Перейти к основному содержанию
ИТарктика
УДК 621.397.7-181.2
Малеев Дмитрий Васильевич
Аспирант, Арзамасский политехнический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»,
инженер 3-й категории, ООО «Теком».
Программно-аппаратная реализация компонентов модулятора цифрового телевидения стандарта ISDB-T
Аннотация:

Недостатком стандарта цифрового ТВ ISDB-T является фиксированная высокая скорость BTS-потока, это накладывает ограничения на канал связи между мультиплексором и модулятором и увеличивает стоимость эксплуатации системы цифрового ТВ. В данной работе реализованы два метода снижения скорости потока при использовании как многочастотной, так и одночастотной сети: с помощью ремультиплексора и с помощью специального адаптера; произведена аппаратная реализация обоих методов.

Ключевые слова: цифровое телевидение, ISDB-T, ремультиплексирование, одночастотная сеть, многочастотная сеть..

Введение

Цифровое телевидение играет важную роль в современном информационном пространстве. Во многих странах мира оно заменило устаревшее аналоговое телевидение, за счёт чего существенно повысилось качество передаваемого изображения и количество доступных каналов, а также появилась возможность создания интерактивных сервисов. Нововведением стала возможность передачи видеопотока, оптимизированного для мобильных устройств. С технической точки зрения переход на цифровое телевидение позволил повысить плотность упаковки сигнала в частотном диапазоне, снизить мощность передатчиков и повысить помехоустойчивость [1].

Одной из основных особенностей цифрового телевидения является возможность построения одночастотной сети. Эта технология позволяет обеспечить покрытие сигналом достаточно большой географической области с помощью сети работающих на одной частоте передатчиков относительно небольшой мощности, если сравнивать с вариантом покрытия той же области с помощью одного мощного передатчика. Такая возможность достигается за счёт того, что все модуляторы получают одинаковый входной поток и синхронизируются относительно одного и того же сигнала. При этом для борьбы с взаимным влиянием сигналов друг на друга используются те же методы, что и для борьбы с эхосигналами. Благодаря использованию одночастотной сети вещательные компании могут существенно сэкономить частотный ресурс, однако не все вещатели используют эту технологию [2].

В настоящее время можно выделить несколько групп конкурирующих стандартов цифрового телевещания [1]:

  • ATSC (американский стандарт),
  • DVB-T/T2 (европейский стандарт),
  • ISDB (японский стандарт),
  • DTMB (китайский стандарт).

Примечательно, что страны, осуществлявшие переход с аналогового телевидения на цифровое, останавливали свой выбор либо на самом современном стандарте, либо на его предшественнике. При этом критерием выбора, как правило, служат результаты испытаний оборудования в реальных условиях. К примеру, многие страны Южной Америки перешли на цифровой стандарт на рубеже 2000-2010 годов. По результатам испытаний был сделан выбор в пользу ISDB-T, хотя на тот момент уже был разработан DVB-T2. Благодаря этому существенно расширился рынок стандарта ISDB-T [3].

Отличительной особенностью стандарта ISDB-T является использование пакетов собственного формата (BTS) длиной 204 байта (рисунок 1). Эта особенность приводит не только к увеличению количества передаваемых данных на 8,5%, но также к потере совместимости с оборудованием, не поддерживающим данный формат пакетов. В результате этого вещатель становится ограничен в выборе оборудования для использования на промежуточных узлах сети. Также следует отметить, что стандарт определяет постоянную скорость BTS потока между мультиплексором и модулятором равной 32,504 Мб/с вне зависимости от установленных параметров и скорости вложенных видеопотоков. Поддержание постоянной скорости потока обеспечивается за счёт добавления null-пакетов, которые не несут полезной информации и увеличивают накладные расходы [4].

;lkj

Стандарт ISDB-T поддерживает режим одночастотной сети. Для его реализации вещателю необходимо объединить модуляторы в единую информационную сеть с пропускной способностью не менее 32,504 Мб/с и временем прохождения пакетов от мультиплексора до модулятора не более 1 с. Любое кратковременное нарушение этих ограничений приведёт к сбою одночастотной сети, поэтому вещатели прилагают усилия для повышения стабильности работы канала передачи данных между источником сигнала и модулятором.

Высокая стоимость использования канала передачи данных между источником сигнала и модулятором оказывается важным фактором, снижающим качество работы как одночастотной, так и многочастотной сети. При этом стоимость растёт вместе с увеличением требуемой пропускной способности. Стоимость эксплуатации системы ISDB-T можно снизить, уменьшив накладные расходы в канале передачи данных между мультиплексором и модулятором, а также добавив возможность использования на промежуточных узлах сети изначально несовместимого с ISDB-T оборудования, например, DVB-T. Таким образом, снижение стоимости эксплуатации системы ISDB-T является актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка программных модулей для модулятора XT Exciter, предназначенных для обеспечения совместимости с оборудованием, использующим пакеты длиной 188 байт, а также для снижения накладных расходов в стандарте ISDB-T при передаче данных и при эксплуатации телевизионной системы.

Для этого необходимо выполнить следующие задачи:

    • проанализировать существующие методы снижения скорости потока и доработать их;
    • разработать программный код, реализующий эти методы; программный код должен обеспечивать совместимость с уже существующим стандартом ISDB-T.

Краткое описание формата пакетов ISDB-T

Подробное описание используемых в ISDB-T находится в документе ARIB B31 [4]. В данной работе будут приведены только необходимые выдержки.

BTS-пакет, структура которого приведена на рис. 1, имеет длину 204 байта. Его формат отличается от формата пакетов длиной 204 байта, применяемом в системах DVB-T (рисунок 2).

kjh

Основные поля, содержащиеся в разделе «ISDB-T информация» BTS пакета:

- frame_head_packet_flag – индикатор заголовка кадра;

- frame_indicator – однобитный счётчик OFDM кадров;

- layer_indicator – индикатор иерархического слоя;

- TSP_counter – счётчик пакетов в пределах одного кадра.

Для корректной работы модулятора эти поля не могут быть отброшены, а при работе в режиме одночастотной сети они также не могут быть переназначены. Приведённые в данной работе методы позволяют восстановить отброшенные ранее поля разными способами: с помощью ручной настройки параметров, с помощью создания дополнительных PLI-пакетов или с помощью восстановления структуры BTS-кадра.

Стандарт ISDB-T задаёт BTS-кадр как последовательность пакетов, относящихся к определённому иерархическому слою: A, B, C, IIP и Null. Последовательность чередования слоёв определяется на основании параметров модуляции: количества сегментов для каждого слоя, типа сигнального созвездия, длины ОБПФ и т.д. Стандарт также задаёт формат IIP-пакета аналогично рис. 1, а также выделяет для него отдельный иерархический слой. Предназначением IIP пакета является передача модулятору параметров модуляции, заданных на мультиплексоре.

Mackenzie Re-Mux

Одним из первых вариантов решения поставленных задач был Mackenzie Re-Mux, ремультиплексор, разработанный в университете Маккензи, Бразилия. Ремультиплексор был реализован в виде платы расширения для модулятора Harris M2X [5]. Принцип его работы заключается в следующем:

  1. Оператор вручную настраивает сервисы и параметры модуляции.
  2. Входной поток с пакетами длиной 188 или 204 байта проходит через детектор, который пропускает первые 188 байт пакета.
  3. Входной поток демультиплексируется, данные сохраняются в три буфера для разных слоёв в соответствии с настройками.
  4. Ремультиплексор формирует BTS-пакеты в соответствии с настройками.

Структурная схема Mackenzie Re-Mux представлена на рисунке 3.

 ;

К достоинствам ремультиплексора можно отнести возможность использования любого совместимого с MPEG входного потока, включая базовые потоки с пакетами 188 и 204 байта, а также ATSC, DVB-T, DVB-T2, ISDB-T; также вещатель может включить, отключить или перенастроить сервисы для своих нужд, используя один и тот же входной поток. Особенностью ремультиплексора является то, что его невозможно использовать в составе одночастотной сети.

Существенным недостатком является необходимость ручной настройки всех параметров ремультиплексора, хотя большинство из них может быть извлечено из входящих пакетов. Для исправления этого недостатка в данной работе было добавлено два модуля:

  1. IIP Parser – модуль декодирования настроек, извлекаемых из IIP пакетов потока ISDB-T;
  2. Packet Storage – модуль, позволяющий сохранять до 10 пакетов с определённым PID. После сохранения ПО модулятора может прочитать пакеты и декодировать сохранённые в них параметры,  а затем использовать их в качестве параметров ремультиплексора.

Благодаря этим нововведениям стало возможно реализовать режим PCR Restamping, который широко используется при отсутствии синхронизации между мультиплексором и модулятором. Этот режим позволяет предотвратить переполнение или опустошение буфера модулятора из-за недостаточно точно поддерживаемой скорости потока.

Структурная схема модернизированного ремультиплексора приведена на рисунке 4.


cv

Mackenzie BTS adapter

Отсутствие у ремультиплексора возможности работы в режиме одночастотной сети привело к необходимости создания специального адаптера, который выполнял бы схожую функцию, но мог бы работать в режиме одночастотной сети. Группа специалистов, разработавшая Mackenzie Re-Mux, предложила свою реализацию [6]:

  1. Удаляется слой Null, а Null-пакеты из остальных слоёв перемаркируются PID=0x1FFD;
  2. Последние 16 байт пакета длиной 204 байта отсекаются, а на основе содержащейся в них информации формируется PLI пакет, содержащий пары слой-PID;
  3. Декодер анализирует PLI пакет, восстанавливает последние 16 байт пакетов, перемаркирует Null-пакеты PID=0x1FFF.

Адаптированный поток совместим со всеми системами, поддерживающими MPEG TS, в том числе с системами DVB-T. Результаты, описанные в [6], показали состоятельность данной разработки. Однако впоследствии был найден более простой способ достижения такого результата.

Harris BTS adapter (“Zipper”)

Принцип работы адаптера, разработанного в Harris, основан на известности структуры BTS кадра, зависящей только от параметров модуляции. Алгоритм работы похож на Mackenzie BTS adapter:

  1. Удаляется слой Null;
  2. Последние 16 байт пакета длиной 204 байта отсекаются;
  3. Декодер анализирует IIP пакет, восстанавливает последние 16 байт пакетов;
  4. Последовательность слоёв восстанавливается исходя из параметров, сохранённых в IIP пакете.

Адаптированный поток совместим со всеми системами, поддерживающими MPEG TS, в том числе с системами DVB-T;

В данной работе был разработан декодер (“Unzipper”), восстанавливающий адаптированный поток. В качестве прототипа был использован ремультиплексор. Структурная схема декодера приведена на рисунке 5.

lkj

Аппаратная реализация

Модернизированный ремультиплексор и декодер были интегрированы в программный код модулятора ISDB-T; также был добавлен декодер Рида-Соломона для помехоустойчивых кодов (204, 188) и (204, 196), применяемых в DVB-T и ISDB-T. Аппаратной платформой модулятора ISDB-T служит GatesAir XT Exciter, в состав которого входит ПЛИС Xilinx Kintex-7 и одноплатный компьютер на базе процессора iMX6; возможности данной платформы были описаны в [7, 8]. Структурная схема интегрированных модулей приведена на рисунке 6. Апробация нововведений была успешно произведена в Бразилии и Чили.

lkj

Заключение

  1. В данной работе было проанализировано три метода снижения скорости потока ISDB-T, по результатам анализа произведена реализация двух методов.
  2. Произведена модернизация ремультиплексора. Добавлены функции сохранения пакетов и извлечения параметров, что позволило автоматизировать настройку ремультиплексора и реализовать режим PCR Restamping. Программный код был перенесён на новую аппаратную платформу, что позволило уменьшить количество электронных компонентов в составе модулятора за счет исключения платы расширения и использования только одной ПЛИС.
  3. Разработанные модули интегрированы в состав модулятора GatesAir XTE. Апробация нововведений была успешно произведена в Бразилии и Чили.
  4. Разработан декодер потока, адаптированного по методу Harris.

Список литературы

  1. Цифровое_телевидение [Электронный ресурс] // Википедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровое_телевидение.
  2. Петров, Е. Одночастотные сети цифрового эфирного вещания – преимущества и особенности построения [Электронный ресурс] / Е. Петров. – Режим доступа:  http://www.broadcasting.ru/articles2/Oborandteh/single_freq/.
  3. ISDB–T [Электронный ресурс] // Википедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ISDB–T
  4. Englih translation transmission system for digital terrestrial television broadgasting. ARIB standart [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

https://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/6–STD–B31v1_6–E2.pdf.

  1. ISDB–Tb Remux Option. HARRIS [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://gates–harris–history.com/manuals/ex/8882866001.pdf.
  2. Re–Multiplexing ISDB–T BTS Into DVB TS for SFN [Электронный ресурс] / C. Akamine [и др.] //  Lee transactions on broadcasting.  – 2009. – № 4. – С. 802–809. – Режим доступа:https://www.academia.edu/24516800/Re–Multiplexing_ISDB–T_BTS_Into_DVB_TS_for_SFN.
  3. Малеев, Д. В. Разработка модулятора цифрового телевидения стандарта ATSC 3.0. [Текст] / Д. В. Малеев, Н. П. Ямпурин //  Цифровая обработка сигналов и ее применение – DSPA–2017 : доклады 19–й Междунар. конф. – Москва, 201 – С. 17–25
  4. Малеев, Д. В. Разработка модулятора цифрового телевидения нового поколения . [Электронный ресурс] / Д. В. Малеев //  Цифровая обработка сигналов и ее применение – DSPA–2016 : доклады 18–й Междунар. конф. – Режим доступа:  http://www.gatesair.com/media–center/news/gatesair–to–support–national–dtv–rollout–in–chile

References

1. Zimoveinyi [Electronic resource] // Wikipedia. – Access mode: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровое_телевидение Oh.

2. Petrov, E. Single–frequency network for digital terrestrial broadcasting – the benefits and features of construction [Electronic resource] / E. Petrov. – Mode of access: http://www.broadcasting.ru/articles2/Oborandteh/single_freq/.

3. ISDB–t [Electronic resource] // Wikipedia. – Mode of access: https://ru.wikipedia.org/wiki/ISDB–T

4. Englih translation transmission system for digital terrestrial television broadcasting. ARIB standard [Electronic resource]. – Access mode:

https://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/6–STD–B31v1_6–E2.pdf.

5. ISDB–Tb Remux Option. HARRIS [Electronic resource]. – Access mode:http://gates–harris–history.com/manuals/ex / 8882866001.pdf.

6. Re–Multiplexing ISDB–T BTS Into DVB TS for SFN [Electronic resource] / C. Akamine [et al] // Lee transactions on broadcasting. – 2009. – No. 4. – Pages 802–809. – Access mode:https://www.academia.edu/24516800/Re–Multiplexing_ISDB–T_BTS_Into_DVB_TS_for_SFN.

7. Maleev, D. V. Development of a digital modulator TV standard ATSC 3.0. [Text] / D. V. Maleev, N. P. Yampurin / / Digital signal processing and its application – DSPA–2017 : reports of the 19th international. Conf. – Moscow, 2017. – P. 17–25

8. Maleev, D. V. Development of a new generation digital television modulator . [Electronic resource] / D. V. Maleev / / Digital signal processing and its application – DSPA–2016 : 18th international reports. Conf. – Mode of access: http://www.gatesair.com/media–center/news/gatesair–to–support–national–dtv–rollout–in–chile