Модуляция в системах передачи наземного цифрового телевидения

"Модуляция  в системах передачи наземного цифрового телевидения."

Введение.

Современное телевещание  претерпевает величайшее за последние 30 лет изменения - оно становится цифровым.

Цифровые ТВ сигналы несут гораздо  больше информации,

чем аналоговые, а занимают всего  лишь часть их стандартной частотной  полосы. Цифровые телевизионные сигналы  могут надежно передаваться при  более низкой мощности несущей, и  приниматься с полным разрешением  даже при плохих условиях приема сигнала. Более того сигналы цифрового телевидения могут принадлежать и различным стандартам и форматам изображения – от обычного до изображений высокой четкости. Звуковое сопровождение по качеству может варьироваться от качества эквивалентного компакт-диску до самого современного 3-х мерного звукового сопровождения в стандарте “Dolby Surround”. Ко всему вышеперечисленному стоит добавить возможность параллельной передачи дополнительной информации. Еще одной важной особенностью цифрового ТВ является возможность организации обратного канала, то есть интерактивность. Пользователь (телезритель) получил возможность участвовать в процессе подбора телепрограмм, а в некоторых системах даже непосредственного участия в теле - шоу.

Задачей данной дипломной работы является рассмотрение, анализ и сравнение  двух основных систем модуляции цифровых сигналов для наземного телевещания  – европейской COFDM (DVB-T) и американской – 8-VSB (ATSC).

Особое внимание в работе уделено  развитию цифрового телевидения  в России и принятому де-факто  в нашей стране стандарту модуляции  цифровых сигналов для их передачи по наземным каналам – COFDM (DVB-T). Дается подробное обоснование выбора тех или иных параметров этого стандарта, а также аспекты охраны труда при цифровом телевещании.

1. Развитие современного  цифрового телевидения.

1.1 Предпосылки  к появлению цифрового телевидения.

О возможности преобразования телевизионного сигнала в цифровую форму инженеры всерьез задумались уже в начале 70-х годов, когда при Европейском  вещательном союзе (EBU) и в МККР в 1972 и 1974 годах соответственно были созданы специальные исследовательские  группы по цифровому ТВ. В их задачу входила координация работ по согласованию технических требований к будущим системам цифрового  вещания и разработка путей их практической аппаратурной реализации. Это было очень своевременное  решение, так как уровень развития электронной техники уже тогда  обеспечивал возможность передачи телевизионных изображений в  цифровой форме. Что и было вскоре доказано на практике. Однако опытные  образцы цифровой техники тех  лет были чрезвычайно громоздки, а для трансляции требовались  очень широкополосные каналы. (Согласно Рекомендации CCIR-601 скорость цифрового  потока цветной картинки студийного качества составляет 270 Мбит/с.) Ясное дело, что в условиях постоянной нехватки драгоценного радиочастотного ресурса никто в то время всерьез и не рассматривал возможность передачи подобных широкополосных цифровых сигналов. Тем не менее, радиоинженеры уже тогда с оптимизмом смотрели в будущее цифрового ТВ, так как были прекрасно осведомлены о высокой статистической избыточности сигнала. Ведь каждому известно, что на самом-то деле разница между двумя соседними телевизионными кадрами для большинства сюжетов очень мала. Очевидно, что если вместо полной последовательности передавать только ключевые (опорные) сцены и информацию об изменении этого исходного изображения от кадра к кадру, то цифровой поток видеоданных при этом можно сжать раз в 50, причем практически без потери качества картинки. В середине 70-х годов, почти одновременно в ряде стран (в том числе и в СССР) были разработаны алгоритмы устройств компрессирования видеосигналов и созданы их действующие прототипы, наглядно продемонстрировавшие возможность сжатия в несколько раз потока данных сигнала. Например, советские ученые еще в 1982 году продемонстрировали аппаратуру, позволяющую передавать цифровой телевизионный сигнал в полосе частот всего 34 МГц. Однако на элементной базе тех лет и приемная, и передающая части цифрового тракта получались чрезвычайно сложными и дорогими, имели низкую надежность, и поэтому о каком-либо практическом использовании цифровой компрессии в телевидении тогда и речи быть не могло. Но работы продолжались и вскоре увенчались успехом.

В 1991 году специальной рабочей “группе  экспертов по движущимся изображениям” MPEG (Moving Picture Experts Group), созданной Международным союзом телекоммуникаций ITU для разработки алгоритмов кодирования видеосигналов, удалось найти очень удачный и эффективный алгоритм MPEG-1. Первоначально он предназначался только для записи подвижного видеоизображения на компьютерные CD-ROM, но затем область применения стандарта была значительна расширена. К примеру, на основе этого алгоритма фирмой Philips был создан интерактивный носитель CD-i, получивший, в свою очередь, дальнейшее развитие в дисках формата Video-CD. С помощью MPEG-1 цветная картинка с уровнем качества VHS (да еще и со стерео звуковым сопровождением “качества компакт-диска”) удавалось ужать до скоростей порядка 1,5 Мбит/с. Это была уже серьезная заявка на практическую реализацию цифрового телевидения. К тому же возможности микроэлектроники начала 90-х годов уже позволяли создать декодер MPEG-1 всего на одном чипе (микросхеме). Вдохновленные успехом, “эксперты по подвижным картинкам” в 1993 году разрабатывают еще более совершенный алгоритм цифрового компрессора видеосигнала, известный как MPEG-2. Этот стандарт, опубликованный в 1994 году, дает возможность более эффективно “упаковывать” высококачественное цветное изображение вещательного качества в цифровой поток со средней скоростью 3 Мбит/с. В принципе, MPEG-2 позволяет передавать телевизионные сигналы как с большими (до 15 Мбит/с), так и с меньшими скоростями (начиная с 1,5 Мбит/с) цифрового потока, при этом качество изображения напрямую связано с величиной скорости передачи данных. Благодаря более совершенному алгоритму обработки видеоизображения, даже при низкой скорости потока картинка MPEG-2 все равно получается значительно лучшей, чем может обеспечить аппаратура MPEG-1 при тех же условиях. Создание MPEG-2 стало настоящим технологическим прорывом в области цифровой обработки видеосигналов.

Разработка эффективного алгоритма  сжатия была хотя и необходимым, но все же недостаточным условием для  появления цифрового ТВ. Ведь сигнал нужно было еще и донести до зрителя. Наиболее просто эта проблема решается в каналах спутникового ТВ, у которых широкая полоса частот в 27 МГц и практически нет отраженных сигналов. В столь хороших условиях, даже относительно простая в аппаратной реализации квадратурно - фазовая манипуляция QPSK (Quaternary Phase Shift Keying), используемая в системе цифрового спутникового телевидения DVB-S (Digital Video Broadcasting-Satellite), обеспечивает прекрасные результаты. Суть этого метода заключается в фазовой манипуляции (то есть модуляции с фиксированными дискретными значениями изменяемого параметра) несущей частоты спутникового канала. При этом фаза несущей в соответствии с поступающим на вход модулятора цифровым сигналом DVB принимает одно из 4 фиксированных значений (+45, -45, +135 и -135 градусов относительно начального значения фазы). Для обнаружения и коррекции одиночных и групповых (пакетных) ошибок в передаваемой программе транспортный поток данных дополнительно кодируется помехоустойчивым кодом Рида - Соломона с перемежением битов. Так как все основные компоненты и технологии, применяемые в DVB-S, были известны и хорошо “обкатаны” к началу 90-х годов (QPSK-модуляция, к примеру, с 80-х годов широко использовалась в цифровой телефонии), эта система была разработана и освоена в рекордно короткие сроки. Передачи по системе DVB-S начались спустя всего 2 года после опубликования стандарта MPEG-2. Пионером внедрения “цифры” в телевидение стала Германия, где еще в мае 1996 г. компания DF1 начала регулярные трансляции своих программ в стандарте DVB-S. Несколько позже во Франции начались трансляции цифрового телевидения Canal Plus. Эти программы также были платными, но французы охватили своим вещанием не только Францию, но и Испанию, Италию, Бельгию с примкнувшим к ней Люксембургом. Скандинавию, а также Польшу и еще целый ряд стран. Сегодня аудитория цифрового телевидения DVB-S в Европе насчитывает уже десятки миллионов зрителей (в том числе и в России) и продолжает расти. Ведь помимо улучшенного качества картинки “цифра” позволила значительно увеличить количество принимаемых программ, поскольку в полосе частот одного аналогового канала можно передавать сразу несколько цифровых сигналов. Да и стоимость самого простого цифрового приемника-приставки к телевизору STB/DVB-S уже упала до приемлемых значений, что сделало его доступным практически любому жителю Европы. Правда, сегодня большая часть цифровых спутниковых каналов являются платными, и для их просмотра необходимо купить более сложный приемник со сканером для пластиковой смарт-карты. Кроме того, владельцам подобных STB приходится вносить еще и абонентскую плату.

В России платным цифровым телевещанием занимается “НТВ+”. Эта ведущая  российская телекомпания практически  не отстала по времени от развитых государств мира. Правда, к большому сожалению, нужно признать, что все  оборудование, включая приемники-приставки STB к телевизорам, в первом “русском”  проекте цифрового телевидения  пока только импортного производства. Однако недавно на одном из российских оборонных заводов началась подготовка к выпуску подобного приемника  по лицензии одной известной зарубежной фирмы из поставляемых ею комплектующих  изделий.

Несмотря на относительно большую  аудиторию спутникового телевидения DVB-S, по-настоящему цифровым вещание  станет только с переходом его  на “цифру” в наземных и кабельных  сетях. В прошлом году во многих других европейских государствах начались опытные передачи наземного ТВ в  стандарте DVB-T: в Германии, Нидерландах, Финляндии, Англии, Франции, Италии и Дании. Если все пройдет по плану, то регулярное наземное вещание по стандарту DVB-T начнется в Ирландии, Норвегии и Финляндии уже осенью этого года. Франция и Италия также объявили, что они приступят к передачам DVB-T в 2001 году, а Германия и Нидерланды - не позднее 2002-го. Для того, чтобы убедиться в преимуществах цифрового вещания DVB-T, достаточно лишь поставить рядом два телевизора - обычный и цифровой - и настроить их на прием одной и той же программы. При приёме программы цветного ТВ на комнатную антенну в железобетонном здании в городе на картинку на экране аналогового ТВ было просто неприятно смотреть, так как она постоянно искажалась. Более того, на ней периодически сбивалась кадровая синхронизация, и изображение начинало бежать по экрану. А вот картинка на экране телевизора DVB-T всегда остается “кристально чистой”. 

1.2 Внедрение  ЦТВ в России.

В России работы по внедрению наземного  цифрового ТВ ведутся уже 3 года. Более того, уже начались опытные  передачи по европейской системе DVB-T. Летом 2000 года запущен цифровой передатчик в Нижнем Новгороде, а зимой - в  Санкт-Петербурге. На будущий год, планируется  начало цифрового вещания в Москве, где “под цифру” уже выделен 32-й  канал. Интересно, что значительная часть оборудования для экспериментов, включая кодер MPEG-2 и передатчик цифрового телевизионного сигнала, разработана российскими учеными и изготовлена на отечественных предприятиях. До конца 2001года Зелено-градский НИИ “Научный центр” при участии МНИТИ (Московский научно-исследовательский телевизионный институт) должен разработать, а в начале следующего года изготовить отечественный цифровой приемник-приставку к телевизору. А на Санкт – Петербургском телевизионном “Заводе им. Козицкого” совместно с МНИТИ начались работы по созданию гибридного аналого-цифрового телевизора, который наряду с программами обычного вещательного телевидения сможет также принимать и передачи наземного цифрового. Серийный выпуск таких аппаратов может начаться уже в ближайшие год-два.

Переход на “цифру” (по крайней мере, на первом этапе) предполагает замену аналогового сигнала цифровым с  сохранением существующего стандарта  разложения растра, поэтому он может  быть воспроизведен любым цветным  и даже черно-белым телевизором  при помощи внешней STB-приставки. С  учетом этого, а также еще целого ряда других технических факторов, европейский стандарт DVB-T был выбран в качестве основы для отечественной  системы цифрового телевидения, и экспериментальное вещание  в России будет проводиться именно по этой системе.

Ориентировочной датой окончательного перехода к стандарту DVB-T всех членов Евросоюза называется 2015 год.

В силу ряда технических и экономических  причин европейская система DVB-T и  сценарии ее внедрения в европейских  странах не могут быть непосредственно  реализованы в России без всестороннего  предварительного изучения этого вопроса  и проведения экспериментального вещания.

Из всего вышесказанного следует, что актуальность исследований и  разработок в области цифрового  ТВ

в России очень велика. И хотя стандарт наземного телевещания уже выбран, необходимо детально разобраться в преимуществах тех или иных стандартов модуляции и передачи цифровых сигналов.

2. Система модуляции  сигналов цифрового телевидения 8-VSB.

2.1 Стандарт наземного  цифрового телевидения ATSC.

Стандарт цифрового телевидения ATSC (Advanced Television Systems Committee) описывает систему, спроектированную с целью передачи высококачественного изображения, звука, а также дополнительных данных в полосе частот 6 МГц, соответствующей ширине канала аналогового телевидения NTSC. Структура и параметры радиосигнала системы NTSC позволяют обеспечить надежную синхронизацию, за счет увеличения мощности передатчика и снижения эффективности использования полосы частот. Спектр радиосигнала NTSC неравномерен, в нем выделяются три гармонических колебания с частотами FV (несущая сигнала яркости изображения), FC (поднесущая сигнала цветности) и FA (несущая звукового сигнала). На передачу этих гармонических колебаний расходуется основная доля мощности, что и означает неэффективное использование мощности передатчика. Кроме того, средняя мощность излучаемого сигнала зависит от содержания изображения.  Требуемая ширина полосы частот канала равна 6 МГц, а ширина спектра сигнала яркости составляет всего 4,2 МГц, что означает не слишком эффективное использование полосы частот (полоса канала на 43% больше ширины спектра).  Однако надо отметить, что в полосе 6 МГц передаются еще и цвет и звук, что повышает эффективность использования полосы частот.

Техническими задачами, решаемыми  в процессе проектирования системы ATSC, были минимизация объема данных, несущих информацию об изображении и звуке, и достижение предельно высокой пропускной способности канала связи при сохранении заданного качества. Хотя стандарт не регламентирует строго формат представления передаваемого изображения, ясно, что речь идет о телевидении высокой четкости. Система ATSC основывается на подмножестве MPEG-2, определяемом как высокий уровень основного профиля MPEG-2 МР@HL. Это подмножество включает форматы с числом активных строк до 1152 и числом элементов в активной части строки до 1920, причем скорость потока компрессированных данных не должна превышать 80 Мбит/с.  Параметры системы ATSC находятся в пределах этих ограничений. 

2.2  Модуляция 8-VSB.         

В системе VSB допустим как  двухпозиционный модулирующий сигнал, так и многопозиционный. При двухпозиционной  передаче, обозначаемой как 2-VSB, модулирующий сигнал совпадает по форме с сигналом передаваемых данных и принимает  в интервале каждого символа  один из двух уровней (характеристические значения его симметричны относительно нуля, например +1 и -1). Удельная скорость передачи данных, благодаря тщательной отработке системы модуляции 1,79 (бит/с)/Гц, близка к теоретическому пределу. При многопозиционной передаче характеристические значения, располагающиеся симметрично относительно нуля, выбираются так, чтобы интервалы между ними были одинаковыми. Например, при восьмипозиционной передаче в системе 8-VSB (рис. 5) модулирующий сигнал принимает в интервале символа одно из восьми значений (-7, -5, -3, -1, +1, +3, +5, +7). В интервале одного символа передаются три двоичных разряда потока данных.  При увеличенной в три раза удельной скорости в полосе 6 МГц система 8-VSB способна передавать поток данных 32,3 Мбит/с.

Система VSB разработана в  нескольких вариантах, предусматривающих  разную структуру модулирующего  сигнала: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 8T-VSB, 16-VSB. Количество уровней модулирующего сигнала  меняется от двух до шестнадцати, при  этом соответственно изменяется и скорость передачи данных, вычисляемая как  частота следования символов, умноженная на логарифм количества уровней. Чем  больше количество уровней модулирующего  сигнала, тем меньше помехозащищенность. Исключением из этого правила  является только система 8T-VSB, в которой  используется дополнительное кодирование  с целью борьбы с помехами (буква T - Trellis символизирует наименование этого кодирования - решетчатый код).         

8T-VSB (далее просто 8-VSB) - высокочастотный тип модуляции, используемый в цифровом телевизионном стандарте DTV (ATSC), используемый для наземной передачи цифровых  ТВ сигналов к потребителю. Так как любая система наземного телевидения должна преодолеть многочисленные помехи вроде отраженных сигналов, случайного шума и взвешенных шумов, постепенного затухания сигнала, интерференции, прежде чем достигнуть потребителя, выбор правильного формата модуляции очень важен. Модуляция 8-VSB  - основа стандарта ATSC.         

В мире цифровых коммуникаций, основой являются два базовых  стандарта, про которые нужно  помнить, говоря о законченной DTV системе: 8-VSB и MPEG-II. 8-VSB - способ модуляции сигнала, а MPEG-II - формат пакетирования и сжатия видеосигнала. Чтобы преобразовывать  студийный видеосигнал высокого разрешения в форму, необходимую для передачи по эфиру, согласно стандартам DTV, необходимы два основных преобразования: MPEG-II кодирование и 8-VSB модуляция. Соответственно, требуется MPEG-II кодер и 8-VSB модулятор.

MPEG-II кодер получает основной цифровой видеосигнал и кодирует его с целью уменьшения скорости цифрового потока, используя дискретное косинусное преобразование; детальное рассмотрение проблем сжатия видеосигнала не входит в задачи данной работы. MPEG-II кодер мультиплексирует полученную видеоинформацию  с кодированным сигналом звукового сопровождения Dolby АС-3 и любыми дополнительными данными, которые необходимо передать. В итоге получаем поток блоков MPEG-II  со скоростью передачи данных порядка 19.39 Mbit/Sec. Это довольно важный момент, так как скорость потока цифрового видеосигнала высокого разрешения, поданного на вход кодера MPEG-II, могла иметь скорость передачи данных 1 Gbit/sec или даже больше. Поток данных со скоростью 19.39 Мбит / секунда представляет собой Транспортный уровень DTV. Выход MPEG-II кодера соединен с входом 8-VSB возбудителя, с помощью последовательного интерфейса, в соответствии  со стандартом SMPTE-310.

Хотя методы сжатия MPEG-II могут достигать значительных значений снижения скорости передачи данных, нужны определенные технические решения, чтобы упаковать транспортный поток 19.39 Мбит / сек (DTV сигнал)  в частотный канал с пропускной способностью 6 МГЦ и передать по нему сигнал без сбоев потребителю, сидящему дома перед телевизором. Это и есть задача, за решение которой отвечает 8-VSB модулятор.

На рисунке 2.1 показана блок-схема  типичного модулятора 8-VSB. 

2.3 Синхронизация  данных.

Первое, что делает кодер 8-VSB после получения пакетов данных MPEG-II, это синхронизация его с входным потоком данных. Перед какой либо дальнейшей обработкой сигналов, 8-VSB возбудитель должен правильно распознать начальные и конечные биты каждого блока данных MPEG-II. Это происходит с помощью специального бита синхронизации MPEG-II. Пакет MPEG-II содержит 188 битов, причем первый бит всегда является битом синхронизации. Если MPEG-II бит синхронизации забракован, то он будет заменен синхронизацией сегмента ATSC в более поздней ста дии обработки.         

2.4 Рандомизация  данных.

За исключением сегментных и полевых сигналов синхронизации, поток данных 8-VSB должен иметь полностью  случайную, шумоподобную структуру. Это следует из того, что передаваемый сигнал должен иметь шумоподобный спектр, для использования полосы канала с максимальной эффективностью. Если бы сигнал имел повторяющийся циклы, то в определенной части частотного спектра получились бы сгустки энергии, образовывая тем самым "дырки" с малой энергией на других частотах. Это подразумевает, что часть канала 6 МГЦ были бы перегружены, в то время как другие части будут недогружены. К тому же, повышенные концентрации энергии на некоторых частотах, скорее всего,  создали бы заметные помехи в  приеме сигналов системы цветного телевидения NTSC.

В системе по рандомизации данных, значение каждого бита, изменено согласно модели случайных чисел. Этот процесс реверсирован в приемнике, чтобы восстановить исходные значения данных. 

2.5 Кодирование  Рида-Соломона

Кодирование Рида-Соломона является способом прямой коррекции  ошибок - Forward Error Correction (FEC), которое применяется к входному потоку данных. Код Рида-Соломона это совокупность методов, которые используются, чтобы исправить ошибки, которые возникают в процессе передачи. Атмосферные помехи, многолучевое распространение, временные затухания сигнала, и нелинейность передатчика приводят к возникновению одиночных и пакетных ошибок. С помощью кода Рида-Соломона можно обнаруживать и исправлять эти погрешности но, разумеется, в определенных пределах.

Кодер Рида-Соломона берет 187 байтов входного MPEG-II пакета данных, (бит синхронизации пакета был удален) и математически рассматривает их как один блок, чтобы создать дополнительную группу проверочных данных, основываясь на полученном пакете данных. Она занимает 20 дополнительных битов, которые прикрепляются в конец исходного пакета из 187 битов. Эти 20 битов представляют собой биты четности кода Рида-Соломона. Приемник сравнивает полученный блок из 187 битов с 20 битам четности, чтобы обнаружить возможную потерю данных. Если погрешности обнаружены, ресивер использует биты четности, чтобы определить точное место ошибки, изменить разрушенные биты, и восстановить первоначальную информацию. До 10 поврежденных битов в пакете может быть исправлено таким образом. Если повреждено большее число битов, достоверность данных больше не гарантируется, и полный MPEG-II пакет должен быть забракован. 

2.6  Скремблирование.   

Скремблер,  меняет порядок следования данных, и рассредоточивает MPEG-II данные по времени (в диапазоне приблизительно 4.5 msec) с помощью буферов памяти. Скремблер составляет новые пакеты данных, включающие фрагменты от различных MPEG-II (предварительно перемешанных) пакетов. Эти новые пакеты данных имеют длину первоначальных MPEG-II пакетов: 207 байтов (с учетом кодирования Рида-Соломона).

Если увеличение уровня шумов  вызовет потерю сигнала в процессе его распространения, и один блок будет потерян (то есть несколько  миллисекунд), множество различных  MPEG-IIпакетов потеряют незначительную часть информации. При этом на экране такая помеха не вызовет сколько-нибудь заметного искажения сигнала.

Перемешивание данных происходит согласно известной модели; процесс  реверсирован в приемнике, чтобы  восстановить исходный порядок данных.  

2.7  Решетчатое кодирование.

Решетчатое кодирование - другая форма непосредственного  исправления ошибок. В отличие  от кодирования Рида-Соломона, которое  обрабатывает целый MPEG-II пакет как отдельный блок, решетчатое кодирование - код, который отслеживает поток битов в течение времени, учитывая значение кода для предыдущих символов. Соответственно, кодирование Рида-Соломона известно как форма блочного кода, в то время как решетчатое кодирование является сверточным кодом.

При решетчатом кодировании, каждый 8-разрядный бит, делится на четыре 2-х разрядных слова. В кодере, осуществляющем решетчатое кодирование, каждое новое 2-х разрядное слово, сравнивается с прошлой хронологией  предыдущих 2-х разрядных слов, и  в итоге генерируется 3-х разрядный  двоичный код, описывающий изменение  по отношению к предыдущему 2-х  разрядному слову. Эти 3-х разрядные  коды заменяют первоначальные 2-х разрядные  слова  и передаются по эфиру как восьмиуровневые символы 8-VSB (3 бита = 2 в 3й степени = 8 комбинаций или уровней). Для каждых двух битов, которые поступили в кодер решетчатого кодирования, на выходе получается три бита. Поэтому, кодер решетки в системе 8-VSB, имеет разрядность 2/3.

Декодер решетчатого кодирования  в приемнике использует полученные 3-х разрядные коды, чтобы восстановить исходный вид потока данных, состоящего из последовательности 2-х разрядных  слов. Таким образом, решетчатое кодирование  отслеживает изменения от одного слова к другому во времени. Сила  решетчатого кодирования заключается в способности отслеживать хронологию сигнала в течение времени и выбраковывать потенциально неверные данные (ошибки), основываясь на прошлом и последующем значениях сигнала.  

2.8  Сигналы синхронизации и пилот сигналы.

Следующий шаг в процессе обработки данных - введение различных вспомогательных сигналов, которые позволяют 8-VSB-декодеру точно определить и де модулировать принятый высокочастотный сигнал. К ним относятся:  пилот-сигнал ATSC, сегментная синхронизация, и синхронизация полей. Пилот и синхросигналы добавляются после рандомизации сигнала и добавления кода коррекции ошибок, чтобы не нарушить временные и амплитудные зависимости передаваемого сигнала.

Восстановление синхросигнала, необходимое для декодирования  полученного ВЧ сигнала всегда считалось  одним из самых сложных процессов  в системах цифровой связи. Данные декодируются в соответствии с сигналом синхронизации  приёмника. В то же время, синхронизация  ресивера непосредственно зависит  от точности восстановления принятых данных. Как следование этого, синхронизация  системы быстро нарушается в том  случае, если уровень шума или уровень  помех приближаются к точке, когда  начинают появляться существенные ошибки в потоке данных. Когда была изобретена система цветного телевидения NTSC, возникла необходимость создать мощный синхроимпульс, который выделялся бы над модулирующим огибающим сигналом (огибающей). Таким  образом, цепи синхронизации приемника  могли разобрать синхросигналы  и сохранять правильную кадровую синхронизацию изображения даже в том случае, если само изображение  было искажено шумами. 

8-VSB использует подобную  структуру синхроимпульсов и  остаточных несущих колебаний,  которые позволяют ресиверу поймать  синхронизацию поступающего сигнала  и успешно декодировать его,  даже при наличии высокого  уровня отраженных сигналов и  значительном уровне шума.

Первый сигнал, нужный для  синхронизации - пилот сигнал ATSC. Непосредственно перед модуляцией, небольшой сдвиг постоянной составляющей применяется к 8-VSB модулирующему сигналу (постоянная составляющая которого была предварительно установлена на ноль). Это вызывает малое остаточное несущее колебание, которое появится в точке нулевой частоты результирующего спектра модулированного сигнала. Это - пилот сигнал ATSC. Это дает возможность цепям фазовой автоподстройки в ресивере 8-VSB получить сигнал, на который можно было бы опереться.  Но все же пилот-тон ATSC намного меньше, чем несущая изображения NTSC, и потребляет только 0.3 dB или 7 (процентов) от мощности передатчика.

Другие сигналы, необходимые  для синхронизации - синхроимпульсы сегментной и полевой синхронизации. Сегмент данных АТSС состоит из 207 битов пакета перемешенных данных. После решетчатого кодирования, сегмент из 207 байтов был увеличен до потока в 828 восьмиуровневых символов. Синхронизация сегмента ATSC -это четыре импульса, которые добавляются к началу каждого сегмента данных и восполняют отсутствие первого бита (бит синхронизации пакета) исходного MPEG-II пакета данных. Синхронизация сегмента появляется через каждые 832 символа и всегда имеет вид качающегося импульса  с размахом +5 и -5 уровня сигнала (см. Рисунок 2.2). 

Рисунок 2.2  Структура сегмента данных ATSC и позиция сегментной синхронизации

Ресивер использует строгую  периодичность следования синхроимпульсов  сегмента, ведь в случае искажения  сигнала на входе появляется не периодичная  последовательность данных, и в этом случае ресивер будет использовать собственную синхронизацию, основываясь  на ранее полученных данных. После  появления нормальной синхронизации  на входе, ресивер использует входной  сигнал и восстанавливает системную  синхронизацию. Из-за высокой частоты  повторения синхросигналов, большой  амплитуды колебаний уровня сигнала  и повышенной продолжительности, сигналы  синхронизации сегментов просты для распознавания приемником. В  результате, точное восстановление синхронизации  возможно при уровне шума и помех  значительно больше значений, при  которых возможно восстановление данных (до 0 dB ОСШ; нормальное восстановление данных требует, по крайней мере, 15 dB ОСШ). Эта довольно устойчивая система синхронизации, наряду с пилот - тоном ATSC, позволяет ресиверу быстро восстановить синхронизацию при переключении каналов и других кратковременных потерях сигнала. На рисунке 2.2 показана структура сегмента данных ATSC и позиция  сегментной синхронизации.

В стандарте ATSC сегмент данных аналогичен строке NTSC, а синхронизация сегмента - несколько подобна строчной синхронизации NTSC. Однако их продолжительность и частота следования различны. Длина импульса синхронизации сегмента ATSC составляет 0.37 msec; импульс синхронизации NTSC - 4.7 msec. Сегмент данных ATSC передается в течение 77.3 msec; строка в  NTSC передается 63.6 msec. Анализ этих параметров показал, что синхронизация сегмента ATSC более уязвима по сравнено с NTSC. Это сделано, чтобы максимизировать поток полезной информации и минимизировать время, отводимое на синхронизацию. 313 последовательных сегментов данных составляют поле данных. На Рисунке 2.3 показана структура поля данных стандарта ATSC. 

Рисунок 2.3  Поле данных ATSC

Полевая синхронизация стандарта ATSC - целый сегмент данных, который повторяется один раз в 1 поле (24.2 msec) и примерно  аналогичен вертикальному интервалу NTSC. Полевая синхронизация ATSC имеет вид биполярных импульсов и также используется ресивером, чтобы устранить повторения сигнала, вызванные плохим (многолучевым) приемом. Это реализовано путем сравнения полученной полевой синхронизации (содержащей некоторую ошибку) с известной до передачи полевой синхронизацией. Полученные в итоге векторы погрешности используются, чтобы выработать сигнал ресивера, поступающий на устройство-корректор (эквалайзер), которое убирает повторения сигналов. Подобно сегментным синхроимпульсам, значительное колебание уровня сигнала и периодически повторяющаяся природа полевых синхронизаций позволяет успешно восстанавливать их при очень высоком уровне шума и помех (до 0 dB ОСШ). В конце каждого сегмента полевой синхронизации двенадцать конечных символов последнего сегмента данных повторяются дважды, чтобы перезапустить кодер решетки в ресивере. Помехоустойчивость сегментных и полевых синхронизаций делает возможным точное восстановление синхронизации и удаление отраженных сигналов в 8-VSB приемнике, даже если само изображение (данные) невосполнимо испорчены неудовлетворительными условиями приема. Это позволяет фильтру, удаляющему отраженный сигнал, успешно выполнить свою работу до декодирования основных данных. 

2.9 Амплитудная  модуляция.

Далее восьмиуровневый DTV сигнал, с сигналами синхронизации и сдвигом постоянной составляющей (пилот - сигналом), амплитудно - модулируется на промежуточную частоту несущего колебания. Это создает спектр с двойной боковой полосой относительно основной несущей частоты, как показано на Рисунке 2.5. 

Рисунок 2.5  Двухсторонний спектр, полученный в результате амплитудной модуляции исходного сигнала