TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY
DVB-H, teória a prax. Výučbové materiály
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2012
Robert TOMA
TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY
DVB-H, teória a prax. Výučbové materiály
Diplomová práca
Študijný program:
Multimediálne telekomunikácie
Študijný odbor:
5.2.15 Telekomunikácie
Školiace pracovisko:
KEMT
Školiteľ:
Ing. Ľudmila Maceková, PhD.
Konzultant:
Ing. Ľudmila Maceková, PhD.
Košice 2012
Robert TOMA
Abstrakt
Obsahom tejto práce je rozbor, predstavenie štandardu DVB-H, digitálnej televízie určenej pre príjem na príručných zariadeniach napájaných z vlastného zdroja elektrickej energie (mobilný telefón, PDA). Okrem textu je súčasťou zadania aj vytvorenie
prezentácie, ktorá by mala slúžiť ako výučbový materiál a vytvorenie simulácie pre vytvorenie, prenos a spracovanie signálu.
Kľúčové slová
DVB, DVB-H, DVB-T
Abstract
The contents of this thesis is a delineation of standard DVB-H, transmission system for handheld terminals (mobile phone, PDA). Except the text the thesis contains
a presentation which should be used as a teaching material and a simulation for create,
transmission and receive signal.
Keywords
DVB, DVB-H, DVB-T
Čestné vyhlásenie
Vyhlasujem, že som celú diplomovú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej odbornej literatúry.
Košice, 15. máj 2012
..........................................
vlastnoručný podpis
Poďakovanie
Ďakujem vedúcej mojej diplomovej práce, Ing. Ľudmile Macekovej, PhD. za
účinnú odbornú, metodickú, pedagogickú pomoc a ďalšie cenné rady pri jej spracovávaní. Zároveň sa chcem poďakovať Ing. Ladislavovi Polákovi za jeho odborné stanoviská.
Predhovor
Pojem digitálna televízia je dnes už súčasťou slovníka asi väčšiny ľudí. Už menej
ľudí disponuje aspoň obšírnejšími informáciami o problematike a ešte menej ľudí vie,
čo sa skutočne skrýva za týmito slovami. Na výskum a vývoj digitálnej televízie boli
vynaložené nemalé finančné prostriedky, ale výsledok stojí za to. Oblasť počítačov
a celkovo problematika digitalizácie je produktom veľmi rýchlej evolúcie a môžeme
konštatovať, že inovácie v tejto oblasti budú zajtra už zastarané a nahradené inými, a aj
preto je táto téma aktuálna a príťažlivá.
Myšlienka spojenia digitálnej televízie a mobilného telefónu je zaujímavá a určite
perspektívna, ale žiaľ v našich končinách stále s malým potenciálom na úspech. Možno
v budúcnosti, keď pilotné štandardy nahradia druhé a tretie generácie a náš trh bude
príťažlivejší pre operátorov, sa dočkáme aj my.
Hlavný dôvod, ktorý ma viedol k výberu témy bola jednoznačne atraktivita problematiky, je to štandard nasadený v prevádzke v mnohých krajinách, čiže je to súčasný
projekt aj keď v roku 2013 má byť nahradený druhou generáciou.
Zámerom mojej práce je objasniť problematiku digitálnej televízie a priblížiť štandard DVB-H. Mojou ambíciou je zrozumiteľne opísať, a tak zasvätiť aj bežného čitateľa
do projektu DVB-H.
Predkladaná diplomová práca vznikla za spolupráce Ing. Ľudmily Macekovej,
PhD. a Ing. Ladislava Poláka.
Obsah
Zoznam obrázkov ........................................................................................................... 9
Zoznam tabuliek ........................................................................................................... 10
Zoznam symbolov a skratiek ....................................................................................... 11
Slovník termínov ........................................................................................................... 14
Úvod ............................................................................................................................... 15
1 Digitálna pozemská televízia .................................................................................. 16
1.1
Výhody, nevýhody digitálnej TV ........................................................................ 17
1.2
Vplyv prostredia na šírenie sa signálu................................................................. 18
1.3
OFDM – princíp terestriálneho prenosu v systémoch DVB ............................... 19
2 DVB-T ...................................................................................................................... 21
2.1
Vznik DVB-T signálu.......................................................................................... 22
3 DVB-T2 .................................................................................................................... 25
3.1
Technické požiadavky ......................................................................................... 25
3.2
DVB-T vs. DVB-T2, hlavné rozdiely ................................................................. 26
4 DVB-H, definícia a činnosť ................................................................................... 28
4.1
Spracovanie dátového toku v DVB- H vysielači................................................. 29
4.1.1
Transportný tok MPEG-2 ............................................................................ 29
4.1.2
IP, IPv4, MPE .............................................................................................. 30
4.1.3
MPE- FEC.................................................................................................... 33
4.1.4
Time Slicing................................................................................................. 34
4.2
Bloková schéma vysielača DVB-H ..................................................................... 35
4.2.1
Zdrojové kódovanie ..................................................................................... 35
4.2.2
Kanálové kódovanie..................................................................................... 36
4.2.3
Mapovanie, modulácia ................................................................................. 42
4.2.4
Ochranný interval......................................................................................... 43
4.2.5
Nosné TPS (Transmission Parameters Signaling) ....................................... 44
4.3
Spracovanie dátového toku v DVB- H prijímači ................................................ 44
5 Budúcnosť digitálnej televízie v príručných zariadeniach.................................. 46
6 Návrh simulácie DVB-H ......................................................................................... 48
6.1
MATrix LABoratory ........................................................................................... 49
7 GUI, činnosť programu a výsledky ....................................................................... 50
7.1
Opis dialógu s užívateľom................................................................................... 50
7.2
Panel input data................................................................................................... 50
7.3
Panel code rate .................................................................................................... 51
7.4
Panel channel....................................................................................................... 51
7.5
Panel modulation ................................................................................................. 52
7.6
Panel viterbi algorithm ........................................................................................ 52
7.7
Panel OFDM........................................................................................................ 53
7.8
Panel Eb/N0 (dB).................................................................................................. 53
7.9
Výsledky.............................................................................................................. 53
7.9.1
Spracovanie obrazu ...................................................................................... 54
7.9.2
Spracovanie zvuku ....................................................................................... 55
8 Výučbová prezentácia ............................................................................................. 57
8.1
Prehľad stránok prezentácie ................................................................................ 57
9 Záver......................................................................................................................... 59
Zoznam použitej literatúry .......................................................................................... 60
Prílohy............................................................................................................................ 60
FEI
KEMT
Zoznam obrázkov
Obr. 1
Príklad mnohocestného šírenia sa signálu ...................................................... 18
Obr. 2
Princíp minimálneho prekrývania nosných v OFDM..................................... 20
Obr. 3
Bloková schéma DVB-T modulátora.............................................................. 23
Obr. 4
Vznik DVB-T signálu .................................................................................... 24
Obr. 5
Využívané televízne štandardy vo svete [17] ................................................. 26
Obr. 6
Základný princíp zdieľania DVB-T prenosového mux spolu s DVB-H ....... 29
Obr. 7
Enkapsulácia pri odosielaní dát v IP............................................................... 32
Obr. 8
Štruktúra MPE-FEC Framu [14]..................................................................... 33
Obr. 9
Štruktúra prenosového cyklu .......................................................................... 34
Obr. 10 Bloková schéma vysielača DVB-H [13]......................................................... 35
Obr. 11 Štruktúra a veľkosť MPEG-2 paketu [13] ...................................................... 36
Obr. 12 Štruktúra a veľkosť MPEG-2 paketu po RS kódovaní [13]............................ 37
Obr. 13 Vonkajší prekladač [13].................................................................................. 38
Obr. 14 Schéma vnútorného prekladača 16-QAM [13] ............................................... 41
Obr. 15 Konštelačné diagramy modulácií QPSK, 16-QAM, 64-QAM ....................... 42
Obr. 16 Možnosti dĺžky ochranného intervalu v OFDM ............................................. 44
Obr. 17 Schéma DVB-H prijímača [12, 15] ................................................................ 45
Obr. 18 Ukážka veľkosti formátu 170x118 ................................................................. 49
Obr. 19 Grafické rozhranie, GUI ................................................................................. 50
Obr. 20 Porovnanie výsledkov simulácie programu pre obraz (hodnota BER je
po Viterbiho dekódovaní, cr-code rate, T- doba trvania výpočtov)................ 54
Obr. 21 Porovnanie výsledkov simulácie programu pre zvuk (hodnota BER je
po Viterbiho dekódovaní, cr-code rate, T- doba trvania výpočtov)................ 56
9
FEI
KEMT
Zoznam tabuliek
Tab. 1
Porovnanie možných OFDM režimov v DVB-H ........................................... 20
Tab. 2
Porovnanie technických parametrov DVB-T a DVB-T2 [17]........................ 27
Tab. 3
Štruktúra IPv4 paketu ..................................................................................... 31
Tab. 4
Výsledok prekladania vonkajšieho prekladača (zápis po riadkoch,
čítanie po stĺpcoch) ......................................................................................... 39
Tab. 5
Porovnanie: rýchlosť vs. kvalita ..................................................................... 40
Tab. 6
Punktovacie vzory pre rôzne kódové pomery [13] ......................................... 40
Tab. 7
Demultiplex vstupných bitov do vetiev .......................................................... 42
Tab. 8
porovnanie niektorých parametrov systémov DVB-H a DMB [2]................. 47
10
FEI
KEMT
Zoznam symbolov a skratiek
AAC
Advanced Audio Coding, pokročilé kódovanie audiozložiek
ATSC
Advanced Television Systems Committee, komisia vytvárajúca štandardy pre digitálnu televíziu
AVC
Advanced Video Coding, pokročilé kódovanie videozložiek
AWGN
Average White Gaussian Noise, aditívny biely gausov šum
BER
Bit Error Rate, veličina, ktorá udáva chybovosť prenosového systému
BCH
Bose, Ray-Chaudhuri, Hocquenghem, autori BCH kódovania
C/N
Carrier-to-noise Ratio, pomer signál-šum na vstupe prijímača
CDMA
Code Division Multiple Access, kódový multiplex
COFDM
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing
DTV
Digital Television, digitálna televízia
DVB-C
Digital Video Broadcasting – Cable, štandard pre káblovú DTV
DVB-CI
DVB – Common Interface, spoločné rozhranie s podmienenýmprístupom
DVB-H
DVB – Handheld, štandard pre DTV do mobilov
DVB-MC
DVB – Microwave Cable, využíva mikrovlnné frekvencie
DVB-NGH
DVB – Next Generation Handheld, štandard pre DTV do mobilov
DVB-S
DVB – Satelite, štandard pre satelitnú DTV
DVB-SI
DVB – Service Information, servisné informácie
DVB-T
DVB – Terrestrial, štandard pre pozemnú DTV
EPG
Electronic Picture Guide, programový sprievodca
FEC
Forward Error Correction, dopredná korekcia chýb
FFT
Fast Fourier Transformation, rýchla fourierová transformácia
FIFO
First In First Out Register, typ registra
GI
Guard Interval, ochranný interval
GUI
Guest User Interface, grafické rozhranie v Matlabe
HDTV
High Definition Television, televízny signál s vysokým rozlíšením
HPA
High Power Amplifier, zosilňovač
11
FEI
IFFT
KEMT
Inverse Fast Fourier Transformation, spätná rýchla fourierová transformácia
IP
Internet Protocol
ISI
Inter-symbol Interference, medzisymbolová interferencia
LDPC
Low-Density Parity-Check, algoritmus kódovania dát
MPE-FEC
MultiProtokol Encapsulation – Forward Error Correction, blok ochrany
dát v DVB-H
MPEG-2
Motion Picture Experts Group 2, štandard pre stratové kódovanie
MPEG-4
Motion Picture Experts Group 4, štandard pre stratové kódovanie
NLOS
Non Line Of Sight, označenie signálu keď neexistuje priama viditeľnosť
medzi vysielačom a prijímačom
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing, systém viacerých nosných
PCM
Pulse-Code Modulation, technika používaná pri prevode A/D
PLR
Packet-Loose Ratio, počet stratených, poškodených paketov
PNS
Pseudo-Náhodná Sekvencia
QAM
Quadrature amplitude modulation, kvadratúrna amplitúdová modulácia
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying, kvadratúrna fázová modulácia
SDTV
Standard Definition Television, televízny signál so štandardným rozlíšením
SFN
Single-Frequency Network, jednofrekvenčná sieť
SMATV
Televízna sústava so spoločnou anténou pre príjem z družice
SNR
Signal-to-noise Ratio, pomer signál-šum za demodulátorom
STA
Spoločná Televízna Anténa
T-DAB
Terrestrial - Digital Audio Broadcasting, pozemné broadcastové vysielanie audiozložiek
TPS
Transmission Parameters Signaling, signalizačné parametre
UMTS
Universal Mobile Telecommunication System
ηe
Energetická účinnosť
2k
OFDM mód pre 1705 nosných
4k
OFDM mód pre 3409 nosných
12
FEI
KEMT
8k
OFDM mód pre 6817 nosných
G1
Generujúci polynóm konvolučného kódera č.1
G2
Generujúci polynóm konvolučného kódera č.2
I
Hĺbka prekladania vonkajšieho prekladača
Im {z}
Os konštelačného diagramu modulácie, imaginárna časť
j
Poradové číslo vetvy vonkajšieho prekladača
M
Podiel všetkých bajtov s hĺbkou prekladania (204/12)
r
Kódovací pomer konvolučného kódera
Re {z}
Os konštelačného diagramu modulácie, reálna časť
TS
Trvanie jedného OFDM symbolu
TU
Trvanie užitočnej časti OFDM symbolu
Y’
Výstup zo symbolového prekladača. Vektor
∆
Trvanie ochranného intervalu OFDM symbolu
13
FEI
KEMT
Slovník termínov
burst
Zhluk prenášaných dát
delta- t
Metóda pre vložené pokyny na vypínanie a zapínanie energeticky
náročných obvodov terminálu
Multiplex
Súbor audio, video alebo dát prenášaných v jednom kanály
Multiplexor
Zariadenie, ktoré vytvára multiplex (viac vstupov jeden výstup)
Puncturing
Metóda vylepšenia kódovacieho pomeru konvolučného kódera
Skrambler
Súčasť kanálového kódovania v DVB-T modulátore, rozpestiera energiu
signálu
Stream
Tok informácii, paketov, …
Streaming
Technológia kontinuálneho prenosu videa medzi zdrojom a užívateľom
Terestriálny
Spôsob šírenia signálu. Pozemné vysielanie.
Time Slicing Časové segmentovanie. Metóda úspory batérie v DVB-H
14
FEI
KEMT
Úvod
Už na začiatku dvadsiateho storočia sa začal vo vedecko-technických kruhoch čoraz častejšie vyskytovať pojem televízia. Preskočme pár rokov a v Anglicku od roku
1936 dátujeme oficiálne verejné televízne vysielanie. Samozrejme počet televíznych
prijímačov sa v tom čase rátal v stovkách. Naozajstný, masový zásah do života obyvateľstva priniesla televízia až po druhej svetovej vojne a to hlavne v USA, kde počet majiteľov prijímačov stúpal geometrickým rádom až ďaleko za hranicu jedného milióna.
Ani túto oblasť neobišla technická evolúcia poháňaná hlave armádnymi programami a to v mene vlád. Kladené podmienky na kvalitu obrazu a prenosu sa neustále
zvyšovali až sme sa ocitli v súčasnosti, kedy máme možnosť prenášať televízny signál
prostredníctvom káblu, satelitu alebo terestriálne, to všetko vo vysokej kvalite
a dokonca aj za pohybu. Tak ako sa pred pár rokmi hovorilo o fotografiách v 3D rozlíšení, tak dnes sú už bežnou súčasťou filmy v 3D, a je len otázkou času, kedy si vybojujú
miesto vo verejnom vysielaní. Ešte niekde medzi tým, nástupom počítačov a neskôr
internetu, sa začala malá technická revolúcia v podobe zmeny televízneho signálu
z analógového na digitálny.
Mobilné telefóny, rovnako ako televízia, sa stali už neodmysliteľnou, dennou súčasťou drvivej väčšiny obyvateľstva. A tak myšlienka spojiť televíziu a mobilný telefón
sa javí ako projekt vopred odsúdený na úspech. Či to tak skutočne bude ukáže len čas a
ešte dopyt na trhu po novej službe.
Táto práca je zameraná na opis televízneho štandardu pre prenos digitálnej televízie určenej pre príručné mobilné zariadenia využívajúce energiu z batérií, DVB-H.
Prvá kapitola obsahuje stručný opis digitálnej televízie a systému OFDM. V druhej
kapitole, ako predchodca DVB-H, je predstavený systém DVB-T. Tretia kapitola je venovaná jeho druhej generácii DVB-T2. Až vo štvrtej a piatej kapitole je podrobnejšie
popísaný štandard DVB-H a svojimi podkapitolami uzatvára ucelený nadhľad nad celou
problematikou terestriálneho prenosu. Kapitoly číslo šesť a sedem sú venované simulačnému programu. V predposlednej, ôsmej časti práce je spomenutá výučbová prezentácia a jej krátky obsah. Prácu uzatvára kapitola deväť s názvom Záver, jej obsahom sú
zverejnené výsledky aj zo simulačného programu.
15
FEI
KEMT
1 Digitálna pozemská televízia
Nezastaviteľný technický vývoj neobišiel ani oblasť televízie. Na začiatku 90tych rokov sa začali nad analógovým vysielaním „sťahovať mraky“. V roku 1993 vznikol projekt DVB (digitálne televízne vysielanie). Združenie je výsledkom spoločného
úsilia európskych televíznych, satelitných a káblových spoločností, vládnych inštitúcií
a výrobcov televíznej techniky. Projekt DVB definoval nové, univerzálne štandardy
digitálneho televízneho vysielania nielen v Európe ale aj vo svete. V súčasnosti má
združenie viac ako 270 členov z viac ako 35 krajín. Okrem európskych elektronických
gigantov (Philips, Nokia, Grundig, ... ) ruku k dielu priložili aj americké alebo japonské
firmy (HP, Sony, JVC, ...).
Rodina DVB systémov bola vypracovaná podľa súboru komerčných požiadaviek,
ktoré sa potom použili na vyhotovenie technických špecifikácií.
Rodina DVB systémov:
-
DVB-S – digitálny družicový systém určený pre použitie v pásmach 11-12
GHz
-
DVB-S2 – vylepšený satelitný systém DVB-S
-
DVB-C – digitálny káblový systém prenosu
-
DVB-C2 – vylepšený káblový systém DVB-C
-
DVB-CS – digitálny SMATV systém vytvorený na základe DVB-C a DVB-S
(SMATV – televízna sústava so spoločnou anténou pre príjem z družice)
-
DVB-MC – digitálny systém viac užívateľskej distribúcie, využívajúci mikrovlnové frekvencie nižšie ako 10 GHz pre priamu distribúciu do domácností.
Založený na DVB-S
-
DVB-T – digitálny terestriálny televízny systém navrhnutý pre pozemské TV
kanály so šírkou 8MHz.
-
DVB-T2 – vylepšený terestriálny systém DVB-T
-
DVB-SI – systém servisných informácií (SI), ktoré využíva DVB kóder pre automatické naladenie sa na konkrétne služby a používateľ ako pomoc pre
ovládanie a riadenie DVB bitových tokov.
-
DVB-TXT – špecifikácia DVB pre prenos teletextu
16
FEI
KEMT
-
DVB-CI – spoločný interface DVB pre použitie v podmienenom prístupe
a v ďalších aplikáciách.
-
DVB-H – (Handheld), systém pre príručné zariadenia napájané z vlastného
energetického zdroja so základom z DVB-T
-
DVB NGH – (Next Generation Handheld) najnovší sme vývoja televízie pre
mobilné telefóny
1.1 Výhody a nevýhody digitálnej TV
S určitosťou môžeme konštatovať, že počet výhod digitálnej televízie prevyšuje
počet nevýhod.
Výhody:
-
viac služieb na jeden frekvenčný kanál (úspora frekvenčného pásma)
-
budovanie jedno-frekvenčných sietí (SFN – Single-frequency network)
-
kvalitný príjem, okrem SD (štandardné rozlíšenie) možnosť vysielania aj v HD
(vysoké rozlíšenie) rozlíšení
-
vďaka protichybovému kódovaniu je signál odolnejší voči rušeniu (v porovnaní s analógovou televíziou)
-
pokrytie geograficky rovnakého územia signálom s nižším výkonom (v porovnaní s analógovou televíziou), tj. úspora elektrickej energie
-
možný statický aj mobilný príjem
-
možnosť prenášať rôzne doplnkové služby (EPG, titulky,...)
Nevýhody:
-
pri zavádzaní digitálnej TV prebieha paralelné vysielanie (analógová aj digitálna TV)
-
pri zavádzaní digitálnej TV je potrebná výstavba nových pozemných sietí
-
legislatíva (legislatívny problém, v procese zavádzania systému do prevádzky,
môže znamenať najväčšie zdržanie na prechod k DTV.)
17
FEI
KEMT
-
vysielanie je postavené na princípe všetko alebo nič, tzn. buď prijímam perfektný obraz alebo pri slabej intenzite signálu nastávajú výpadky obrazu, sekanie zvuku, a pod.
Viacero nevýhod je spojených so zavádzaním systému do prevádzky. Po úplnom
zavedení digitalizácie a vypnutí analógovej televízie bude počet nevýhod ešte menší.
1.2 Vplyv prostredia na šírenie sa signálu
Veľmi nepríjemným javom, ktorý sa pri mobilnej komunikácií vyskytuje často, je
kolísanie úrovne signálu v mieste príjmu. Tento jav sa všeobecne označuje ako únik
(fading). Môže byť spôsobený terénnymi prekážkami medzi pohybujúcou sa mobilnou
stanicou a stacionárnou základňovou stanicou alebo postupnými zmenami parametrov
ionosféry, prípadne mnohocestným šírením sa signálu medzi vysielačom a prijímačom,
komplikovaným navyše pohybom prijímača. Obr. 1 znázorňuje situáciu, kedy sa vysielaný signál šíri prenosovým kanálom viacerými cestami, čo je spôsobené odrazmi od
rôznych prekážok. V tomto prípade sa jedná o budovy a kopec. Kanál s viacerými cestami vytvára signál s viacerými kópiami, ktoré prichádzajú do prijímača s rôznym oneskorením a zmenšenou amplitúdou. To má priamy vplyv aj na zvyšovanie medzisymbolovej interferencie (ISI) pri digitálnom signáli. Jedným z riešení problému ISI je použitie širokopásmovej modulácie OFDM, ktorej súčasťou je aj voľba ochranného intervalu.
Obr. 1 Príklad mnohocestného šírenia sa signálu
18
FEI
KEMT
1.3 OFDM – princíp terestriálneho prenosu v systémoch DVB
Pozemské prenosové cesty vykazujú práve v dôsledku mnohocestného šírenia a
tzv. frekvenčne - časovo variantných rušení nepriaznivé vplyvy pre vyššie konštelácie
QAM (Kvadratúrna amplitúdová modulácia) (16-QAM, 64-QAM). Aby sa umožnil
kvalitný prenos najmä v prenosnom mobilnom nasadení, využíva DVB-H systém
OFDM s väčším počtom nosných frekvencií.
COFDM alebo Coded OFDM znamená, že dáta, ktoré sú prenášané niekoľko tisíc
nosnými (8k až 6817) sú zabezpečené proti chybovosti kanálovým kódovaním.
OFDM pracuje s tzv. rozprestretým spektrom, kedy je signál vysielaný na viacerých nezávislých frekvenciách, čo zvyšuje odolnosť voči ISI. Väčší počet nosných frekvencií sa vytvára s použitím inverznej rýchlej Fourierovej transformácie (IFFT) a prijímač aplikuje v procese demodulácie rýchlu Fourierovu transformáciu (FFT). Počet
FFT je 2N, kde N môže nadobúdať hodnoty 9, 10, 11, 12, 13, 14 to znamená 512, 1024,
2048, 4096, 8192 alebo 16384. Teda v systéme OFDM nie je signál prenášaný na jednej
frekvencii, ale v režime 2k na 1705, 4k na 3409 a 8k 6817 nosných frekvenciách. Tieto
sú ortogonálne rozdelené na šírku kanála a tvoria jeden ortogonálny funkčný systém.
Ortogonalita nosných je daná tým, že ich skalárny súčin je rovný nule. Ortogonalita
nám zaručuje aj to, že maximum každej nosnej sa prekrýva s minimami ostatných (Obr.
2).
OFDM signál sa vysiela v rámcoch, z ktorých každý pozostáva zo 68 symbolov,
ktoré sú tvorené referenčnými symbolmi prenášajúcimi dáta. Štyri rámce tvoria jeden
super-rámec. Každý symbol je tvorený sadou K = 6817 nosných v režime 8k, K = 3409
v 4k a K = 1705 v režime 2k, a je vysielaný s trvaním TS.
Trvanie TS sa skladá z dvoch častí a to z užitočnej časti TU a ochranného intervalu
(GI, používa sa, v grafoch, aj označenie ∆). Všetky symboly obsahujú referenčné nosné
frekvencie. Sú to pilotné frekvencie, rozptýlené v čase aj frekvenčne. Tieto frekvencie
sa používajú (v prijímači) pre potreby synchronizácie a na výber kanálu. Tabuľka 1
znázorňuje porovnanie technických parametrov jednotlivých módov v systéme OFDM.
19
FEI
KEMT
Obr. 2 Princíp minimálneho prekrývania nosných v OFDM
Mód
2k
4k
8k
Počet bodov IFFT
2048
4096
8192
Počet nosných
1705
3409
6817
Odstup nosných [kHz]
4,464
2,232
1,116
Trvanie užitočnej časťi
224
448
896
Ochranný interval GI
1/ 4, 1/ 8, 1/ 16, 1/ 32
1/ 4, 1/ 8, 1/ 16, 1/ 32
1/ 4, 1/ 8, 1/ 16, 1/ 32
Trvanie GI [ms]
58, 28, 14, 7
112, 56, 28, 14
224, 112, 56, 28
Trvanie symbolu [ms]
280, 252, 238, 231
560, 504, 478, 462
1120, 1008, 952, 924
symbolu [ms]
Max. vzdialenosť vysiela-
16,8
8.4
4,2
2,1
33,6
16,8
8,4
4,2
67,3
čov [km]
Tab. 1 Porovnanie možných OFDM režimov v DVB-H
20
33,6
16,8
8,4
FEI
KEMT
2 DVB-T
Digital Video Broadcasting – Terestrial je štandard definujúci vysielanie digitálnej
televízie terestriálnym spôsobom. V súčasnosti je to už aplikovaný projekt aj na slovenskom a českom území (2004 – začiatok pilotného vysielania v SR, [2]).
Medzi hlavné motívy zavádzania DVB-T patria výhody, spomenuté v kapitole
1.1.
Prínos DVB-T:
-
pre diváka
- väčší počet programov
- kvalitatívna zmena oproti analógovému vysielaniu
- pre vysielateľa:
- ušetrenie nákladov v prepočte na jeden vysielaný program
- pre prevádzkovateľa sietí:
- možnosť ponúknuť vyššie prenosové kapacity spolu s novými
technickými vymoženosťami
- pre regulačný orgán:
- optimalizácia využitia frekvenčného spektra
- pre priemysel:
- stimulácia výroby nových prijímacích a vysielacích zariadení
Projekt DVB-T, keďže je jeden z prvých digitálnych systémov terestriálneho vysielania musíme rátať s tým, že nemá len kladné stránky. S nevýhodami treba počítať hlavne pri zavádzaní digitálnej televízie.
Nevýhody DVB-T:
-
pre diváka
- nutnosť investovať do nového prijímacieho zariadenia
21
FEI
KEMT
- dodatočné náklady na prebudovanie STA
- pre vysielateľa:
- nutnosť investície do digitalizácie štúdií
- pre prevádzkovateľa sietí:
- investície do vybudovania vysielacích sietí [2]
2.1 Vznik DVB-T signálu
Televízny signál, na ktorý sa doma pozeráme, prechádza zložitou cestou úprav.
Jeho vznik je nasledovný:
1. Pokiaľ je signál, prijímaný televíznym štúdiom, analógový, prvým krokom
k jeho úprave je digitalizácia (PCM – Pulse-code modulation).
2. Po nej nasleduje komprimácia, tzv. zdrojové kódovanie (pred 270 Mbit/s po 4 6 Mbit/s), uskutočňované štandardom MPEG-2 alebo MPEG-4. MPEG-2, 4 sú kódovacie štandardy, patriace do kategórie stratových kódovaní.
3. Určitý počet takto upravených televíznych, rozhlasových programov a dátových
služieb tvorí programový reťazec, zlučovaný multiplexorom (obr. 4).
4. Viac programových reťazcov sa opäť zlučuje aby vytvorili jeden verejný multiplex. Zlučujú sa v DVB-T multiplexore a tak vytvárajú DVB-T transportný tok (TS).
5. Transportný tok TS vstupuje do DVB-T modulátora, kde je upravovaný blokmi
tzv. doprednej korekcie chýb (FEC – Forward error correction). Dopredná korekcia
chýb obsahuje kódovacie zariadenia(obr. 3):
-
energetický rozptyl (scrambler)
-
vonkajší kóder (outer coder, Reed-Solomon kóder)
-
vonkajší prekladač (outer interleaver)
-
vnútorný kóder (inner coder, konvolučný kóder)
-
vnútorný prekladač (inner interleaver)
6. Takto protichybovo zabezpečený dátový tok je mapovaný v blokoch modulácie.
22
FEI
KEMT
7. Nasleduje aplikácia IFFT, čiže prechod cez blok OFDM a vloženie ochranného
intervalu (GI).
8. Spätné prevedenie na analógový signál, preloženie do vyššieho frekvenčného
pásma, zosilnenie a vysielanie sa koná v poslednom bloku (Obr. 3).
Na obr. 4 je schematicky naznačený vznik DVB-T signálu. [13]
TS z MUX
(MPEG-2
MPEG-4)
vstup
Vonkajší
kóder
outer coder
Vonkajšie
prekladanie
Kanálové kódovanie
Energetický
rozptyl
scrambler
Mapovanie
mapping
Prispôsobenie
rámcov
Frame
adabtation
OFDM
outer
interleaver
Vnútorné
prekladanie
inner
interleaver
Vloženie
ochranného
intervalu
Guard
interval
insertion
channel coding
Vnútorný
kóder
inner coder
TPS a pilotné
nosné
Pilots &
TPS signals
Modulácia
Modulation
Zosilnenie,
Vysielanie
HPA,
transmission
výstup
DVB-T modulátor
Rádiový
kanál
Obr. 3 Bloková schéma DVB-T modulátora
23
FEI
KEMT
Rôzne vstupné dáta
MPEG 2
MPEG 4
Dáta
Dáta
2. programový reťazec
n. programový reťazec
Dáta
Dáta
Rozhlas.
prog.
TV program
Rozhlas.
prog.
TV program
TV program
TV program
1. programový
reťazec
Vznik
verejného
multiplexu
DVB-T
Multiplexor
TS
DVB-T
modulátor
Rádiový
kanál
Obr. 4
Vznik DVB-T signálu
24
FEI
KEMT
3 DVB-T2
Medzi hlavné výhody digitálneho televízneho signálu oproti klasickej analógovej
televízii nesporne patrí úspora frekvenčného pásma. To znamená viac televíznych, rozhlasových kanálov prenášaných súčasne na jednom frekvenčnom pásme. Avšak vývoj
neustále napreduje čoho výsledkom je ďalšie výrazné vylepšenie, tentoraz už digitálneho vysielania.
V roku 2006, na sneme organizácie DVB v Ženeve, boli vymedzené požiadavky
na vylepšenie systému DVB-T. Jednou z kľúčových požiadaviek bolo, aby nový distribučný systém bol kompatibilný s prijímacími anténami a vysielačmi DVB-T. Inak povedané, zaručenie využitia DVB-T infraštruktúry. Druhou požiadavkou bolo zvýšiť
prenosovú kapacitu systému minimálne o 30 %, a to za rovnakých prevádzkových podmienok [15].
Štandard DVB-T druhej generácie tak stavia na technickom úspechu svojho predchodcu a využíva niektoré ochranné prvky zo systému DVB-S2 a DVB-C2. Aplikuje
najnovšie poznatky z oblastí digitálnych modulácií a protichybového zabezpečenia za
účelom zvýšenia prenosovej kapacity a zvýšenia robustnosti signálu. Zmeny nastali
hlavne na fyzickej vrstve, ale jemnému doladeniu sa nevyhla ani vrstva sieťová.
Jednou z podmienok bolo zvýšiť prenosovú kapacitu systému o 30%, avšak pomocou inovácií a za určitých podmienok DVB-T2 dosahuje hodnotu 65%.
3.1 Technické požiadavky
Organizácia DVB definovala súbor požiadaviek pre vývoj projektu DVB-T2. Tieto
požiadavky zahrňujú:
-
k požiadavke, že T2 musí byť kompatibilná s už existujúcou infraštruktúrou
DVB-T treba poznamenať, že táto požiadavka tak vylučuje z úvah nasadenie
MIMO techník, pretože by sa museli zmeniť antény aj vysielače.
-
T2 sa primárne zameria na statické a mobilné prijímače.
25
FEI
KEMT
-
T2 má zabezpečiť lepšiu výkonnosť jednofrekvenčných sietí SFN v porovnaní
s DVB-T
-
T2 má disponovať mechanizmom, ktorý dokáže poskytnúť rôzne úrovne robustnosti signálu v jednom multiplexe. (Napríklad, uvažujme 8 MHz kanál
a v ňom jednotlivé služby. Na základe tejto požiadavky by niektoré služby boli
určené pre statické, domové antény a iné pre mobilné prijímače.)
-
T2 má poskytovať frekvenčnú flexibilitu a flexibilitu v oblasti šírky pásma.
3.2 DVB-T vs. DVB-T2, hlavné rozdiely
Systém druhej generácie, rovnako ako jeho predchodca využíva OFDM moduláciu, ale podstatne rozšírenú (väčší počet FFT, viac možností veľkosti ochranných intervalov,... viď tab. 2), čo ho robí veľmi flexibilným štandardom. Novinkou je taktiež prevzatie kódovacích algoritmov zo susedných štandardov DVB-S2 a DVB-C2: LDPC
(Low-density parity-check) a BCH (Bose, Chaudhuri, Hocquengham) kódovanie [17].
Tabuľka. 2 porovnáva hlavné rozdiely medzi oboma štandardmi.
Obr. 5 znázorňuje celosvetové využitie DVB-T, DVB-T2 a iných televíznych
štandardov.
Obr. 5 Využívané televízne štandardy vo svete [17]
26
FEI
KEMT
DVB-T
DVB-T2 (nové prvky sú zvýraznené)
FEC
Modulácie
Konvoluč. kódovanie + RS,
LDPC+BCH
½, 2/3,3/4, 5/6, 7/8
1/2, 3/5, 2/3, ¾, 4/5, 5/6
QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM,
256QAM
Ochranný interval
¼, 1/8, 1/16, 1/32
1/4, 19/128, 1/8, 19/256, 1/16,
1/32, 1/128
Počet FTT
2k, 8k
1k, 2k. 4k, 8k, 16k, 32k
Šírka pásma
6, 7, 8 MHz
1.7, 5, 6, 7, 8, 10 MHz
Typická prenosová rýchlosť
24 Mbit/s
40 Mbit/s
29 Mbit/s
47.8 Mbit/s
16.7 dB
8.9 dB
(UK)
Max. prenosová rýchlosť (20 dB
C/N)
Požadované C/N (22 Mbit/s)
Tab. 2 Porovnanie technických parametrov DVB-T a DVB-T2 [17]
27
FEI
KEMT
4 DVB-H, definícia a činnosť
DVB-H je prvý projekt skupiny DVB vo svojej kategórii. Myšlienka je
prijímať digitálnu televíziu na zariadeniach, ktoré fungujú na batériu (mobil,
PDA), a sú mobilné. Vychádza z už zavedeného štandardu DVB-T. Hlavným dôvodom pre vývoj DVB-H je životnosť batérií, ktorá je v dnešnej dobe neprehliadnuteľnou vlastnosťou pre akékoľvek príručné mobilné zariadenie. Spotreba súčasných prijímačov DVB-T je príliš energeticky náročná nato, aby boli mobilné. [1, 3,
12]
Požiadavky pre systém DVB-H:
- vykazovať kompatibilitu s DVB-T (využitie už existujúcej infraštruktúry)
- nízka energetická spotreba na prijímacej strane
- ponúkané služby budú v prijateľnej kvalite
- dobré geografické pokrytie
- podporovať dostatočnú mobilitu prijímacích zariadení
Inovácie DVB-H oproti DVB-T:
-použitie COFDM ostáva + pribudne mód 4k
-rozšírenie signalizácie
-použitie Time-Slicing v rámci transportného toku MPEG-2
- použitie IP Encapsulation v rámci transportného toku MPEG-2
-použitie blokového kódu RS (reed-solomon) pre IP
-nová INT tabuľka (IP/MAC notification table)
Samozrejme sledovať televíziu cez mobilný telefón je možné aj cez tzv. video, audio streaming. Čo je vlastne rovnaké ako sledovanie televízie alebo počúvanie rádia cez
internet, ibaže za pohybu. Takéto procesy sa dajú vykonávať v každej sieti, ponúkajúcej
dátové prenosy. O uspokojivej kvalite takýchto prenosov môžeme hovoriť až v 3G sieťach (UMTS), ktoré ponúkajú dostatočné dátové rýchlosti. Avšak v prípade streamovania videa cez 3G sa stretávame s faktom, keď počet nevýhod prevláda nad výhodami.
28
FEI
KEMT
Nevýhody 3G:
-
nezaručený dátový tok v downlinku, znamená možné výpadky obrazu, zvuku,
-
vyššia spotreba energie v mobile,
-
nedostatočná kapacita sietí UMTS pre súčasné obslúženie viacero užívateľov,
-
pomerne malé pokrytie UMTS sietí,
-
nutnosť platby operátorovi za dátové prenosy, alebo za samotný obsah.
4.1 Spracovanie dátového toku v DVB- H vysielači
Text nasledujúcich podkapitol pojednáva o transportnom toku, MPE-FEC kódovaní, približuje problematiku enkapsulácie v IP a popisuje novinku - časové segmentovanie.
4.1.1 Transportný tok MPEG-2
Ako už bolo spomenuté, štandard DVB-H je postavený na princípe DVB-T a obsahuje zmeny súvisiace s príjmom signálu na zariadeniach s obmedzeným energetickým
zdrojom. Jednou z nezmenených vecí je fakt, že príspevkové DVB-H signály sa zlučujú
v DVB-T multiplexore a spolu s ostatnými DVB-T príspevkovými signálmi vytvárajú
transportný tok, ktorý je špecifikovaný normou MPEG-2.
MPEG-2 je štandard formátu pre prepravu audia, videa alebo dátových služieb používaný hlavne v broadcastových systémoch ako DVB alebo ATSC. Transportný tok
MPEG-2 špecifikuje formát kontajneru, enkapsuláciu paketových tokov, korekciu chýb,
určuje pravidlá pre synchronizačné funkcie, atď.. Obr. 6 znázorňuje ako funguje kombinácia DVB-T a DVB-H systémov.
MPEG-2
MPEG-2
MPEG-2
TS
MUX
DVB-T Modulator
2k
IP
4k 8k DVB-H TPS
DVB-H
IP- Encapsulator
Time
MPE MPEFEC Slicing
Nové v DVB-H
Obr. 6 Základný princíp zdieľania DVB-T prenosového mux spolu s DVB-H
29
FEI
KEMT
Zatiaľ čo príspevkové signály od DVB-T systému skutočne podliehajú štandardu
MPEG-2, príspevkové signály od DVB-H sú vytvárané podľa pravidiel protokolu IP.
Čo má za následok, že pakety DVB-H systému sú kompatibilné s inými sieťami, ktoré
podliehajú protokolu IP. Samotné vkladanie IP paketov do transportného toku MPEG-2
zabezpečuje blok s názvom MPE (Multiprotokol Encapsulation). Prijímač prijíma už len
IP pakety [15].
4.1.2 IP, IPv4, MPE
Internet Protocol (IP) pracuje na sieťovej (internet) vrstve TCP/IP referenčného
modelu, jeho úlohou je preprava IP datagramov medzi vzdialenými počítačmi, inými
slovami povedané medzi dvoma ľubovoľnými počítačmi v internetovej sieti. IP pracuje
s tzv. IP-datagramami (paket) obsahujúcimi IP adresu príjemcu a odosielateľa. Takže
sieť prenáša každý paket osobitne. Paket môže byť vytvorený podľa normy IPv4 alebo
IPv6.
IPv4 je dátovo orientovaný protokol, využívaný v sieťach s prepojovaním paketov.
Tento protokol však negarantuje kvalitu prenosu (môže nastať zmena poradia paketov,
duplicita alebo aj nedoručenie). O tieto záruky sa starajú už iné protokoly na vyšších
vrstvách. Paket Ipv4 obsahuje iba nutné údaje a síce hlavičku so služobnými údajmi,
ktoré sú nevyhnutné pre prepravu a samotné dáta. V Tab. 3 je znázornená štruktúra jedného datagramu IPv4 a popis jednotlivých políčok. Veľkosť hlavičky je 20 bajtov (IPv4
ponúka možnosť zväčšiť veľkosť hlavičky až na 60B). [2, 3].
30
FEI
KEMT
0
8
Verzia IP
16
Dĺžka
záhlavia
24
Typ služby
Celková dĺžka IP datagramu
Príznaky
(Flags)
Identifikácia IP datagramu
Doba života datagramu
Time to live (TTL)
31
Offset fragmentu
Kontrolný súčet hlavičky
Protokol
IP- adresa odosielateľa (Source IP adress)
IP- adresa príjemcu (Destination IP adress)
Voliteľné
Dáta
Tab. 3 Štruktúra IPv4 paketu
vysvetlivky pre tab. 3:
verzia: verzia IP, v tomto prípade 4
dĺžka záhlavia: dĺžka hlavičky uvádzaná v bajtových slovách, môže mať rôzne
veľkosti
typ služby: (Type of service - TOS), položka ktorá sa v praxi neujala. Zámer
spočíval v akomsi vylepšení IP protokolu napr. uprednostnenie
niektorých
paketov, atp.
celková dĺžka IP datagramu: dĺžka datagramu v bajtoch
identifikácia IP datagramu: každý paket má jednoznačný identifikátor, slúži pre
mechanizmy fragmentácie
Príznaky (Flags): slúži pre mechanizmy fragmentácie, dva druhy:
1. more fragments znamená „nie som posledný, za mnou nasleduje ešte frag
ment z pôvodného datagramu“
2. dont fragment znamená, nefragmentovať tento datagram.
offset fragmentu: udáva pozíciu aktuálneho fragmentu v datagrame
TTL: ochrana proti „zatúlaniu“ paketu v internete
protokol: určuje konečný protokol, ktorý si dáta prevezme
kontrolný súčet hlavičky: overenie poškodenia
adresa odosielateľa: IP adresa odosielateľa
adresa cieľa: IP adresa rozhrania cieľovej stanice
31
FEI
KEMT
voliteľné: patria sem polia „voľby“ a „výplň“ rôzne rozširujúce informácie,
nepovinné
výplň: žiadna informácia, iba zaokrúhľuje hlavičku na násobok štyroch bajtov
dáta: prepravované dáta
Enkapsulácia (zapúzdrenie) pri odosielaní dát v IP protokole, obr. 7, prebieha od
najvyššej vrstvy až po najnižšiu. Na aplikačnej vrstve vezme aplikácia dáta, ktoré chce
odoslať a doplní ich o aplikačnú hlavičku. Takto upravené dáta postúpi nižšej vrstve
(transportnej), tá dáta spracuje na formát segmentov a pridá hlavičku TCP alebo UDP.
Ďalšia vrstva (Sieťová, IP) doplní IP hlavičku a vzniká paket. Na najnižšej, linkovej
vrstve sa na začiatok pridá ethernetová hlavička a na koniec tzv. trailer (obsahuje kontrolný súčet FCS). Takto vzniká ethernetový rámec, ktorý sa vysiela cez komunikačný
kanál.
Hlavička
Aplikačnej
vrstvy
Dáta
Dáta / Aplikačná vrstva
Hlavička
Aplikačnej
vrstvy
Dáta
Segment / Transportná vrstva
IP
Hlavička
TCP/UDP Hlavička
Aplikačnej
Hlavička
vrstvy
Dáta
Paket / Sieťová (IP) vrstva
IP
Hlavička
Hlavička
TCP/UDP Aplikačnej
Hlavička
vrstvy
Dáta
TCP/UDP
Hlavička
Ethernet
Hlavička
Ethernet
Trailer
Obr. 7 Enkapsulácia pri odosielaní dát v IP
32
Frame / Linková vrstva
FEI
KEMT
4.1.3 MPE- FEC
Packet Loos Ratio (PLR) je veličina, ktorá by mala byť čo najnižšia, pretože udáva
počet stratených, poškodených paketov. Vzniká v prípadoch, ak rýchlosť mobilného
zariadenia, prijímača je príliš vysoká a/alebo pomer SNR (Signal-to-Noise Ratio) je
malý. V prípade vysokého PLR môžu vznikať nepríjemné situácie, spojené s výpadkom
alebo prerušovaním obrazu.
Multiprotokol Encapsulation – Forward error correction, obr. 6, je názov ďalšieho
bloku, ktorý patrí do kategórie ochranných. Cieľom prídavného kódovania je zlepšiť
pomer SNR a zvýšiť odolnosť voči impulznej interferencii a udržať hodnotu PLR čo
najnižšie. Dopredná ochrana MPE-FEC nie je povinná podmienka fungovania systému
DVB-H, a tak máme možnosť ju úplne vynechať alebo určiť, na ktorý elementárny
transportný tok bude aplikovaná. Pre každý samostatný transportný tok je možnosť výberu aplikácie MPE- FEC. Pakety bez MPE- FEC majú menšie oneskorenie [14].
MPE-FEC frame je organizovaný v tvare matice o rozmeroch 255 stĺpcov
a flexibilný počet riadkov. Počet riadkov je zaznamenaný v signalizácii pod názvom
time_slice_fec_identifier_descriptor. Maximálny počet riadkov je 1024 čo predstavuje
veľkosť MPE-FEC framu skoro 2 Mbit. Na obr. 8 je graficky znázornený MPE-FEC
rámec. Ľavá strana matice pozostávajúca zo 191 stĺpcov. Je určená pre IP datagramy
tretej vrstvy referenčného modelu OSI (sieťová vrstva) a nazýva sa tabuľka aplikačných dát. V pravej časti matice, obsahujúcej 64 stĺpcov, sú zapísané paritné informácie
FEC kódu . Nazýva sa tabuľka RS dát. Pre kódovanie dát sa používa Reed-Solomonov
kód RS (255,191,64).
191 stĺpcov
0
64 stĺpcov
190
0
0
Tabuľka aplikačných
dát
počet_riadkov - 1
Obr. 8 Štruktúra MPE-FEC Framu [14]
33
Tabuľka RS
dát
63
FEI
KEMT
4.1.4 Time Slicing
Time Slicing (časové segmentovanie) je jedna z hlavných odlišností, a zároveň
inovácií v DVB-H systéme. Odborníci boli postavení pred požiadavku úspory batérie
prijímača, bez zníženia kvality príjmu vysielania. Časové segmentovanie je metóda prenosu signálu, ktorá užitočné zložky signálov napr. videozložku prenáša v tzv. burstoch
(zhlukoch), to znamená iba v určitých časových intervaloch, v ktorých sú vložené pokyny na vypínanie a zapínanie energeticky náročných obvodov terminálu, nazývané
metóda delta- t. Teda úlohou metódy delta- t je oznámiť čas medzi prijatým burstom
a nasledujúcim (napr. „nasledujúci burst bude odoslaný o 5 500 ms od teraz“) [14]. Ak
prijímač neprijíma žiadne bursty, tak je tuner (vf časť prijímača) vypnutý - odpojený od
batérie. Takýmto spôsobom je dosiahnuté výrazné zníženie spotreby batérie. Bursty
prijaté mobilom sa ukladajú v operačnej pamäti prijímača (vyrovnávacia pamäť, buffer)
a užívateľ nezistí či je prijímač vypnutý alebo zapnutý. Prehrávané video alebo zvuk
prebieha plynule. Jednou z výhod Time Slicingu je možnosť uskutočňovať spojitý
"handover". Ak prijímač neprijíma dáta služby, môže vyhľadávať vysielače v susedných
bunkách, ktoré ponúkajú rovnakú službu. Pri zmene bunky je mobil preladený a neprerušene pokračuje v prijme. Na obr. 9 je znázornená štruktúra jedného cyklu a samotných
burstov.
Doba trvania cyklu jedného prenosu
Doba kedy je prijímač vypnutý
Prenoso vá
rýchlos ť [Mbps]
Trvanie
burstu
DVB-H služba 1
DVB-H služba 2
Prenosová rýchlosť[Mbps]
DVB-H služ ba n
Obr. 9 Štruktúra prenosového cyklu
Opis k obr. 9: Prenosová rýchlosť jedného burstu je aproximovaná momentálna
hodnota prenosovej rýchlosti, ktorú využíva časovo segmentovaný elementárny trans-
34
FEI
KEMT
portný tok počas prenosu burstu. Prenosová rýchlosť predstavuje priemernú hodnotu
prenosovej rýchlosti vyžadovanú elementárnym transportným tokom, na ktorý nie je
aplikovaná časová segmentácia. Doba kedy je prijímač vypnutý, predstavuje čas medzi
jednotlivými burstmi (ktorých služby využívame). Počas tejto doby nie sú prijímané
žiadne iné bursty, a preto sú energeticky najnáročnejšie časti prijímača, nepotrebné,
vypnuté.
4.2 Bloková schéma vysielača DVB-H
Zdigitalizované audio, video dáta, sú zapúzdrené do IP datagramov a následne
vkladané do transportného toku MPEG-2, sú upravované v takej postupnosti, akú nám
znázorňuje obr. 10. Z blokov zdrojového kódovania smeruje dátový tok do časti modulátora, nazývanej kanálové kódovanie. Nasledujú procesy modulácie, zmena z digitálnej
formy na analógovú, posunutie do vyššieho frekvenčného pásma, zosilnenie
a vysielanie.
MPEG-2
MUX
MPEG-2
Energetický
rozptyl
Vonkajší
kóder
Vonkajšie
prekladanie
Vnútorný
kóder
Vnútorné
prekladanie
Kanálové kódovanie
MPEG-4
Zdrojové kódovanie
Mapovanie
Prispôsobenie
rámcov
OFDM
TPS a pilotné
nosné
Vloženie
ochranného
intervalu
Rádiový
kanál
Modulácia
Obr. 10 Bloková schéma vysielača DVB-H [13]
4.2.1 Zdrojové kódovanie
Systém DVB-H predpokladá zdrojové kódovanie obrazu v štandarde MPEG-2,
alebo MPEG-4 H.264/AVC, so základným rozlíšením 360x288 (formát CIF). Kódovanie zvuku je pomocou štandardu AAC (Advanced Audio Coding) [2].
35
FEI
KEMT
Štandard H.264 (MPEG-4 časť 10) je prenosový štandard, využívajúci vysoký
stupeň kompresie, známy tiež pod skratkou AVC (Advanced Video Coding). Uvedený
štandard je určený pre použitie v systémoch digitálnej televízie s SDTV ale aj HDTV.
Zabezpečuje uspokojivú kvalitu obrazu s nižšími prenosovými tokmi v porovnaní
s predchádzajúcimi štandardmi napr. MPEG-2.
Štandard AAC zaraďujeme do skupiny stratových kódovaní. Bol vyvinutý ako
nasledovník MP3 formátu. AAC je jeden z najpokročilejších formátov kompresie zvuku.
4.2.2 Kanálové kódovanie
Na pozemský signál pôsobí veľké množstvo rušivých faktorov. Od povrchu terénu,
cez poveternostné podmienky, až po viaccestné šírenie sa signálu. Práve pre zminimalizovanie vplyvu týchto faktorov sa po zdrojovom kódovaní zavádzajú bloky tzv. kanálového kódovania (obr. 10). Rozdiel medzi výpadkom jedného bitu pri nekomprimovanom a komprimovanom PCM signáli je zreteľne pozorovateľný. Výpadok jedného bitu
v nekomprimovanom dátovom toku predstavuje poškodenie jedného obrazového bloku
(pixel), čo je sotva postrehnuteľné. V komprimovanom dátovom toku sa môžeme stretnúť s výpadkom celého makrobloku, a takýto neočakávaný nepriaznivý zásah má negatívny vplyv na kvalitu prijímaného signálu. Pri aplikovaní kanálového kódovania sa síce
zavádza redundancia, ale výsledok je príjem kvalitného obrazu a zvuku. Spôsoby
ochrany, poskytovanej kanálovým kódovaním sa navzájom líšia v závislosti od prostredia, v ktorom je signál prenášaný. Iný typ ochrany používa terestriálne, satelitné a
iný káblové vysielanie [2, 13].
Skrambler
Vstupný dátový tok je organizovaný v paketoch, majúcich pevne stanovenú veľkosť podľa normy MPEG-2. Veľkosť MPEG-2 paketu je 188 bajtov, pričom vždy prvý
bajt je tzv. synchronizačný. Jeho hodnota je 47HEX, obr. 11.
SYNC
1 byte
MPEG-2 Transport MUX data
187 bytes
Obr. 11 Štruktúra a veľkosť MPEG-2 paketu [13]
36
FEI
KEMT
Bloky skramblera vo vysielači a deskramblera v prijímači v štandardoch DVB ma-
jú dvojakú funkciu. Rozprestierajú energiu signálu v transportnom toku tým, že signál
vynásobia pseudo-náhodnou postupnosťou PNS. Inak povedané poprehadzujú zhluky
„0“ a „1“, aby sa energia signálu rozložila rovnomernejšie, a aby sa tak signál stal odolnejším voči prípadným rušeniam. Druhou úlohou scramblera je jeho využitie pre zavedenie tzv. podmieneného prístupu k vysielanému obsahu. Teda jedná sa o novšie, modernejšie kryptografické algoritmy, nepovoľujúce príjem neoprávneným odberateľom.
(Podobné systému CDMA) [13].
Vonkajšie kódovanie
Vonkajší kóder a vonkajší prekladač pracujú s paketmi MPEG-2 obr. 11. Vonkajší
kóder používa Reed-Solomon kód RS (204, 188, t = 8) odvodený z pôvodného RS (255,
239, t = 8) umožňuje opraviť až 8 chybných bajtov v prijatom 204 bajtovom pakete. RS
kódy sú samoopravné kódy, ktoré na vysielacej strane pripoja k paketom redundantné
bajty, a pomocou nich dekóder na prijímacej strane opraví vzniknuté chyby a získa späť
pôvodné dáta. Štruktúra paketu po zásahu RS kódu je znázornená na obr. 12 [13]
204 bytes
190,20
mm
SYNC
187 bytes Randomized Data
16 Parity bytes
Obr. 12 Štruktúra a veľkosť MPEG-2 paketu po RS kódovaní [13]
Vonkajšie prekladanie
Samotný vyššie spomínaný RS kód je efektívny nástroj pre odstraňovanie samostatných, náhodných chýb. Avšak pri prenose skutočnými prenosovými médiami môžu
vznikať poškodenia dlhších častí dátového toku (viac chýb za sebou). Na tieto typy
problémov už RS kód nestačí. Aj preto sa v praxi zaviedla kombinácia použitia kanálového kódu a prekladača (interleaver). Prekladač je zariadenie, ktoré podľa predom definovaných algoritmov rozhodí prirodzené poradie dátového toku. V prijímači (deinterleaver) sa dátový tok opäť poskladá do pôvodného poradia.
37
FEI
KEMT
Proces vonkajšieho prekladania je založený na Formeyovej metóde, ktorá je
kompatibilná s metódou Ramseyho prekladača typu 3 [13]. Prekladač je zložený z I =
12 vetiev, cyklicky prepínaných na dátový tok. Každá vetva j je FIFO register (First-in
First-out) s hĺbkou prekladania j x M kde j predstavuje poradové číslo vetvy a M = 17
(podiel všetkých bajtov s hĺbkou prekladania (204/12)). Pre bezchybné fungovanie celého systému musia byť prepínače zosynchronizované, na vstupe aj na výstupe [13].
Princíp vonkajšieho prekladača je znázornený na obr. 13.
0
1
2
0
1
17=M
2
17x2
3
3
17x3
11
17x11
FIFO register
11=I-1
Vonkajší prekladač
Obr. 13 Vonkajší prekladač [13]
V tab. 4 je zapísaný výsledok prekladania vonkajšieho prekladača založeného na Formeyovej metóde. Bajty sú do tabuľky zapisované po riadkoch v nezmenenom poradí,
avšak čítané sú už po stĺpcoch. A keďže hĺbka prekladania je I = 12, tak v prijímači je
rozdiel medzi prijatým paketom č.1 a č.2 12 pozícií [13].
Spätný vonkajší prekladač funguje na rovnakom princípe ako priamy vonkajší
prekladač.
38
FEI
KEMT
Čítanie
Zápis
Tab. 4 Výsledok prekladania vonkajšieho prekladača (zápis po riadkoch, čítanie po stĺpcoch)
Vnútorné kódovanie
Celé vnútorné kódovanie je postavené na využití 64 stavového bitového, konvolučného kódera so základným kódovacím pomerom r = 1/2 (nazývaný aj materský kóder) [13]. Hodnota 1/2 udáva počet bitov na vstupe „1“ a počet bitov na výstupe „2“.
Meradlom efektívnosti kódu je veličina kódový zisk. Poskytuje nám informáciu
o zmenšení odstupu signálu od šumu, pri zachovaní rovnakej prenosovej a bitovej rýchlosti oproti stavu bez kódovania. Generujúce polynómy kódera sú určené normou, a síce
G1= 171OCT a G2 = 133OCT [13].
Pomocou tzv. „punktovania“ (puncturing) je možné upraviť kodovací pomer
kódera. Napríklad, spojením dvoch materských kóderov s r = 1/2 a následným vynechaním (vytečkovaním, puncturing) jedného výstupu, dostávame nový konvolučný kóder s kódovacím pomerom r = 2/3. Pomocou tejto techniky je možné vytvorenie viacerých kódovacích pomerov pri použití jedného hardvéru. Výhodou týchto punktovaných
kódov je fakt, že kódovací pomer r sa dá meniť dynamicky pomocou softvéru. Konvolučný kóder pre štandard DVB-H pracuje s pomermi r = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 a 7/8. Prínos
techniky zmeny kódovacieho pomeru spočíva v rýchlosti, s akou vie kóder pracovať.
Ak zvolíme pomer ½, tak výpočtový čas bude najdlhší, ale prenos najkvalitnejší. Pomer
z opačného konca 7/8 zaručuje najrýchlejšie spracovanie bitov, s citeľne nižšou kvalitou, samozrejme pri zachovaní rovnakého SNR. V tab. 5 sú zapísané hodnoty, poukazujúce na pomer času spracovávania a kvality výsledku
39
FEI
KEMT
SNR =
14
½
2/3
¾
5/6
7/8
Poč.
Chýb
11
601
1761
3003
4511
SNR =
Poč.
BER (%) čas (s)
16
Chýb
BER (%)
0.11
33
½
0
0
0.603
21.86
2/3
0
0
17.68
19.9
¾
320
3.2
30.15
17.45
5/6
556
5.58
45.26
16.33
7/8
3721
37.36
Tab. 5 Porovnanie: rýchlosť vs. kvalita
čas (s)
30.14
20.61
18.23
16.46
15.73
Tabuľka 6 zobrazuje podľa akého kľúča sa vytvárajú kódovacie pomery v konvolučnom
kóderi (takisto určené normou [13]).
Kódovací pomer
½
Punktovací vzor
Prenesená sekvencia
(puncturing pattern)
(po konverzii, paralel na serial)
X:1
X1Y1
Y:1
2/3
X:1 0
X1Y1Y2
Y:1 1
¾
X:1 0 1
X1Y1Y2X3
Y:1 1 0
5/6
X:1 0 1 0 1
X1Y1Y2X3Y4X5
Y:1 1 0 1 0
7/8
X:1 0 0 0 1 0 1
X1Y1Y2Y3Y4X5Y6X7
Y:1 1 1 1 0 1 0
Tab. 6 Punktovacie vzory pre rôzne kódové pomery [13]
Vnútorné prekladanie
Vnútorný prekladač sa skladá z blokov bitového prekladania a symbolového
prekladania. Sériový dátový tok prechádza cez demultiplex, ktorý ho rozdelí do
v vetiev, kde v = 2 pre QPSK, v = 4 pre 16-QAM a v = 6 pre 64-QAM. Tab. 7 znázorňuje rozdelenie vstupných bitov do jednotlivých vetiev. Xn predstavujú vstupné bity a bn
číslo pridelenej vetvy. Do každej vetvy sa postupne načíta 126 bitov. Každá vetva má
svoj samostatný bitový prekladač. Každý bitový prekladač používa inú permutačnú
funkciu. Princíp konštrukcie prekladača je na obr. 14.
40
FEI
KEMT
Počet prekladaní závisí od voľby módu OFDM. Pri prenosovom móde 2k sa 126
bitové slovo prekladá presne dvanásťkrát, pri 4k je to dvadsaťštyrikrát a pri 8k štyridsaťosemkrát.
Bitový
prekladač
I0
a0,0,a 0,1,..
Bitový
prekladač
I1
a1,0,a 1,1,..
b2,0,b 2,1,..
Bitový
prekladač
I2
a2,0,a 2,1,..
b3,0,b 3,1,..
Bitový
prekladač
I3
a3,0,a 3,1,..
b0,0,b 0,1,..
x0 ,x1 ,x2 ,...
DEMUX
b1,0,b 1,1,..
x”0 ,x”1 ,x”2 ,...
DEMUX
Re{z} časť
y0,0,y 2,0,...
Symbolový
prekladač
Y0 ,Y1 ,..
Mapovanie
Im{z} časť
y1,0,y 3,0,...
Obr. 14 Schéma vnútorného prekladača 16-QAM [13]
Po bitovom prekladaní prechádza dátový tok do bloku symbolového prekladača.
Jeho úlohou je mapovať v bitové slová na 1512 (2k), 3024 (4k) alebo 6048 (8k) aktívnych nosných. Pre dosiahnutie takého počtu symbolov je potrebné vziať 12 skupín po
126 bitov pre 2k mód, 24 skupín po 126 bitov pre 4k mód a 48 skupín po 126 bitov pre
8k mód. Pre účely prekladania sa používa permutačná funkcia H(q), ktorej definícia je
popísaná v norme [13].
Výstup zo symbolového prekladača je vektor:
Y’ = (y’0, y’1, y’2, ... y’1511 ) pre 2k ,
Y’ = (y’0, y’1, y’2, ... y’3024 ) pre 4k,
Y’ = (y’0, y’1, y’2, ... y’6048 ) pre 8k.
41
FEI
KEMT
QPSK: x -> b
0
0
x1 -> b 1
16-QAM: x -> b
0
0
x1 -> b 2
x2 -> b 1
x3 -> b 3
64-QAM: x -> b
0
0
x1 -> b 2
x2 -> b 4
x3 -> b 1
x4 -> b 3
x5 -> b 5
Tab. 7 Demultiplex vstupných bitov do vetiev
4.2.3 Mapovanie, modulácia
Vo vnútornom prekladači, obr. 14, sa sériový dátový tok delí do v vetiev. Tento
proces sa nazýva mapovanie. Jedná sa o algoritmus, kde sa jednotlivým bitom priradia
určité signálové prvky. Tieto priradenia zobrazené v grafickej podobe sa nazývajú konštelačné diagramy, obr. 15.
QPSK
16-QAM
64-QAM
Im
Im
0010
Im
001010
1
00
10
Re
Re
-1
11
01
Obr. 15
Konštelačné diagramy modulácií QPSK, 16-QAM, 64-QAM
42
Re
FEI
KEMT
Na takto upravenom bitovom toku sa aplikuje modulácia v základnom pásme (tzv.
mapovanie). Najjednoduchšia, ale nie najrozšírenejšia, je modulácia BPSK, pri ktorej sa
nahrádza „0“ symbolom „1“, a „1“ symbolom „-1“. Avšak v OFDM sa častejšie používajú viacstavové modulácie. V tomto prípade QPSK, 16-QAM, 64-QAM zobrazené na
obr. 15. Výhodou viacstavových modulácií je vyššia prenosová rýchlosť a zvýšenie
spektrálnej účinnosti systému. Nevýhodou je vyššia citlivosť na SNR, a teda je potrebné
zabezpečiť dostatočnú veľkosť SNR.
Komplexnú obálku, tj. vysielaný signál v základnom pásme dostávame použitím
inverznej rýchlej Fourierovej transformácie IFFT. Výstupom IFFT sú časové vzorky
komplexnej obálky so vzorkovacou periódou T. Perióda T sa mení podľa šírky pásma
použitého signálu. Časové vzorky z jednej IFFT transformácie tvoria užitočnú časť
OFDM symbolu Tu. Ešte pred preložením na vysielaciu frekvenciu sa do OFDM symbolu pridáva ochranný interval [13].
4.2.4 Ochranný interval
Vkladanie ochranného intervalu je jedna z možností na zníženie vplyvu ISI pri
mnohocestnom šírení sa signálu. Zámerným predlžovaním symbolu o dobu ochranného
intervalu predchádzame neskorším detekčným chybám prijímača. Totiž v dobe, keď
ešte na prijímač dochádzajú odrazené (oneskorené) signály, prijímač nedetekuje nič (iba
ochranný interval priamej vlny). Od veľkosti ochranného intervalu závisí aj následné
rozloženie vysielačov v sieti (viď tab. 1). Obr. 16 znázorňuje spôsob uloženia ochranného intervalu v OFDM . Jeden symbol je vysielaný s trvaním TS. Trvanie TS sa skladá
z dvoch častí a to užitočná časť TU a ochranný interval ∆ (GI). Na obr. č.16 pozorujeme
aj možnú zmenu dĺžky (veľkosti) ochranného intervalu od 1/4 TU až po 1/32 TU. Zmenou ochranného intervalu sa mení aj celková dĺžka trvania celého symbolu TS.
43
FEI
KEMT
Tu
∆
och. interval
Užitočný OFDM symbol
1/4
Ts (ča s [s])
1/8
1/16
1/32
Obr. 16 Možnosti dĺžky ochranného intervalu v OFDM
4.2.5 Nosné TPS (Transmission Parameters Signaling)
TPS používame z dôvodu signalizácie. Pri OFDM móde 2k sú 17, pri 4k 34 a pri
8K až 68. TPS obsahujú informácie o type zvolenej digitálnej modulácie, o tom či je
prenos hierarchický, o kódovom pomere vnútorného kódera, o OFDM móde (2k, 4k,
8k), číslo OFDM framu v super-frame.
Posledným krokom pred vyslaním je zosilnenie vytvoreného PSK alebo QAM
modulovaného signálu. Zosilnenie sa vykonáva prostredníctvom výkonového zosilňovača vysielača HPA (high power amplifier). Po zosilnení je signál vysielaný do okolia
pomocou vysielacej antény vysielača.
4.3 Spracovanie dátového toku v DVB- H prijímači
Signál po prechode rádiovým kanálom mení svoju kvalitatívnu úroveň, avšak nikdy nie k lepšiemu. Poveternostné podmienky a hustá zástavba majú negatívny vplyv na
kvalitu prijímaného signálu. V takýchto prípadoch divák ocení všetky bloky ochranných
kódovaní či prekladaní aj keď o nich často ani netuší.
44
FEI
KEMT
Blokovú schému prijímača znázorňuje obr. 17. Prijímač pozostáva z DVB-H de-
modulátora a DVB-H terminálu. DVB-H demodulátor obsahuje bloky DVB-T demodulátora, Time Slicingu a doprednej ochrany MPE-FEC.
kontrola stavu batérie
DVB-T signál
RF vstup
Time Slicing
DVB-T demodulátor
EN 300 744
2k, 8k
IP
datagramy
DVB-H
Terminál
MPE-FEC
4k, TPS
TS pakety
DVB-H Demodulátor
Obr. 17 Schéma DVB-H prijímača [12, 15]
Princíp funkcie DVB-T demodulátora spočíva v tom, že spätne získava transportný
tok z vysokofrekvenčného signálu. Blok Time Slicingu šetrí batériu a vykonáva tzv.
spojitý handover. Podľa informácií v nosných TPS sa do činnosti zapája aj MPE-FEC,
ktorý spätne dekóduje prijímaný signál. DVB-H terminál prijímané IP pakety spracováva podľa presne opačného postupu, a takto dekódované ukladá do vyrovnávacej pamäte
[12, 15].
45
FEI
KEMT
5 Budúcnosť digitálnej televízie v príručných zariadeniach
Systém DVB-H je perspektívny projekt, sláviaci používateľský úspech najmä
v Európe. V ostatných častiach sveta sa vysokým tempom vyvíjajú iné formy podobnej
komunikácie. DMB (Digital Multimedia Broadcast) je skratka pre súperiaci štandard,
ktorý vznikol zo systému digitálneho pozemského rozhlasu T-DAB (Digital Audio Broadcast) a je využívaný hlavne v Južnej Kórei. Japonci majú 1seg a americký telekomunikačný gigant, Qualcomm, ohlásil vývoj a príchod svojho vlastného systému zvaného
Media FLO (Forward Link Only), ten je však pod silným konkurenčným tlakom DVBH. Nasledujúca tab. 8 porovnáva vybrané technické parametre dvoch podobných systémov. Pri porovnaní oboch systémov treba podotknúť, že technické parametre nie sú až
také vzdialené. Vzhľadom k tomu, že na Slovensku aj v Českej Republike sa zaviedol
systém DVB-T, tak v budúcnosti môžeme očakávať zavedenie DVB-H (vzhľadom na
chýbajúcu infraštruktúru nie je pravdepodobné zavedenie DMB).
V Európe (2006) prebehlo hlavné testovanie a overovanie možností systému DVBH (testovanie na výstave Invex 2006 v Brne firmou Český Telecom a na Slovensku bol
systém lokálne predvedený firmou Elti zo Slovinska na konferencii CERD 2006 v Bratislave). V olympijskom Turíne prebehlo skúšobné vysielanie, kde multiplex obsahoval
osem talianských TV programov a šesť rozhlasových staníc. Počas majstrovstiev sveta
vo futbale, FIFA 2006 v Nemecku, bola spustená skúšobná sieť DVB-H v štyroch mestách (Berlín, Hamburg, Hannover a Mníchov). Na Slovensku v roku 2010 vydal TÚSR
povolenie pre prvý stály DVB-H vysielač na žiadosť Žilinskej Univerzity, povolenie
platí do konca roku 2012.
V roku 2008 Európska komisia schválila pridanie DVB-H do zoznamu oficiálnych
noriem EÚ. V tom istom roku boli očakávania také, že mobilná televízia by mohla do
roku 2011 dosiahnuť objem trhu vo výške 20 miliárd EUR a sledovanosť takmer 500
miliónov divákov na celom svete [18]. Možno aj túto oblasť zasiahla finančná kríza a
v krajinách ako Nemecko, Rakúsko alebo Maďarsko tento systém neslávil úspech
a mobilný operátori postupne služby stiahli z trhu. Pre zaujímavosť by azda bolo vhodné uviesť porovnanie popularity televízie do mobilov v Japonsku. Už v roku 2007 malo
Japonsko 20 miliónov používateľov mobilnej TV 1seg, čo je číslo, ktoré Európa, vzhľadom na počet obyvateľov, mala dosiahnuť dávno.
46
FEI
KEMT
DVB-H
DMB
Pôvodná technológia
DVB-T
T-DAB
Možnosť kombinovaného mul-
Áno, s DVB-T
áno, s T-DAB
Pásmo
UHF, L-pásmo
VHF, L-pásmo
Šírka pásma (jeden multiplex)
5 6 7 alebo 8 MHz
1,712 MHz
Celkový dátový tok multiplexu
až 13 Mb/s
až 1,3 Mb/s
obvykle 4 Mb/s
obvykle 1 Mb/s
Komprimačný formát
prenos na IP vrstve, pr. MPEG-4
iba MPEG-4
Kapacita multiplexu
10 TV / 0 R
3 TV / 0 R
(možné počty TV/R kanálov
8 TV / 6 R
2 TV / 3 R
v multiplexe)
0 TV / 40 R
1 TV / 6 R
Uvedenie systému do prevádz-
Taliansko 2006, Nemecko 2006
Južná Kórea 2005,
tiplexu
ky, v zahraničí
Pripravované GSM terminály
Francúzko 2006
Samsung SGH-P910,
Samsung SGH-P910, LG V9000
Nokia N92, LG U900
Ďalšie informácie
www.dvb-h-online.org
www.worlddab.org
Tab. 8 porovnanie vybraných parametrov systémov DVB-H a DMB [2]
Koncom roka 2008 bola sformovaná skupina so zámerom, preveriť potenciál druhej generácie mobilnej televízie DVB-H2 ako nástupcu DVB-H, ale projekt bol neskôr
pozastavený.
V roku 2009 boli vymedzené požiadavky pre nástupcu DVB-H a zavedením DVBT2 do prevádzky sa celý proces vývoja novej generácie mobilnej televízie obnovil, tentoraz už s výrazne rýchlejším tempom.
DVB-NGH (Next Generation Handheld) bude univerzálnejší štandard ako jeho
predchodca. Prebral mnohé technické inovácie od DVB-T2, ako rozšírená modulácia
OFDM, najnovšie poznatky z digitálnych modulácií (napr. pootočenie konštelácie
QAM modulácie) alebo zamenené pôvodné kódovacie algoritmy za iné, v minulosti
považované za komplikovanejšie, v súčasnosti už prebádanejšie. Prvé zariadenia podporujúce technológiu NGH by sa mali objaviť na trhu už v roku 2013.
47
FEI
KEMT
6 Návrh simulácie DVB-H
DVB_H.m je skript, písaný v programe MATLAB, verzii R2008b a je súčasťou
diplomovej práce. Simuluje spracovanie a prenos DVB-H signálu, následný príjem
a opätovné spracovanie. Má slúžiť na ukážku vplyvu nastavení kódovania, výberu modulácie a iných parametrov, a tým pomôcť lepšie pochopiť problematiku terestriálneho
prenosu. Súčasťou skriptu je grafické rozhranie tzv. GUI (Guest User Interface), obr.
19, čo by malo zjednodušiť prácu so skriptom každému užívateľovi. Zdrojový kód je
priložený ako príloha na CD nosiči.
Skript simuluje všetky procesy, opísané v predchádzajúcich kapitolách, ktoré sú
aplikované vo vysielači tzn. kanálové kódovanie, OFDM modulácia a prenos kanálom.
Po prijatí signálu sa spúšťa inverzný proces, a síce OFDM demodulácia a kanálové dekódovanie. To znamená, že ak Reed-Solomonovo kódovanie bolo vo vysielači aplikované ako prvé kódovanie, tak v prijímači bude posledné. Na záver program vykreslí
tabuľku s BER hodnotami a graficky alebo zvukovo znázorní vplyv šumu. Graficky
alebo zvukovo preto, pretože skript spracováva buď statické obrazy (*.jpg, *.bmp formát) alebo zvukové súbory (*.wav formát). Spracovanie a prenos videa, vzhľadom na
veľkosť a hardvérové vybavenie, ako aj pre náročnosť naprogramovania a časovú tieseň, skript nedokáže simulovať. Ale je predpripravený pre možné modifikácie
v budúcnosti.
Poznámka:
Spracovanie videa by bolo hlavne časovo náročné. Len pre informáciu, aby sme si
vedeli predstaviť časovú náročnosť spracovania videa, uveďme príklad:
Spracovanie jedného statického obrazu veľkosti 170x118 trvá približne 90 až 120
sekúnd (záleží od nastavenia kódovacieho pomeru). Spracovanie videa v trvaní 1 sekundy (norma pre video je 25 snímok za sekundu, pri formáte 170x118 obr. 18) by potom trvalo od 37 až 50 minút. Treba pripomenúť podstatný fakt, že tento hrubý výpočet
uvažuje čierno-bielu snímku a čierno-biele video. Pri farebných variantoch sa celý proces predĺži trojnásobne.
48
FEI
KEMT
Obr. 18 Ukážka veľkosti formátu 170x118
6.1 MATrix LABoratory
MATLAB je interaktívne programové prostredie a skriptovací programovací jazyk. Názov matrix laboratory môžeme voľne preložiť ako maticové laboratórium. Preklad napovedá, že hlavnou dátovou štruktúrou sú matice a vektory. Program MATLAB
je produktom spoločnosti MathWorks. Pôvodne bol určený pre matematické účely, ale
časom sa rozšíril o rôzne funkcie a jeho použitie tak zaberá širokú škálu aplikácií, od
najzákladnejších výpočtov, až po najzložitejšie ekonomické a matematické algoritmy.
Aj v súčasnosti je tento program vyvíjaný a najnovšia verzia vyšla v roku 2011 pod
skratkou R2011b.
MATLAB zvláda zložité maticové výpočty, vykresľovanie 2D a 3D grafov, počítačovú simuláciu, analýzu, vytvorenie užívateľských rozhraní a mnoho ďalších aplikácií. V súčasnosti má MATLAB mnoho užívateľov po celom svete, predovšetkým z rád
vedecko-technických pracovníkov, študentov a zamestnancov vysokých škôl. Je využívaný pre vedecké a výskumné účely a to ako v súkromnom sektore tak aj
na akademických pôdach. Hlavnou oblasťou jeho využitia sú technické odbory
a ekonomika.
49
FEI
KEMT
7 GUI, činnosť programu a výsledky
Kapitola je zameraná na opis GUI a v závere sú spomenuté dosiahnuté výsledky
simulácií.
7.1 Opis dialógu s užívateľom
Program komunikuje s užívateľom prostredníctvom užívateľského rozhrania, zobrazeného na obr. 19. Hlavné okno užívateľského prostredia sa skladá z ôsmich menších
panelov. Užívateľ vyberá z možností, ktoré GUI ponúka. Po zadaní, označení hodnôt si
prekontrolujme ešte raz všetky panely, či sme niektorý z nich neprehliadli, nezabudli
vyplniť, pretože v takom prípade po stlačení tlačidla start MATLAB vypíše chybu.
V nasledujúcich podkapitolách si predstavíme jednotlivé panely.
Obr. 19 Grafické rozhranie, GUI
7.2 Panel input data
Uvedený panel ponúka na výber z dvoch možností, a to image a audio. Možnosť video nieje zatiaľ funkčná, ale je zaradená na paneli pre prípad, že v budúcnosti sa
spomenuté problémy vyriešia.
V paneli input data sa jedná o výber typu spracovávaných dát. Po zakliknutí možnosti image sa program neopýta na cestu k cieľovému súboru ihneď, ale až po spustení
50
FEI
KEMT
voľby start. Možnosť image predstavuje prácu so statickými obrazmi vo formátoch
*.bmp alebo *.jpg. Pre voľbu audio sa proces opakuje, len s tým rozdielom, že vstupné
dáta tvoria zvukové stopy vo formáte *.wav.
7.3 Panel code rate
Veľmi dôležitý panel, ktorý udáva s akým kódovým pomerom bude konvolučný
kóder pracovať (viď 4.2.2 časť vnútorné kódovanie). Od hodnoty code rate priamo závisí čas a kvalita spracovávania. Totiž, pri hodnote 1/2 trvá celý proces najdlhšie (zároveň najkvalitnejšie) a pri 7/8 najkratšie (najnekvalitnejší prenos). Preto optimálne hodnoty, tvoriace prijateľný pomer medzi rýchlosťou a kvalitou, sú 2/3 a 3/4 (tab. 5 v 4.2.2
časť vnútorné kódovanie).
7.4 Panel channel
Panelom channel určujeme typ prenosového kanála. Máme na výber singlepath
(jednocestný) alebo multipath (viaccestný).
Do jednocestného prenosového kanála je pridávaný
tzv. biely šum, AWGN.
AWGN je špeciálnym druhom šumu. Má nulovú strednú hodnotu, ploché spektrum a
jeho amplitúdy sú rozložené podľa Gaussovej krivky pravdepodobnosti. Jeho úlohou je
nepriaznivo pôsobiť na pôvodný signál, a tak simulovať reálny jednocestný kanál. Miera negatívneho pôsobenia AWGN šumu na kvalitu prenášaného signálu priamo súvisí
s hodnotou Eb/N0, ktorá sa dosadzuje do vzorca pre výpočet SNR. A na základe pomeru
SNR sa modeluje správanie sa prenosového kanála.
Viaccestný prenosový kanál pracuje s tzv. Rayleigho rozdelením funkcie hustoty
náhodnej premennej. Tento model je tiež vhodný pre husto zastavané mestské prostredie. V takomto prostredí existuje veľa objektov, prekážok rozptyľujúcich rádiový signál. Používa sa pre prípady, keď medzi vysielačom a prijímačom nie je priama viditeľnosť (NLOS – Non Light-of-sight) alebo je priamy signál veľmi slabý.
51
FEI
KEMT
7.5 Panel modulation
Dôležitosť výberu vhodnej digitálnej modulácie, jej typu a počtu stavov na nosnú,
hrá hlavnú rolu najmä z hľadiska kvality prenosu. K dispozícii sú tri možnosti,
s ktorými systém DVB-H skutočne pracuje. QPSK, 16-QAM a 64-QAM.
QPSK predstavuje optimálny kompromis medzi spektrálnou a výkonovou účinnosťou. Na jednu bitovú dvojicu, dibit pripadá jeden signálový prvok, teda dokopy štyri
možné stavy nosnej vlny. QPSK je odhadom 4 až 5 krát odolnejšia, voči šumu v pozadí,
ako modulácia 64-QAM.
QAM priraďuje každému signálovému prvku určitú kombináciu núl a jedničiek.
Pri 16-QAM je signálový prvok kódovaný štyrmi bitmi tzn. 24 = 16 kombinácií, 16
možných stavov nosnej vlny.
64-QAM používa o niečo rozšírenejšie kódovanie 26 = 64 kombinácií = 64 možných stavov nosnej vlny. Pre spoľahlivé spracovanie potrebuje modulácia 64-QAM
o cca 3 až 4 dB vyšší odstup C/N ako modulácia 16-QAM.
Poznámka:
Pomer signál-šum na vstupe prijímača sa najčastejšie označuje symbolom
C/N (Carrier to Noise), zatiaľ čo symbol S/N, SNR (Signal to Noise) značí pomer
signál-šum za demodulátorom [19]
Postup pri voľbe digitálnej modulácie je nasledovný: zaklikneme typ modulácie
QPSK alebo QAM, následne vymažeme políčko number of states (počet stavov modulácie) a doplníme tam počet stavov podľa toho, pre ktorú moduláciu sme sa rozhodli. Číslo 4 pre QPSK, číslo 16 pre 16-QAM a číslo 64 pre 64-QAM. Nad políčkom number of
states sa nachádza statický text, ktorý pri nevedomosti poradí.
7.6 Panel viterbi algorithm
Viterbiho algoritmus je jeden z často aplikovaných algoritmov na spätné dekódovanie konvolučných kódov. Ideálny Viterbiho dekóder by mal vedieť pracovať
s nekonečne presnými číslami, ale v praxi sa stretávame s jedným alebo viacerými bitmi, hlavne kvôli zjednodušeniu dekódera.
52
FEI
KEMT
Preto aj na tomto paneli máme možnosť vybrať si spôsob dekódovania. Hard
a soft. Takže, ak predpokladáme prácu s iba dvoma úrovňami „0“ a „1“, tak používame
tzv. tvrdé dekódovanie, hard. Ak budeme pracovať s viac ako dvoma úrovňami, zvolíme formu mäkkého rozhodovania, soft.
7.7 Panel OFDM
V predchádzajúcich kapitolách je spomenutý princíp, prínos OFDM a popísané typy OFDM. Na tomto paneli už iba zaklikneme požadovaný režim 2k, 4k alebo 8k.
V DVB-T sa 2k používa pre mobilný príjem a 8k pre statický. V DVB-H predstavuje
mód 4 kompromis medzi kvalitou a dostatočnou bitovou rýchlosťou.
7.8 Panel Eb/N0 (dB)
Zmenou pozície kurzora v posunovacom okienku „slider“ nastavujeme hodnotu
Eb/N0. Možný rozsah posunu je od 0 dB až 15 dB, s krokom 0.15 dB. Eb/N0 je definovaný ako pomer spektrálnej výkonovej hustoty šumu N0, k energii užitočného signálu
Eb, k energii pripadajúcej na jeden prenášaný bit. Pomer Eb/N0 je v niektorých literárnych prameňoch nazývaný aj normovaný pomer signál/šum. Opačný pomer týchto
dvoch veličín označujeme ako energetická účinnosť ηe.
7.9 Výsledky
V šiestej kapitole je spomenuté, že program pracuje so zvukovými stopami a so
statickými obrazmi. Z uvedeného dôvodu bude podkapitola 7.9 rozdelená na dve časti.
V prvej predstavíme výsledky po spracovaní obrazu a následne uvedieme výsledky zo
zvukovej analýzy. Simulácie boli vykonané na pc IBM ThinkPad T61 (CPU 1,8GHz,
RAM 2GB, OS Windows XP Profesional) v programe MATLAB, verzia R2008b.
53
FEI
KEMT
7.9.1 Spracovanie obrazu
Podmienky pre všetky merania boli rovnaké, menilo sa iba nastavenie hodnoty code rate, a to z toho dôvodu, aby sme videli rozdiel v kvalite a rýchlosti spracovávaného
obrazu.
Podmienky nastavené v GIU :
input data - image
channel - singlepath
modulation - 16QAM
viterbi algorithm - hard
OFDM – 4k
Eb/N0 - 9dB (SNR= 15.02)
Výsledky sú graficky zobrazené na obr. 20.
original
cr=1/2,
BER=0.21%
T = 1:07.31 sec
cr=3/4,
BER=5.01%
T = 0:39.02 sec
cr=5/6,
BER=12.53%
T = 0:34.53 sec
cr=2/3,
BER=1.03%
T = 0:46.69 sec
cr=7/8,
BER=44.77%
T = 0:32.16 sec
Obr. 20 Porovnanie výsledkov simulácie programu pre obraz (hodnota BER je po Viterbiho dekódovaní, cr-code rate, T- doba trvania výpočtov)
Z obr. 20 je zrejmé, že nastavenie kódovacieho pomeru (code rate) hrá najdôležitejšiu úlohu spomedzi všetkých ostatných nastavení a najviac vplýva na kvalitu výsledku.
54
FEI
KEMT
7.9.2 Spracovanie zvuku
Podmienky pre všetky merania boli opäť rovnaké, menilo sa iba nastavenie hodnoty code rate, a to z rovnakého dôvodu ako v predchádzajúcom prípade. Zvukovú nahrávku, v trvaní jednej sekundy, môžeme graficky zobraziť len v podobe časového priebehu akustického signálu. Program funguje tak, že najprv prehrá pôvodnú ukážku, potom poškodenú a nakoniec vykreslí grafy (viď obr. 21).
Podmienky nastavené v GUI:
input data - image
channel - singlepath
modulation - 16QAM
viterbi algorithm - hard
OFDM – 4k
Eb/N0 - 9dB (SNR= 15.02)
Výsledky simulácií sú na obr. 21.
Na grafoch, obr. 21, je znázornený časový priebeh zvukovej nahrávky. Pozorujeme zmenu vo veľkosti amplitúd (prejav šumu), na niektorých miestach počas celej doby
trvania nahrávky. So zvyšovaním kódovej rýchlosti sa v priebehu postupne objavuje
čoraz viac nových impulzov prejavujúcich sa v nahrávke ako praskanie. V poslednom
prípade bola celá vzorka zašumená do takej miery, že jej obsah bol sotva zrozumiteľný.
55
FEI
KEMT
cr=1/2
BER = 0.24%
T = 1:09.62 sec
original
cr=2/3
BER = 0.84%
T = 0:47.03 sec
cr=3/4
BER = 6.72%
T = 0:41.88 sec
cr=5/6
BER = 15.61%
T = 0:34.54 sec
cr=7/8
BER = 44.79%
T = 0:32.14 sec
Obr. 21
Porovnanie výsledkov simulácie programu pre zvuk (hodnota BER je po Viterbiho
dekódovaní, cr-code rate, T- doba trvania výpočtov)
56
FEI
KEMT
8 Výučbová prezentácia
Súčasťou zadania je vytvorenie prezentácie, použiteľnej ako výučbový materiál.
Prezentácia kopíruje líniu obsahu diplomovej práce, tzn. začína stručným opisom digitálnej TV, pokračuje základnými poznatkami ohľadom DVB-T, DVB-T2 a nasleduje
podrobnejší opis DVB-H. V závere je spomenuté smerovanie DVB-H do budúcnosti.
Prezentácia je súčasťou elektronickej prílohy diplomovej práce.
8.1 Prehľad stránok prezentácie
1
Úvodná strana (názov, meno)
2
Obsah prezentácie
3a4
Digitalizácia signálu (PCM, Coder/Decoder)
5 až 7
Digitálna televízia (výhody, nevýhody)
8a9
DVB-H (cieľ projektu, požiadavky)
10 až 19 DVB-T (predstavenie, výhody, nevýhody, stručný opis
modulátora)
20 a 21 DVB-T2 (predstavenie, komparácia technických parametrov
s DVB-T)
22 až 47 DVB-H (inovácie oproti DVB-T, opis enkapsulácie, MPE-FEC, Timeslicing, opis procesu spracovávania signálu v DVB-H vysielači, predstavenie blokov zdrojového kódovania a kanálového kódovania, digitálne
57
FEI
KEMT
modulácie a OFDM. Zosilnenie a vysielanie signálu,
DVB-H demodulátor - schéma )
.
48 až 52 Budúcnosť DVB-H (DVB-H2, DVB-NGH)
53 a 54 Použitá literatúra
55
Ďakujem
58
FEI
KEMT
9 Záver
V rámci diplomovej práce bol detailnejšie opísaný štandard DVB-H a okrajovo
spomenutý aj systém DVB-T. Ďalej bola navrhnutá simulácia vytvorenia, prenosu
a príjmu digitálneho signálu v programe MATLAB v podobe užívateľsky pohodlného,
grafického rozhrania GUI. Súčasťou záverečnej práce je prezentácia, ktorá má tiež slúžiť ako edukačný materiál.
Kapitoly 1 až 3 opisujú digitálnu televíziu, štandardy DVB-T a T2. Majú za cieľ
informovať čitateľa o problematike spracovania signálu v blokoch DVB-T modulátora.
Kapitoly číslo 4 a 5 tvoria jadro práce a sú venované štandardu DVB-H, približujú význam a činnosť jednotlivých blokov a smerovanie vývoja mobilnej televízie do
budúcnosti. Nasledujúce dve kapitoly pojednávajú o vytvorenej simulácii
a dosiahnutých výsledkoch. Prácu uzatvára kapitola 8, kde je stručne opísaný obsah
výučbovej prezentácie.
Prevedená simulácia vytvorenia, prenosu a spracovania signálu, nám poskytla
komplexnejší pohľad na problematiku vplyvu šumu na kvalitu prenášaného obsahu.
Predsa je lepšie vidieť komparáciu pôvodnej fotky s poškodenými, než o tom niekoľkokrát čítať alebo počuť. Taktiež zo simulácií vyplýva, že nastavenie kódovacieho pomeru
v konvolučnom kóderi hrá nezanedbateľnú rolu pri nastavení DVB-T modulátora. Samozrejme, aj voľba ostatných nastavení je dôležitá. Dokáže zvýšiť intenzitu signálu
v mieste príjmu o niekoľko dB alebo zvýšiť odolnosť signálu voči šumu, žiaľ to všetko
na úkor prenosovej kapacity systému.
Štandard DVB-H bol vyvíjaný ako perspektívna služba avšak po nasadení do prevádzky nenaplnil predstavy a možno len očakávania boli príliš vysoké. Ďalšia generácia
bude komplexnejšia a určite sa vyhne nedostatkom svojho predchodcu.
Môžeme len hádať kedy a či vôbec sa slovenskí mobilní operátori rozhodnú ponúknuť túto zaujímavú službu na náš trh. Vzhľadom na veľkosť resp. malosť trhu
a kúpyschopnosť slovenského obyvateľa sa vyhliadky týmto smerom zdajú byť skôr
hudbou budúcnosti.
59
FEI
KEMT
Zoznam použitej literatúry
[1] ŽALUD, V., DOBEŠ J.: Moderní rádiotechnika, BEN – technická literatúra, Praha: 2006, 767s. ISBN 80-7300-132-2.
[2] LEGÍŇ, M.: Televízní Technika DVB-T, BEN, Praha: 2006, 286s. ISBN 807300-204-3.
[3] KRATOCHVÍL, T.: Standardy DVB pro zemské digitální televizní vysílání a mobilní televizi. Sdělovací technika, 2009, roč. 2009, č. 3, s. 3-7. ISSN: 0036- 9942
[4] KRATOCHVÍL, T.; PROKEŠ, A.; ŠEBESTA, J.: Standardy DAB a DMB pro
zemské digitální rozhlasové vysílání. Sdělovací technika, 2009, roč. 2009, č. 6, s.
3-9. ISSN: 0036- 9942.
[5] PROKOPEC, J.; KRATOCHVÍL, T.: Testování vlastností mobilních terminálů
pro DVB- H. Sdělovací technika, 2009, roč. 2009, č. 5, s. 16-19. ISSN: 00369942.
[6] POLÁK, L.; KRATOCHVÍL, T.: DVB-T/ H Digital Television Transmission and
its Simulation over Ricean and Rayleigh Fading Channels. Elektrorevue - Internetový časopis (http://www.elektrorevue.cz), 2010, roč. 2010, č. 74, s. 1-7. ISSN:
1213- 1539.
[7] ŘÍČNÝ, V.; KRATOCHVÍL, T.: Základy televizní techniky. Brno: VUT, 2002.
178 s. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií.
[8] DOBOŠ, Ľ.: Základy rádiových komunikácií: 2. Prednáška z predmetu Mobilné
technológie
a
služby,
[online],
Október
2010,
Dostupné
na:
<ftp://kemt.fei.tuke.sk/KEMT524_MKS/_materialy/Prednasky/03%20Základy%2
0rádiových%20komunikácií.ppt>.
[9] HANUS, S.: Bezdrátové a mobilní komunikace, Vysoké učení technické v Brně,
2003, ISBN 80–214–1833–8.
[10] SKLAR, B.: Digital communications: fundamentals and applications, PrenticeHall PTR 2001, ISBN 013-084-7887.
[11] Marchevský S.; Pillár S.; Hrušovský B.: Satelitné technológie a služby, Výučbové
materiály. Košice: FEI, 2010. 226 s.
[12] ETSI EN 302 304 V1.1.1 (2004-11), Digital Video Broadcasting (DVB); Transmission System for Handheld Terminals (DVB-H).
[13] ETSI EN 300 744 V1.6.1 (2009-01), Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television.
[14] ETSI EN 301 192 V1.4.1 (2004-06), Digital Video Broadcasting (DVB); DVB
specification for data broadcasting.
[15] ETSI TR 102 377 V1.4.1 (2009-06), Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-H
Implementation Guidelines.
60
FEI
KEMT
[16] ETSI EN A133 (2012-02), Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation
guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2).
[17] DVB Fact Sheet (2012-02), 2nd Generation Terrestrial The World’s Most Advanced Digital Terrestrial TV System.
[18] Europa Press: Mobile TV across Europe: Commission endorses addition of DVBH to EU List of Official Standards [online]. [cit. 25.4.2007]. Dostupné z <
http://europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=IP/08/451&format=HT
ML&aged=1&language=EN&guiLanguage=en>.
[19] PÄTZOLD, M.: Mobile fading channels, John Wiley &Sons,Ltd., Chichester,
2002, ISBN 0471-49549-2.
[20] LITWIN, L.; PUGEL, M.: The principles of OFDM [online]. [cit. 25.4.2007].
Dostupné na: <http://rfdesign.com/images/archive/0101Puegel30.pdf>
[21] HARA, S., PRASAD, R.: Multicarrier techniques for 4G mobile communications.
3rd ed. Artech House, 2003. 231 s. ISBN 1-58053-482-1.
[22] BAHAI, A. R. S.; SALTZBERG, B. R.; ERGEN, M.: Multi-Carrier Digital
Communication: Theory and Applications of OFDM. 2nd ed. New York:
Springer Science+Business Media, Inc., 2004. 407 s. ISBN 0-387-22575-7.
[23] WITTROCK, C.: The status of Digital Terrestrial Television [online]. [cit.
25.4.2007]. Dostupné na: <http://www.protelevision.com/pdf/dvbtvs8.pdf>.
[24] DVB-H – Transmission System for Handheld Terminals. [online]. [2005] [cit.
2007-05-18]. Dostupné na: < http://www.dvb-h.org/technology.htm>.
[25] Straka, T.: Televize v kapse, [online]. [cit. 25.4.2007]. Dostupné na:
<http://wwwdigitalnitelevize.cz/magazin/obecne/dvb-h/televize-vkapse.html?retezec=dvb-h >
61
FEI
KEMT
Prílohy
Príloha A:
CD médium - diplomová práca v elektronickej podobe vo formáte pdf
a doc, pod názvom DP_Robert_Toma. Súbory pre spustenie simulácie
komprimované vo formáte rar, pod názvom DP_Robert_Toma_matlab
a výučbová prezentácia vo formáte ppt, DP_Robert_Toma_prezentacia.
62
Download

DVB-H, teória a prax. Výučbové materiály