8VSB: Модуляция для цифрового телевидения ATSC

Введение

Метод модуляции, используемый в американском стандарте цифрового телевидения ATSC, – это метод модуляции для эфирного вещания в стандарте цифрового телевидения ATSC. Модуляция ATSC и 8VSB используется преимущественно в Северной Америке, в то время как стандарт DVB-T использует COFDM. Метод модуляции определяет, как радиосигнал изменяется для передачи информации. ATSC и DVB-T определяют модуляцию для цифрового телевидения, передаваемого по воздуху, а QAM – для кабельного телевидения. В спецификациях для телевизоров, поддерживающих кабельное телевидение, может быть указано, что они поддерживают 8VSB (для эфирного телевидения) и QAM (для кабельного телевидения). 8VSB – это 8-уровневая модуляция с остаточным боковым каналом. По сути, она преобразует двоичный поток в восьмеричное представление посредством амплитудно-импульсной модуляции синусоидального несущего сигнала на один из восьми уровней. 8VSB способен передавать три бита (2³=8) на символ; в ATSC каждый символ включает два бита из транспортного потока MPEG, которые подвергаются треллис-модуляции для получения трехбитного значения. Полученный сигнал затем фильтруется полосно-пропускным фильтром Найквиста для устранения избыточности в боковых лепестках и сдвигается вверх до частоты вещания.

Методика модуляции

Вестигиальная боковая модуляция (VSB) — это метод модуляции, который предназначен для устранения спектральной избыточности сигналов импульсно-амплитудной модуляции (PAM). Модуляция несущей реальной последовательностью данных приводит к появлению суммарной и разностной частот, формируя две симметричные боковые полосы. Эта симметрия означает, что одна из боковых полос избыточна, и её удаление не препятствует демодуляции. Поскольку фильтры с нулевой полосой задерживания реализовать невозможно, применяемая фильтрация оставляет незначительную часть избыточной боковой полосы, что и отражено в названии "VSB".

Пропускная способность

В канале 6 МГц (мегагерц), используемом для вещания ATSC, 8VSB обеспечивает скорость символов 10,76 мегабод, валовую скорость передачи данных 32 Мбит/с и чистую скорость передачи данных 19,39 Мбит/с полезной информации. Чистая скорость передачи данных ниже из-за добавления кодов прямой коррекции ошибок. Восемь уровней сигнала формируются с помощью решетчатого кодировщика. Существуют также аналогичные виды модуляции: 2VSB, 4VSB и 16VSB. 16VSB изначально разрабатывался для использования в цифровом кабельном телевидении ATSC, но квадратурная амплитудная модуляция (QAM) стала фактическим отраслевым стандартом, поскольку она более экономична и широко доступна.

Преимущества энергосбережения

Значительным преимуществом 8VSB для вещателей является то, что для покрытия площади, сопоставимой с площадью более ранней системы NTSC, требуется значительно меньше энергии, и, по сообщениям, он превосходит наиболее распространенную альтернативную систему COFDM в этом отношении. Частично это объясняется более низким отношением пиковой мощности к средней, необходимом по сравнению с COFDM. Передатчик 8VSB должен обеспечивать пиковую мощность, в 6 дБ (в четыре раза) превышающую среднюю. 8VSB также более устойчив к импульсным помехам. Некоторые станции могут охватывать ту же площадь, передавая с эффективной излучаемой мощностью, составляющей примерно 25% от мощности аналогового вещания. В то время как NTSC и большинство других аналоговых телевизионных систем также используют технику остаточной боковой полосы, нежелательная боковая полоса в передачах ATSC 8VSB фильтруется гораздо эффективнее. Для этого 8VSB использует фильтр Найквиста. Основной системой для обеспечения целостности данных является коррекция ошибок Рида — Соломона. Летом 2005 года ATSC опубликовал стандарты для Enhanced VSB, или E VSB. Используя прямой корректор ошибок, стандарт E VSB позволит принимать цифровое телевидение на маломощных портативных приемниках с небольшими антеннами, аналогично тому, как это делает DVB-H в Европе, но при этом используя передачу 8VSB.

Споры по поводу использования ATSC

В течение некоторого времени продолжалось активное лоббирование в пользу изменения модуляции для ATSC на COFDM, используемую для передачи DVB-T в Европе и ISDB-T в Японии. Однако FCC последовательно придерживалась мнения, что 8VSB является более подходящей модуляцией для цифрового телевещания в США. В отчете 1999 года Комиссия установила, что 8VSB обеспечивает лучшую производительность по отношению сигнал/шум (C/N), обладает более высокой скоростью передачи данных, требует меньшей мощности передатчика при сопоставимом покрытии и более устойчива к импульсному и фазовому шуму. В результате, в 2000 году было отклонено ходатайство Sinclair Broadcast Group о внесении изменений в правила, в котором предлагалось разрешить вещателям выбирать между 8VSB и COFDM в зависимости от зоны покрытия. В отчете FCC также признавалось, что COFDM, как правило, будет демонстрировать лучшие результаты в условиях динамической многолучевости, например, при мобильном приеме или в присутствии деревьев, раскачивающихся на ветру. Однако, с появлением демодуляторов 5-го поколения в 2005 году и последующими улучшениями в 6-м и 7-м поколениях, диапазон выравнивания теперь составляет примерно от −60 до +75 микросекунд (разброс в 135 микросекунд), что практически устранило многолучевые помехи, как статические, так и динамические, при приеме 8VSB. Для сравнения, диапазон выравнивания в COFDM составляет от −100 до +100 микросекунд (разброс в 200 микросекунд), но использование такого большого защитного интервала для COFDM существенно снижает полезную нагрузку. Фактически, большая часть Европы приняла 1280×720p в качестве стандарта HD для DVB-T1 из-за его ограниченной пропускной способности. Введение DVB-T2 направлено на повышение возможности наземного вещания для передачи контента 1920×1080p. Формат 1920×1080i изначально был предусмотрен в схеме 8VSB, и улучшенные демодуляторы не повлияли на его встроенную пропускную способность. В связи с продолжающимся внедрением стандарта ATSC на основе 8VSB в США и растущим парком приемников ATSC, переход на COFDM будет сложным. Большинство аналоговых наземных передач в США были прекращены в июне 2009 года, и тюнеры 8VSB теперь являются стандартными для всех новых телевизоров, что еще больше усложняет возможный переход на COFDM. Однако, с разработкой ATSC 3.0, обновленной версии американского стандарта цифрового телевидения, предназначенной для мобильного приема и повышения эффективности сети с одной частотой, ATSC приняла решение о переходе на OFDM с коррекцией ошибок LDPC (по сути, COFDM). В результате, ATSC 3.0 будет несовместим со всеми существующими приемниками ATSC 1.0, и зрителям потребуется новый телевизор с совместимым тюнером или приставка. В отличие от предыдущего перехода на цифровое телевидение, который был обязательным по предписанию FCC, "переход" на ATSC 3.0 будет полностью добровольным. Кроме того, FCC потребовала от вещателей, решивших перейти на ATSC 3.0, продолжать транслировать свой основной канал в рамках соглашения о совместном вещании с другой станцией на рынке (с аналогичной зоной покрытия) как минимум до 2022 года. Sinclair объявила о намерении внедрить ATSC 3.0 в 40 городах к 2020 году.

For some period of time, there had been a continuing lobby for changing the modulation for ATSC to COFDM, the way DVB T is transmitted in Europe, and ISDB T in Japan. However, the FCC has always held that 8VSB is the better modulation for use in U. S. digital television broadcasting. In a 1999 report, the Commission found that 8VSB has better threshold or carrier to noise (C/N) performance, has a higher data rate capability, requires less transmitter power for equivalent coverage, and is more robust to impulse and phase noise. As a result, it denied in 2000 a petition for rulemaking from Sinclair Broadcast Group requesting that broadcasters be allowed to choose between 8VSB or COFDM as is most appropriate for their area of coverage. The FCC report also acknowledged that COFDM would "generally be expected to perform better in situations where there is dynamic multipath," such as mobile operation or in the presence of trees that are moving in high winds. However, with the introduction of 5th Generation demodulators in 2005 and subsequent improvements in generations 6 and 7, the equalization span is now about −60 to +75 microseconds (a 135 microsecond spread) and has virtually eliminated multipath, both static and dynamic, in 8VSB reception. In comparison, the equalization span in COFDM is −100 to +100 microseconds (200 microsecond spread), but the application of this much guard band space for COFDM substantially reduces its useful payload. In fact, much of Europe has adopted 1280×720p as its HD standard for DVB T1 because of its reduced payload capacity. The introduction of DVB T2 is meant to increase the ability of terrestrial transmissions to carry 1920×1080p content. 1920×1080i has always been part of the 8VSB scheme from its inception, and its improved demodulators have had no effect on its innate payload capacity. Because of continued adoption of the 8VSB based ATSC standard in the U. S., and a large growing ATSC receiver population, a switch to COFDM will be challenging. Most analog terrestrial transmissions in the US were turned off in June 2009, and 8VSB tuners are common to all new TVs, further complicating a future transition to COFDM. However, with the development of ATSC 3.0, an updated version of the American digital television standard designed for mobile reception and better single frequency network performance, the ATSC has decided to make the switch to OFDM with LDPC error correction (essentially COFDM). As a result, ATSC 3.0 will be incompatible with all current ATSC 1.0 receivers, and viewers will need a new TV with a compatible tuner or a converter box. Unlike the previous digital TV transition which was mandated by the FCC, the "transition" to ATSC 3.0 will be completely voluntary. Additionally, the FCC has required that broadcasters who decided to make the switch to ATSC 3.0 continue to make their main channel available through a simulcast agreement with another in market station (with a similar coverage area) through at least 2022. Sinclair announced an intention to bring ATSC 3.0 to 40 cities by 2020.

8VSB против COFDM

В ранее упомянутом докладе FCC также было установлено, что COFDM демонстрирует лучшую производительность в динамических и сильно выраженных статических условиях многолучевого распространения, а также предоставляет преимущества для сетей с одной частотой и мобильного приема. Тем не менее, в 2001 году технический отчет, составленный технической группой COFDM, пришел к выводу, что COFDM не обладает какими-либо значительными преимуществами по сравнению с 8VSB. В отчете было рекомендовано в заключение подключать приемники к наружным антеннам, установленным на высоте примерно 30 футов (9 м). Ни 8VSB, ни COFDM не обеспечивали приемлемую работу в большинстве помещений при проведении испытаний. Однако возникали вопросы, не повлиял ли на результаты приемник COFDM, использованный в этих тестах – монитор передатчика, лишенный нормальной входной фильтрации. Повторные тесты, проведенные с использованием тех же приемников COFDM, но с добавлением полосового фильтра на входе, дали значительно улучшенные результаты для приемника DVB-T, однако дальнейшие испытания не проводились. Дискуссии о преимуществах модуляции 8VSB и COFDM продолжаются до сих пор. Сторонники COFDM утверждают, что он гораздо лучше сопротивляется многолучевому распространению, чем 8VSB. Это важное свойство модуляции для приема HDTV, например, в движущихся транспортных средствах, что невозможно при использовании 8VSB. Ранние приемники 8VSB DTV (цифрового телевидения) часто испытывали трудности с приемом сигнала в городских условиях. Однако более новые приемники 8VSB лучше справляются с многолучевым распространением, но движущийся приемник все равно может не принимать сигнал. Кроме того, модуляция 8VSB требует меньшей мощности для передачи сигнала на то же расстояние. В менее населенных районах 8VSB может превосходить COFDM по этой причине. Однако в некоторых городских районах, а также для мобильного использования, COFDM может обеспечивать лучший прием, чем 8VSB. Разрабатывалось несколько "улучшенных" систем VSB, наиболее заметными из которых были E-VSB, A-VSB и MPH. Недостатки 8VSB в отношении приема при многолучевом распространении можно компенсировать использованием дополнительных кодов прямой коррекции ошибок, что снижает полезную скорость передачи данных, например, как это реализовано в ATSC M/H для мобильного/ручного приема. ATSC 3.0, следующий основной телевизионный стандарт в Соединенных Штатах, будет использовать COFDM. Подавляющее большинство телевизионных станций в США используют COFDM для связи между студией и передатчиком, а также для сбора новостей. Это каналы связи типа "точка-точка", а не вещательные передачи.

The previously cited FCC Report also found that COFDM has better performance in dynamic and high level static multipath situations, and offers advantages for single frequency networks and mobile reception. Nonetheless, in 2001, a technical report compiled by the COFDM Technical Group concluded that COFDM did not offer any significant advantages over 8VSB. The report recommended in conclusion that receivers be linked to outdoor antennas raised to roughly 30 feet (9 m) in height. Neither 8VSB nor COFDM performed acceptably in most indoor test installations. However, there were questions whether the COFDM receiver selected for these tests − a transmitter monitor lacking normal front end filtering − colored these results. Retests that were performed using the same COFDM receivers with the addition of a front end band pass filter gave much improved results for the DVB T receiver, but further testing was not pursued. The debate over 8VSB versus COFDM modulation is still ongoing. Proponents of COFDM argue that it resists multipath far better than 8VSB. This is important property of the modulation for receiving HDTV in e. g. moving vehicles that is not possible with 8VSB. Early 8VSB DTV (digital television) receivers often had difficulty receiving a signal in urban environments. Newer 8VSB receivers, however, are better at dealing with multipath, but a moving receiver can still not receive the signal. Moreover, 8VSB modulation requires less power to transmit a signal the same distance. In less populated areas, 8VSB may outperform COFDM because of this. However, in some urban areas, as well as for mobile use, COFDM may offer better reception than 8VSB. Several "enhanced" VSB systems were in development, most notably E VSB, A VSB, and MPH. The deficiencies in 8VSB in regards to multipath reception can be dealt with by using additional forward error correcting codes which decreases the useful bit rate, such as that used by ATSC M/H for Mobile/Handheld reception. ATSC 3.0, the next major television standard in the United States, will use COFDM. The vast majority of U. S. TV stations use COFDM for their studio to transmitter links and news gathering operations. These are point to point communication links and not broadcast transmissions.