Digitālā televīzija nolaižas uz zemes!

Nav jaunums? Pareizi! Aprīkojot parasto televizoru ar digitālā uztvērēja papildbloku un personīgo TV SAT bļodas antenu, digitālos signālus varam noķert jau labu laiku. Attēla kvalitāte nenoliedzami ir labāka.
Taču šoreiz par klasiskām TV signālu apraides metodēm, t. s. terestriālām (T) jeb virszemes digitālām pārraidēm Eiropas DVB-T (Digital Video Broadcasting - T) standartā, kuras, šķiet, nu jau arī pie mums, Latvijā, nebūt nav aiz kalniem.
Lai, piemēram, iepazītu, no kādiem pamatķieģelīšiem būvēts šāds DVB-T uztvērējs (īstenībā - specializēts dators), nepieciešams kaut netālu iebrist raidītāja gala sarežģītajos digitālās signālapstrādes džungļos, izcērtot taciņu ar parādību vienkāršošanas cirvīti... Taču arī vienkāršība ir relatīva! Šāda uztvērēja nozīmīgākā digitālā daļa satur 8,5 miljonus tranzistoru!

Vienkāršotā veidā to esam jau noskaidrojuši (SP 1998/3(11), 21. lpp.), pirms antenas torņa zīmēdami tikai trīs blokus: kompresijas, FEC (Forward Error Correction) un modulatoru. Bieži pirmo sauc arī par avota kodēšanas bloku. Kā datu kompresija digitālā tehnikā tiek veikta? Par to rakstīts SP 1998/4(12), 17. lpp. un SP 1999/2(14), 18. lpp.
Otrā un trešā bloka būtiski svarīgo darbību secība parādīta garajā digitālo datu apstrādes virtenē (1. zīm.), pieņemot, ka tās ieejā nonāk avota (kompresijas) kodera video, audio un citi signāli, kas jau sakārtoti secīgā bitu (t. s. MPEG-2 transporta) plūsmā. Savukārt bloku virtenes izejā signālus tālāk pievada raidtorņa antenām. Bet kas notiek pa vidu?

FEC jeb kanāla kodēšanas metodes, paredzot iespējamos traucējumus (bitu kļūdas) tālākās bitu plūsmas izplatīšanās apstākļos (t. i., sakaru kanālā), nodrošina bitu plūsmas veselumu (integritāti) līdz vēlamam līmenim. Tiek nodrošināta t. s. QEF (Quasi Error Free – gandrīz kļūdu brīva) pārraide, kad bitu kļūdu attiecība (BER – Bit Error Ratio) MPEG-2 demultipleksera ieejā (uztvērējā!) nepārsniedz 10-10÷10-11!
To panāk ar ārējo RS (Rīda-Solomona) koderu, ārējo pārslāņotāju (interlīveru), kā arī iekšējo VITERBI koderu un iekšējo pārslāņotāju. Šajos blokos tiek palielināta datu redundance. Piemēram, RS koderā 188 baitu garās MPEG-2 transporta plūsmas paketes tiek paplašinātas līdz 204 baitiem, jo paketē ievieto vēl 16 papildu kļūdu labošanas baitus. Iekšējā VITERBI koderā bitu skaitu var pat dubultot, piemēram, lietojot code rate = 1/2 režīmu.
Otrs efektīvs paņēmiens – informāciju nesošo blakus bitu izkliede pa visu bitu plūsmu, lai dekoderā derīgo informāciju tomēr izdotos savākt un atjaunot pat ļoti smagos traucējumu zibšņu apstākļos. Pārslāņotājā panāk, ka blakus biti tiek izkliedēti vismaz 204 baitu, t. i., 1632 bitu attālumā.

Bitu plūsmas veseluma saglabāšanai kalpo arī daudzās nesējfrekvences. Šo paņēmienu zemes apraidēm lieto gan Eiropas standarta digitālajā televīzijā (DVB-T), gan digitālajā radiofonijā (DAB). Vienas nesējfrekvences vietā izmanto ļoti daudzus t. s. nesējus. Praktiski 8K modā vienlaikus darbojas 6817 nesēji, bet 2K modā – 1705! No tiem pārraidītās programmas informāciju pārnes gan tikai 6048 t. s. aktīvie nesēji. Pārējie 769 paredzēti sistēmas uzturēšanai – pilotu un TPS signālu (sk. tālāk) – pārnešanai. 2K modā atbilstošais aktīvo un sistēmas nesēju skaits ir 1512 un 193. Visas daudzās nesējfrekvences satilpst UHF diapazona 8 MHz TV frekvenču kanālā, jo atstatums starp galējiem nesējiem ir 7,608 MHz.

Šo daudznesēju paņēmienu dēvē par 8K/2K COFDM vai OFDM modulāciju, ja kanāla kodēšana tiek aplūkota FEC bloku sastāvā (sk. arī SP 1998/2(10), 11. lpp.). Viens no COFDM galvenajiem mērķiem ir nomākt vai likvidēt nevēlamās parādības, kas rodas UHF viļņu daudzceļu atstarošanās procesā.
Lai gan COFDM 8 MHz TV kanālu sadala sīkākās frekvenču joslās, t. i., realizē frekvences sadali (kā to izsaka FD – Frequency Division – metodes nosaukumā ieejošo burtu jēga), liela nozīme ir arī laiksadalei (2. zīm.). Laika ass tiek sadalīta mazos blakus esošos laika intervālos, bet frekvences – sīkās joslās, segmentos, katrā no tiem tiek izvietota viena nesējfrekvence. Toties katrā laika intervālā nesēju modulē ar simbolu (bitu kopu).

Nesējfrekvenču kopa laika intervālā savukārt tiek definēta kā COFDM simbols (2. zīm.). 68 COFDM simboli veido COFDM freimu. COFDM simbola iekšienē nesējus izvieto ortogonāli, lai izvairītos no starpnesēju traucējumiem, it sevišķi demodulācijas procesā (uztvērējā!). Ortogonalitāte (apzīmējumā CODFM otrais burts!) nosaka to, ka katra nesējfrekvence izvietota tieši tādā frekvences punktā, kurā blakus nesēju amplitūdu vērtība vienāda ar nulli (3. zīm.). Attālums starp nesējiem ir DF=1/DT, tātad vienāds ar inversu simbola ilgumu. Piemēram, 8K modā DF = 1116 ± 10 Hz, kur 10 Hz ir šīs frekvenču joslas platuma absolūtā nenoteiktība.
Virszemes apraidē sarežģītais pārraides process var izraisīt signālu pasliktināšanos gan frekvenču, gan laika apgabalā. Frekvenču apgabalā jāpiemin tādas parādības kā feidings, selektīvais feidings un, ja uztvērējs atrodas ātrā kustībā, - Doplera nobīde. Laika apgabalā – dabiskā radioviļņu atbalss, atstarojoties no objektiem (piemēram, augstas celtnes, sevišķi ar metāla jumtiem u. c.), kā arī mākslīgā atbalss, ko var radīt radioviļņu izstarošanas avoti, piemēram, SFN (sk. tālāk) tīklā. Šīs parādības katrā COFDM simbolā dažus nesējus var stipri sabojāt. Lai šos bojājumus uztvērējā varētu precīzi identificēt un izlabot:
· lieto jau pieminētās metodes (palielina datu redundanci un bitu izkliedi), izmantojot Viterbi, RS kodus, pārslāņotājus utt.
· frekvenču apgabalā simbolus (bitu kopas) sadala subsimbolos, drošības labad ar tiem paralēli modulējot nesējus COFDM simbola ietvaros;
· laika apgabalā starp COFDM simboliem iestarpinot t. s. aizsargintervālus.
Taču neko dzīvē nevar gūt par velti – šie pasākumi prasa papildu bitus, ātrākas bitu plūsmas un palielinātas bitu ietilpības sakaru kanālus.

COFDM tieši nedefinē modulācijas veidu. To nosaka nesējfrekvences parametrs, kurā biti tiek it kā iesēdināti. Vienkāršākajā gadījumā (piemēram, TV SAT sistēmās) tā var būt tikai fāze. Tad tā ir QPSK modulācija. Bet šie parametri var būt divi – vienlaikus modulējot nesējfrekvences fāzi un arī amplitūdu. Tad to dēvē par 16 vai 64 QAM modulāciju. Tātad simbolus piekārto atsevišķām fāzes - amplitūdas vērtībām, t. s. fazoriem (IQ koordinātās). 64 fazoru QAM modulācijā uz 1 Hz tiek pārraidīts simbols no 6 bitiem (4. zīm.)
Tikai jāievēro, ka, lai digitālos signālus izstarotu telpā, tos pirms nesēju frekvences paaugstināšanas līdz UHF frekvencēm un UHF jaudas pastiprināšanas nepieciešams pārveidot analogos signālos (1. zīm.)!

Pagājušās dekādes vidū DVB-T attīstības projekta RACE (Research and Development in Advanced Communications in Europe) ietvaros tika izstrādāts digitālais TV uztvērējs DVBird. Projektā piedalījās SGS Thomson Microelectronics – Itālija, France Telecom (CNET) un Philips (LEP) – Francija, Deutsche Thomson (DTB) – Vācija u. c. ievērojamākie Eiropas telekomunikāciju koncerni un elektronikas firmas. Subsidētajam projektam bija trejādi mērķi:
· pārbaudīt Eiropas digitālās TV standarta (DVB-T) praktisko realizāciju;
· sekmēt ražotāju iepazīšanos ar DVB-T iespējām un popularizēt know-how DTV uztvērēju projektēšanā;
· radīt veselīgu konkurenci DTV uztvērēju ražošanā.
DVBird televizors uztver analogo (bet digitālās TV pārraides!) signālu no Jagi jumta vai istabas antenas un pārveido to MPEG-2 transporta bitu plūsmā. Tas paredzēts 8K/2K modiem, kā arī visiem IQ diagrammu un Viterbi kodēšanas ātruma paveidiem.

8K modā nepieciešama četrreiz ietilpīgāka atmiņa, bet bez tās nav iespējams realizēt liela klājuma vienotās frekvences tīkla SFN (Single Frequency Network) zemes apraidi (sk. arī SP 1998/3(11), 21. lpp., 2. zīm.).
SFN raidītāji spēj raidīt vienlaikus četru TV programmu komplektu vienā UHF TV frekvenču kanālā, kas šķiet neticami no analogās TV viedokļa. Tātad katram SFN raidītājam jāraida tai pašā frekvencē, turklāt laika un frekvences sinhronizācijai jābūt tik precīzai, lai katrs raidītājs vienlaikus noraidītu to pašu bitu! Šādos apstākļos vājie signāli uz SFN blakus raidītāju sniedzamības zonas robežās ne tikai netraucē cits citam, bet papildina cits citu, t. i., summējas. Šim nolūkam raidītājus parasti sinhronizē ar GPS (Global Positioning System) sistēmu, izmantojot COFDM t. s. megafreimus, tajos iestarpinot īpašas GPS laika markas.

DTV uztvērēja galvenās sastāvdaļas parādītas 5. zīm. Analogā UHF/IF tūnera blokā, kas realizēts uz 16,5 x 4,5 x 1,5 cm spiestās plates, UHF/VHF signāla vidējā frekvence tiek pazemināta līdz ~4,5 MHz. Kaut arī tūnera izstrāde nebija galvenais projekta mērķis, tika izveidots jutīgs un kompakts analogais bloks, kas nosaka arī visa uztvērēja galvenos raksturlielumus (1. tabula).

DTV uztvērēja digitālā daļa izprojektēta uz četrām ~0,35 µm CMOS tehnoloģijas integrālajām mikroshēmām (IMS). To kopējais kristāla laukums ir 3,7 cm2. Bet tranzistoru kopskaits sasniedz 8,5 miljonus!

Pirmā IMS
· 1,8 miljoni tranzistoru
· 100 tūkstoši loģisko elementu
· 384 kbitu aiztures līnija
Tās ieejā nonāk signāli no A/D pārveidotāja (10 biti, 18 MHz taktī). Tiek ģenerēti pamatjoslas (base band) IQ signāli, izmantojot precīzu freimu, frekvences un laika sinhronizāciju, vajadzības gadījumā veicot automātisko frekvenču pieskaņošanu sadarbībā ar ceturto IMS. Galvenais pirmās IMS uzdevums – atgūt katra atsevišķā nesēja fāzi un amplitūdu, ko veic 8K/2K FFT COFDM demodulators. Tāpat tiek pārraudzīta automātiskā pastiprinājuma regulēšanas (APR) cilpa sadarbībā ar tūnera bloku. Ar korelācijas metodi nosaka nesēju mikrosekundēs mērojamo aizsargintervālu, lai precīzi varētu fiksēt katra simbola sākumu.
Otrā IMS
· 4,5 miljoni tranzistoru
· 100 tūkstoši loģisko elementu
· 700 kbitu RAM
Šīs mikroshēmas galvenais uzdevums – novērtēt un koriģēt kanāla frekvenču raksturojumus, t. i., faktorus, kas ir iespaidojuši katru atsevišķo nesējfrekvenci. Tas tiek darīts, izmantojot pilot- un TPS (Transmission Parameter Signalling) signālus, kuri šai blokā nonāk caur ceturto IMS. Tie tiek atsūtīti ar īpašām, palielinātas jaudas nesējfrekvencēm un noteiktām fāzes - amplitūdas vērtībām, tāpēc uztvērējam labi atpazīstami. Datu aizture nepieciešama, lai analizētu un apstrādātu signālus, ievērojot Doplera efektu, uztvērējam esot ātrā kustībā. Pēc kanāla parametru novērtēšanas uztvertie signāli tiek laboti. Šim nolūkam otrā IMS izskaitļo signāla/trokšņa attiecību jeb konfidences faktorus ar četriem bitiem, lai nākošā IMS esošais Viterbi dekoders akli neuzticētos informācijai, kuru atnesuši traucējumos traumētie nesēji.
Trešā IMS
· 1,5 miljoni tranzistoru
· 70 tūkstoši loģisko elementu
· 210 kbitu RAM
Trešās mikroshēmas ieejā nonāk 2x8 un 4 konfidences biti, t. i., 20 biti 9 MHz taktī. Tās galvenais uzdevums – dekodēt FEC (kanāla) koderā (1. zīm.) viltīgi sakodētos signālus, samazinot bitu kļūdas attiecību (BER) līdz MPEG-2 demultiplekseram nepieciešamajam līmenim. To veic ar inverso kartētāju, RS un Viterbi dekoderiem un atbilstošiem deinterlīveriem (atslāņotājiem).
Ceturtā IMS
· 0,7 miljoni tranzistoru
· 80 tūkstoši loģisko elementu
· 130 kbitu RAM
Ceturtā IMS kontrolē un stūrē pārējās trīs IMS, līdz ar to precīzi sinhronizējot visu uztvērēja darbību. To panāk, salīdzinot pilot- un TPS signālu uztvertās, no pirmās IMS pievadītās laika un frekvences vērtības ar DVB-T standarta (ETS 300 744) normatīvām vērtībām. Ar izskaitļoto kļūdu pieskaņo ar spriegumu stūrējamo kvarca lokālo 36 MHz oscilatoru (VCXO 5. zīm.) – visa uztvērēja precīzo pulksteni.

Ceturtā ar pārējām IMS ar signāliem apmainās pa ātro sērijkopni (fast serial bus), ko pilnībā arī pārvalda. Pārējās IMS kopni var izmantot tikai pakļautības režīmā (slave mode). Tās arī saņem no ceturtās IMS visus nepieciešamos parametrus, ja visam uztvērējam jāpāriet uz citiem darbības veidiem.
I2C kopnes tiek izmantotas, lai ielādētu digitālā signāla apstrādes programmas no EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory – elektriski pārprogrammējamā lasāmatmiņa), uztveramo TV kanālu pārslēgšanai u. c. Kaut arī I2C kopne nav pieslēgta pirmajām trim IMS, iespējams programmēt tām reģistrus caur ceturto IMS. Lietotāja interfeisa I2C kopni var izmantot saitei ar datoru vai arī ievietojamai mikrokontroliera platei (ar atbilstošo EEPROM programmatūru).

Rakstā tika izmantots apstāklis, ka aplūkotais digitālais TV uztvērējs sastāv no vairākām mikroshēmām, kas deva iespēju labāk saskatīt apakšbloku funkcijas un to mijiedarbi. Šobrīd šādus uztvērējus izgatavo uz vienas superlielās mikroshēmas bāzes.


Arnolds VĪTOLS,
speciāli SP

Informācijas avoti:
1. P. Combelles, F. Scalise et. alab. Montreux International TV Symposium, Montreux, Record, 1997, 1997, 1/6–6/6.