уровень	Профиль
Уровень	Простой (Simple)	Основной (Main)	Масшта- бирование по S/N (SNR Scalable)	Пространственный (Spatially Scalable)	Высокий (High)
High 1920×1152	—	80 Мбит/с	—	—	100 Мбит/с
High-1440 1440×1152	—	60 Мбит/с	—	60 Мбит/с	80 Мбит/с
Main 720×576	15 Мбит/с	15 Мбит/с	15 Мбит/с	—	20 Мбит/с
Low 352×280	—	4 Мбит/с	4 Мбит/с	—	—
Кодирование компонентов	4:02:00	4:02:00	4:02:00	4:02:00	4:2:0 или 4:02:02
В-кадры	Нет	Есть	Есть	Tcnm
Масштабируемость	Нет	Нет	По S/N	По пространственному разрешению и по S/N	По пространственному разрешению и по S/N

СТАНДАРТ DVB-C2 «второе поколение»

Благодаря хорошим физическим характеристикам, HFC-сети представляют собой качественную платформу для сегодняшних и завтрашних широкополосных телекоммуникационных услуг. В прошлом их транспортный спектр использовался, в основном, для передачи аналоговых ТВ-каналов. В последние годы внедрение DVB-C в сочетании с компрессией MPEG-2 позволило вводить в сети огромное количество цифровых ТВ–каналов. В то же время DVB-C, как правило, продолжает сосуществовать с аналоговым вещанием, и к тому же во многих HFC-сетях присутствует двусторонняя передача данных. Операторы формируют у себя пакет мультисервисных услуг Triple Play, который, дополнительно к традиционному телевещанию, включает телефонию и доступ к Интернет. А объемы IP-трафика стремительно растут, и эта тенденция обещает сохраниться в будущем. Кроме того, все больше видеоматериала предоставляется в формате ТВЧ (телевидение высокой четкости), требующем значительно более высокой пропускной способности по сравнению с телевидением стандартной четкости. И, в довершение всего, используемый спектр прямого канала часто ограничен 800 МГц.
Как показывает исследование, проведенное в рамках проекта ReDeSign, по перечисленным причинам многие кабельные операторы вскоре столкнутся с проблемой дефицита спектра. Решить эту проблему можно либо расширением спект-ра, либо разделением сети на сегменты с меньшим числом абонентов. Оба подхода требуют добавления множества активных и пассивных сетевых компонентов, то есть достаточно затратных для оператора. Третий, наиболее перспективный подход — реорганизация физического канала по технологии с более эффективным использованием спектра. Такая технология как раз и разработана в рамках недавно принятого стандарта DVB-C2.

Общая характеристика

Второе поколение стандартов DVB (DVB-X2), как и первое, включает три основных транспортных стандарта, обслуживающих три главные транспортные среды — DVB-S2 (спутниковый), DVB-T2 (эфирный) и DVB-C2 (кабельный).
Разработчики семейства стандартов DVB-X2 старались максимально унифицировать компоненты стандартов, предназначенных для разных среды. В частности, во всех стандартах применяется единая схема помехоустойчивого кодирования (FEC — Forward Error Correction). Она предусматривает последовательное наложение внешней1 кодозащиты с применением кода Боуза—Чоудхури—Хоквингема (Bose-Bhaudhuri-Hocquenghem, BCH) и внутренней кодозащиты с применением кода с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes — LDPC). Более того, системные уровни DVB-S2 и DVB-C2 тоже очень близки, что позволяет легко конвертировать спутниковый сигнал в формат, регламентированный для кабельных сетей.

На первый взгляд может показаться странным, что для DVB-C2 была выбрана схема модуляции COFDM. Но в следующих разделах будут показаны преимущества этого подхода.

На рис. 1 показана упрощенная структурная схема передатчика DVB-C2. Как в DVB-S2 и DVB-T2, в новом кабельном стандарте внутри одного физического канала предусмотрено выделение транспортных труб. Они получили название Physical Layer Pipe. PLP — это логический канал, который может переносить обычный поток MPEG-2 TS или использоваться для передачи IP с применением протокола Generic Stream Encapsulation (GSE)3. Каждый PLP пропускается через блок входной обработки, за которой следует модуль помехоустойчивого кодирования и далее — раскладчик QAM-символов. Один или несколько PLP могут укладываться в так называемые слои данных Data Slices (аналогичные каналам). Для повышения устойчивости к пакетным ошибкам или воздействия узкополосных помех эти слои затем подвергаются перемежению по времени и частоте. После этого они поступают в формирователь кадра, собирающий воедино все слои и добавляющий пилот-сигналы, а также преамбулу с сигнализацией первого уровня. На последнем этапе сформированный кадр поступает в генератор OFDM-потока.

Концепция PLP

Применение PLP позволяет передавать в одном физическом канале несколько независимых логических. Каждый PLP представляет собой такой логический канал, по которому передаются либо транспортные пакеты MPEG-2 TS, либо IP-пакеты с использованием протокола GSE.

Идентификатор PLP Id, позволяющий идентифицировать конкретный PLP на приемной стороне, является частью заголовка, передаваемого перед каждым пакетом. После декодирования этого заголовка и извлечения PLP Id приемник может определить, должен ли он декодировать пакет, следующий за заголовком. Пакеты, не принадлежащие к запрашиваемому PLP, пропускаются, то есть не поступают в QAM-демодулятор и декодер помехоустойчивого кодирования. В результате существенно снижается скорость потока, обрабатываемого приемником, а также процессорная мощность, требуемая для этой обработки. Другое преимущество применения PLP заключается в том, что разные потоки можно передавать с разным уровнем помехоустойчивости: схема модуляции и режим помехоустойчивого кодирования для каждого PLP могут выбираться индивидуально.
То есть каждой услуге может назначаться свое качество обслуживания (Quality of Service, QoS). Преимущества индивидуального выбора параметров в первую очередь проявляются при двусторонней передаче данных в режиме точка—точка. Они могут выбираться в зависимости от характеристик каналов, соединяющих ГС и конкретное абонентское устройство, а именно от протяженности линии, количества сетевых усилителей и качества внутридомовой разводки.

Эта техника может быть использована, например, для услуги доступа в Интернет по кабелю через наложенную сеть DOCSIS. В этом случае для передачи в прямом направлении используется канал DVB-C2, а информация о качестве принимаемого сигнала может передаваться кабельным модемом по обратному каналу. Это позволит повысить эффективность использования спектра сети.

Раскладка на QAM-символы и помехоустойчивое кодирование
Как член семейства DVB-X2, стандарт DVB-C2 предусматривает то же помехоустойчивое кодирование LDPC, которое ранее было заложено в стандарты DVB-T2 [8] и DVB-S2. Коды4 этого класса известны еще с 60-х годов прошлого века, но их практическое использование стало возможным только в последнее время благодаря достижениям в области полупроводниковых технологий. Преимущества их применения можно проиллюстрировать следующими цифрами. Поток DVB-C2 с относительной скоростью кодозащиты5 9/10 может быть восстановлен декодером даже при плотности ошибок в несколько процентов. В то время как применяемый в DVB-C код Рида—Соломона при той же относительной скорости может восстановить поток до квазибезошибочного состояния при плотности ошибок не более 2·10-4. Эффективность LDPC-кодирования особенно высока при кодировании длинных последовательностей. Потому длина стандартного слова, к которому в DVB-C2 прилагается LDPC, составляет 64800 бит (вместо 1632 бит или 204 Байт в DVB-C). То есть кодируемое слово больше не коррелированно с транспортным пакетом MPEG-2 TS.

После LDPC в DVB-C2 предусмотрено применение кода BCH, налагаемого с очень высокой относительной скоростью (около 0,99). Этот код с малой корректирующей способностью введен для снижения порога коррекции LDPC. Порог коррекции присутствует у всех итеративных схем кодирования, таких как LDPC или турбокоды. Он проявляется в том, что при декодировании всегда остается некоторое количество ошибок, не поддающихся коррекции при последующих итерациях, выполняемых FEC-декодером.
Существенное повышение эффективности помехоустойчивого кодирования позволяет использовать более высокие размерности модуляции. Если в DVB-C максимально можно использовать 256 QAM, то в DVB-C2 добавляются размерности 1024 и 4096 QAM . Допустимые комбинации модуляций и схем помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 3. В ней также указаны уровни отношения сигнал/шум, требуемые для приема, квазисвободного от ошибок. Эти уровни лежат в пределах примерно от 10 до 35 дБ, причем спектр допустимых модуляций и схем кодирования позволяет подбирать их под требуемый сигнал /шум с шагом около 2 дБ.

Таблица 3.

FEC	16 QAM	64 QAM	256 QAM	1024 QAM	4096 QAM
2/3	—	13,5 дБ	—	—	—
3/4	—	—	20,0 дБ	24,8 дБ	—
4/5	10,7 дБ	16,1 дБ	—	—	—
5/6	—	—	22,0 дБ	27,2 дБ	32,4 дБ
9/10	12,8 дБ	18,5 дБ	24,0 дБ	29,5 дБ	35,0 дБ

Применение OFDM

Основным отличием DVB-C2 от DVB-C является применение OFDM вместо одной QAM-модулированной несущей. Благодаря хорошо известной, проверенной на практике устойчивости к различным видам канальных искажений (например, многолучевым отражениям или узкополосным помехам), OFDM применяется большинством современных одно- и двунаправленных технологий передачи. Что касается семейства DVB, то OFDM вначале было использовано в эфирном стандарте первого поколения DVB-T, а затем его параметры расширили и усовершенствовали в стандарте DVB-T2. Набор COFM-параметров, использованный в новом эфирном стандарте, вполне соответствует и требованиям передачи в кабеле, поэтому он был перенесен также и в DVB-C2. Благодаря общности COFDM-параметров и значительному количеству других общих блоков, создание чипов, сочетающих функциональность эфирного и кабельного стандартов, не приведет к существенной избыточности по сравнению с одностандартными чипами.
В результате DVB-C2 поддерживает позаимствованный в DVB-T2 режим 4К с продолжительностью полезного OFDM-символа 448 мкс и двумя вариантами защитных интервалов — 1/64 и 1/128. Более того, в DVB-C2 используются те же схемы распределения пилот-сигналов, что позволяет применять в обеих системам единый блок оценки качества канала.

В то же время, в отличие от эфирного стандарта, DVB-C2 не должен подчиняться жесткой частотной сетке. Так как кабельная сеть представляет собой закрытую экранированную среду, то нет необходимости координировать использование ее спектра с эфирными присвоениями. Напротив, можно гибко адаптировать полосу канала под свои конкретные потребности. Применение OFDM вместо одной модулированной несущей как раз и является ключевым фактором, обеспечивающим эту возможность. Ширина канала задается выделением ему определенного количества OFDM-поднесущих. А характеристики входного фильтра и системные часы остаются практически неизменными. Такой подход позволяет расширить полосу передаваемого сигнала для размещения в нем большего количества услуг. Чтобы не усложнять и не удорожать абонентское оборудование, предполагается сегментированный прием таких каналов. Этот подход уже используется в японской системе эфирного телевидения ISDB-T. Приемник со стандартной полосой пропускания может извлечь из широкого пакета только ту часть, которая содержит принимаемую в данный момент услугу, а полоса, занимаемая этой частью, никогда не превышает 8 МГц.

Структура кадра DVB-C2 показана на рис. 2. Каждый кадр C2 начинается с преамбулы, состоящей из одного или более OFDM-символов и выполняющей две основные функции. С одной стороны, она обеспечивает надежную временную и частотную синхронизацию OFDM-сигнала и самой структуры. Для этой цели в преамбулу вводится особая последовательность пилот-сигналов, модулирующая каждую шестую OFDM-поднесущую символов преамбулы. С другой стороны, преамбула содержит сигнализацию 1-го уровня (L1), необходимую для декодирования потоков данных и содержащейся в них полезной информации. Преамбула состоит из циклически передаваемых блоков сигнализации L1, повторяющихся в каждой полосе 7,61 МГц широкого канала. Фиксированное расположение блоков L1 и их повторение с шагом 7,61 МГц обеспечивают их прием при настройке тюнера на любые 8 МГц из занимаемого кадром диапазона. Как показано на рис. 3, при переходе к частотному представлению сигнала (то есть после прямого преобразования Фурье) приемник имеет возможность разместить полученные им поднесущие в нужном порядке и восстановить всю содержащуюся в преамбуле информацию. Причем даже потеря нескольких поднесущих заметно не повлияет на работу системы, так как сигнализация передается в очень устойчивом режиме. В отличие от блоков сигнализации L1, слои не должны вписываться в жесткую частотную сетку и могут быть расположены внутри потока совершенно произвольно. Единственное требование — чтобы ни один слой по ширине не превышал 7,61 МГц. Именно поэтому сигнализации L1 должна быть доступна при настройке на любой частотный сегмент входного потока.
Такая схема позволяет точно подстроить отводимую слою полосу под скорость передаваемого в нем потока. Например, спутниковые потоки с очень разными битовыми скоростями могут быть перенесены в поток DVB-C2 без необходимости забивать лишнее место стафинговыми битами или ремультиплексировать транспортный поток MPEG-2 TS. Слой может формироваться до тех пор, пока не будут заполнены все поднесущие OFDM-сигнала. Размещение и ширина каждого слоя могут изменяться от фрейма к фрейму, но это не влечет за собой необходимости перестраивать приемник. Сигнализация в блоках L1 содержит не только начальную и конечную частоту слоев, передаваемых в кадре, но также и оптимальную частоту настройки для приема этого слоя. То есть передатчик может менять параметры слоев от кадра к кадру в рамках заданной ему полосы приема.

Рабочие характеристики

Спецификация DVB-C2 регламентирует определенные характеристики кабельных сетей. При их разработке принимались во внимание уже упомянутые требования простоты ретрансляции спутниковых сигналов и возможность адаптивно выбирать устойчивость соединения для персонифицированных приложений (точка—точка). Более того, в кабельных сетях используется экранированная среда передачи, что позволяет задействовать весь спектр, например до 862 МГц, и не следовать жесткому частотному растру, заданному для эфирных трансляций.

Повышение эффективности использование спектра

Одна из основных целей разработки спецификации DVB-C2 заключается, разумеется, в повышении эффективности использования спектра. Это достигается применением LDCP-кодирования в сочетании с более высокими схемами QAM-модуляции, а также за счет применения OFDM.
Схема выигрыша за счет OFDM показана на рис. 4. В стандарте DVB-C с его одночастотной модуляцией применяется маскирующий фильтр, задающий форму передаваемого сигнала. В результате действия скругляющего фильтра, по краям канала появляются скосы.

В DVB-C применяются фильтры с коэффициентом скругления 0,15, и на эту же величину снижается эффективность использования спектра. В принципе, возможно применения фильтров с меньшим коэффициентом, но это потребует более высокой точности настроек передатчика и приемников. Надо отметить, что этот фактор не зависит от абсолютной ширины канала, то есть для канала, скажем, в 16 МГц спектральные потери на скругление будут теми же. Но в случае с OFDM это не так. Тут потери связаны с добавлением защитного интервала, введением пилот-сигналов и защитных полос по краям спектра. В стандартном режиме с защитным интервалом 1/128 и плотностью размещения пилот-сигналов 1/96 потери, обусловленные этими двумя факторами, составляют примерно 2% . Что касается пограничных защитных полос, то они требуются только между соседними каналами, но не внутри одного OFDM-потока. И, как можно видеть на рис. 5, ширина пограничной защитной полосы практически не зависит от полосы, занимаемой самим OFDM-сигналом. Графики спектральной плотности идеальных сигналов DVB-C при ширине 7,61 и 450 МГц на граничной частоте практически накладываются друг на друга. То есть для обоих сигналов достаточно защитной полосы примерно в 200 кГц. Таким образом, с расширением полосы спектральные потери существенно снижаются. Так, например, спектральные потери для сигнала DVB-C2 шириной 32 МГц (передающего, скажем, 5 слоев по 6,4 МГц) составляют всего 3,25%, в то время как в DVB-C они составляют 15%.

Снижение потерь спектра за счет применения COFDM в сочетании с LDPC-кодированием позволило создать систему, по эффективности передачи близкую к теоретическому пределу. Если каналы DVB-C находятся ниже предела примерно на 10 дБ, то каналы DVB-C2, как можно видеть на рис. 6, не дотягивают до него всего 2-3 дБ.

Допустимые скорости передачи информационных бит для DVB-C (частично) и DVB-C2 при ширине канала 8 МГц (параметры DVB-C2: ширина полосы — 32 МГц, защитный интервал — 1/128, плотность пилот-сигналов — 1/96) в таблице 4.

Таблица 4.

—	16 QAM	64 QAM	256 QAM	1024 QAM	4096 QAM
DVB-C	25 Мбит/с	38,4 Мбит/с	51,2 Мбит/с	—	—
С2, 2/3	—	31,4 Мбит/с	—	—	—
С2, 3/4	—	—	47,1 Мбит/с	58,9 Мбит/с	—
С2, 4/5	25,1 Мбит/с	37,7 Мбит/с	—	—	—
С2, 5/6	—	—	52,4 Мбит/с	65,4 Мбит/с	78,6 Мбит/с
С2, 9/10	28,3 Мбит/с	41,4 Мбит/с	56,6 Мбит/с	70,7 Мбит/с	84,8 Мбит/с

В таблице 4 собраны возможные в DVB-C и DVB-C2 скорости передачи информационных бит. Для более наглядного сравнения для обеих систем рассматривается канал шириной 8 МГц. В случае DVB-C2 общая ширина потока выбрана величиной в 32 МГц. Новые режимы, появившиеся в DVB-C2, позволяют увеличить скорость на величину до 65% при требуемом отношении сигнал/шум в 35 дБ, что в большинстве современных кабельных сетей вполне реализуемо.

Уменьшение уровня помех от кабельных сетей

Одним из важнейших вопросов является снижение помех от кабельных сетей. Экранированная среда передачи кабельных сетей теоретически позволяет использовать в них весь спектр от 0 до почти 1 ГГц. Но неидеальное каблирование внутри абонентских домов и квартир во многих случаях приводит к излучению сигналов КТВ в эфир. Иногда это излучение достигает уровней, которые могут создать помехи, например, полицейским или диспетчерским авиаслужбам. В этих случаях кабельных операторов принуждают снизить уровень сигнала, передаваемого на критических частотах, или же им приходится полностью выключить каналы, создающие помехи. В DVB-C2 такой необходимости не будет. Так как стандарт позволяет вырезать отдельные OFDM-поднесущие, можно будет избирательно отключать только те из них, которые создают помехи, а не весь канал целиком. Это тоже поможет снизить потери спектра. Недавно разработанный стандарт DVB-C2 позволяет существенно повысить эффективность использования спектра. Это достигается за счет применения более высоких размерностей QAM-модуляции (до 4096 QAM) в сочетании с мощной системой помехоустойчивого кодирования на базе LDPC-кодов. Кроме того, применение OFDM дает дополнительный выигрыш в плане гибкости и эффективности, а также позволяет удешевить создание единых приемных чипсетов DVB-T2/C2. Рабочие возможности стандарта близки к теоретическому пределу. Это позволяет создать на его базе экономически эффективную систему, включающую вещание ТВ высокой и стандартной четкости, а также интерактивные услуги типа видео по требованию или доступа к Интернету. Он также допускает передачу без транспортных пакетов MPEG-2 TS с применением протокола GSE, что дополнительно снижает объем передаваемой служебной информации.