Osnova přednášky. Pozemské vysílání digitálního rozhlasu a televize, interaktivita, konvergence. Digitální modulace. Digitální modulace

Transkript

1 Osnova přednášky Pozemské vysílání digitálního rozhlasu a televize, interaktivita, konvergence Ing. Karel Ulovec ČVUT, Fakulta elektrotechnická xulovec@eld.cvut.cz Tato prezentace slouží jako pomůcka pro studenty předmětu. Žádné jiné využití (zveřejňování, kopírování, apod.) není povoleno bez projednání s autorem! Osnova přednášky Pozemské vysílání digitálního rozhlasu a televize (DVB-T, T-DAB, DRM), Interaktivita v bezdrátové komunikaci a konvergence systémů Digitální modulace OFDM Princip Spektrum Ochranný interval Vlastnosti Pilotní symboly COFDM Pozemské vysílání digitální televize DVB-T Pozemské vysílání digitálního rozhlasu T-DAB a DRM Interaktivita, konvergence I. /33 I. 2/33 Digitální modulace Digitální modulace QAM Digitální modulace Digitální modulace s jedinou nosnou vlnou Signál nabývá stavů z konečné množiny (stavy modulace, počet stavů M = 2 b ) Měnit lze kmitočet ωn (FSK Frequency Shit Keying), amplitudu An(ASK Amplitude Shit Keying), ázi φ n (PSK Phase Shit Keying), či kombinace předchozího: j[ ωnt +Φn ( t )] sn( t) = An ( t) e ASK FSK QPSK (M = 4, b = 2) 6QAM (M = 6, b = 4) Kvadraturní modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Signál tvořen dvěma kvadraturními složkami I (Inphase - cosinus) a Q (Quadrature - sinus) IQ modulátor d (t) vstupní bitový tok sério-paralelní převod Digitální modulace I Q mapovací obvod d 2 (t) h M [ ] h M [ ] x Σ x s(t) PSK QPSK (Quaternary Phase Shit Keying) {-,} sin( ω t) c cos( ω t c ) 6-QAM ( a = ) {-3,-,,3} 64QAM (M = 64, b = 6) Neuniormní 6-QAM ( a = 2 ) {-4,-2,2,4} Stav je platný po určitou dobu doba symbolu T s Symbolová rychlost R s = / T s Jeden symbol je dán jedním či více vstupními bity (v obr. b bitů a M stavů) Bitová rychlost R b = b R s b = log 2 M Neuniormní 6-QAM ( a = 4 ) 64-QAM ( a = ) {-6,-4,4,6} {-7,-5,-3,-,,3,5,7} Neuniormní 64-QAM ( a = 2 ) {-8,-6,-4,-2,2,4,6,8} I. 3/33 I. 4/33

2 Digitální modulace spektrum h(t) T S.5 Digitální modulace Spektrum signálu (Spektrum udává jaké rekvence signál obsahuje a s jakou amplitudou napětí či častěji výkonu) Signál je tvarován tzv. modulačním impulsem (pokud není - obdélníkový modulační impuls) Spektrum je dáno modulačním impulsem (předpoklady: náhodná, stacionární data, lineární modulace bez paměti) Šířka pásma je určená symbolovou rychlostí R s = /T s Obdélníkový modulační impuls (časový průběh a napěťové spektrum) -2-2 T S t Η() /T S h(t) Modulační impuls se spektrem SqRRC.5.5 (časový průběh a napěťové spektrum) T S α =.9 Η() α =.9 α = TS /T S t.5 T S α =. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) N nosných vln Rozdělení dat do jednotlivých nosných dlouhé T s (N-krát oproti modulaci s jedinou nosnou vlnou) výhodné pro šíření s odrazy (menší rušení následujících symbolů) Nosné vlny bývají modulovány digitální modulací QAM Princip sada paralelních modulátorů Signál získán zpětnou Fourierovou transormací sériový tok paralelní tok N ( ) = s k xne N n= j 2πkn / N k N N- modulátor modulátor modulátor N- modulovaný signál I. 5/33 I. 6/33 Spektrum Signál a tedy i jeho spektrum je dán stavem všech nosných vln OFDM symbol (o délce T s ) = stav všech nosných vln po dobu trvání T s Časový průběh podobný šumu pro velká N (centrální limitní věta) Nosné vlny jsou ortogonální (maximum každé se překrývá s minimi všech ostatních) = /T s (v případě ochranného intervalu viz. dále, = /T u ) normovaný relativní výkon,8,6,4,2 B s = (N-) B s = (N+) = 2 + B s (N - ) s(k) s(k) Ochranný interval (Guard Interval) Další snížení vlivu odrazů (signál má čas doznít ) Dříve se vkládaly nulové vzorky, výhodnější je opakovat konec symbolu (využití při synchronizaci) L nulových.2 vzorků ochranný interval k Snižuje spektrální účinnost modulace a užitečnou přenosovou bitovou rychlost (v GI se buď nevysílá a nebo opakuje jindy vysílaná inormace) v poměru: Lu Lu Tu Tu = = = L L + L T T + T s u g T délka ochr. intervalu o L g vzorcích, T s = T u + T, T/T u např. /4, /8, /6, /32 s(k) s(k) s ochranný interval (cyklické prodloužení) u k L g vzorků I. 7/33 I. 8/33

3 PK* VIEW Vlastnosti Výhodný tvar spektra s ohledem na využití rekvenčního pásma Odolnost proti rušení (úzkopásmové rušení) Odolnost proti vícecestnému šíření (dlouhý symbolový interval, ochranný interval) Jednorekvenční sítě SFN (Single Frequency Network) - synchronizace z GPS Šumový charakter Vysoký poměr špičkové hodnoty výkonu oproti střední hodnotě Spektrum signálu Re -5 dbm SWP 5 o Center 8 MHz *Att 2 db * RBW 3 khz VBW khz SWT 2.7 s 2.4 MHz/ Marker [T] -25. dbm 8. MHz Span24MHz B I. 9/33 Úzkopásmové rušení celkové užité rekvenční pásmo amplituda jednotlivá podpásma Časový průběh signálu rekvence Pilotní symboly Umožňují synchronizaci, odhad stavu kanálu (a následnou ekvalizaci) celkové užité rekvenční pásmo amplituda jednotlivá podpásma rekvence Nejsou modulovány užitečnými daty stav symbolu je v přijímači známý a je porovnáván se skutečnou polohou přijatého stavu v konstelačním diagramu Obr. a) pilotní symboly na všech nosných opakující se po určité době Obr. b) kontinuální pilotní nosné vlny pouze na některých nosných nepřetržitě (continual) Obr. c) rozprostřené pilotní symboly na některých nosných, v některých časových okamžicích (scattered) Obr. d) kombinace I. /33 Ochrana kódováním COFDM (Coded OFDM) Snížení chybovosti přenosu (Bit Error Ratio) Samoopravovací dopředné kódy (Forward Error Correction) obvykle více úrovní (vnější, vnitřní) Prokládání (odstraňuje vliv dlouhých shluků chyb) také vnější, vnitřní Vysílací strana Vnější (např. Reed-Solomonův) kodér Cyklický kód, po bajtech, přidání řídících bajtů, opravit lze poloviční počet bajtů z počtu přidaných Vnější prokládání Vnitřní (např. konvoluční) kodér Po bitech, výstupní datový tok je násobně úměrný počtu větví (lze výběrem pouze některých bitů snížit) Kódový poměr udává počet bitů na vstupu / počet (vybraných) bitů na výstupu (např. /2) Vnitřní prokládání Přijímací strana Vnitřní zpětné poskládání Vnitřní Viterbiho dekodér Vnější zpětné poskládání Vnější Reed-Solomonův dekodér Ochrana kódováním COFDM (Coded OFDM) Příklady chybovostí BER (za vnitřním dekodérem = BEFORE RS, za vnějším dekodérem = AFTER RS; QEF (quasi error ree) BER = - ) I. /33 I. 2/33

4 DVB DVB-T Digitální televize DVB DVB (Digital Video Broadcasting) Vyvíjen od r. 99 Zdrojové kódování MPEG Audio Layer 2 (např. 92 kb/s) MPEG2 Video (např. 4 Mb/s) DVB-T (Terrestrial) Standard v r. 995 OFDM QPSK/6-QAM/64-QAM, systém s více nosnými vlnami 2 módy 2k se 75 a 8k s 687 aktivními nosnými vlnami, kanál 8 (7, 6, 5) MHz, hrubý datový tok až 32 Mb/s DVB-H upravená varianta pro mobilní zařízení (mobilní příjem, úspora baterií) DVB-S (Satellite) Standard v r. 993 QPSK, jediná nosná vlna, kanál 26 až 36 MHz, hrubý datový tok 55 Mb/s DVB-C (Cable) Standard v r , 32, 64, 28 nebo 256-QAM (64QAM koax, 256QAM optické vlákno), jediná nosná vlna, kanál 8 MHz, pro 64-QAM hrubý datový tok cca 4 Mb/s (pouze vnější ochranné kódování a prokládání) Vnější ochranné kódování Reed-Solomův kód (zkrácený cyklický kód, po bajtech) 88 vstupních a 24 výstupních bajtů, přidáno 6 kontrolních bajtů Opravit lze 6/2 bajtů (bez ohledu na počet chybných bitů v chybném bajtu) I. 3/33 I. 4/33 DVB-T DVB-T Vnitřní ochranné kódování Konvoluční kód (po bitech) Punkturování - vynechání některých výstupních bitů podle tzv. kódového poměru: /2 (robustní kódování, nejodolnější), 2/3, 3/4, 5/6 nebo 7/8 (nejvyšší užitečný datový tok) Mapování Stavy modulace všech nosných vln na komplexní čísla pro výpočet OFDM signálu Datové nosné vlny 64-QAM (nejvyšší užitečný datový tok), 6-QAM (nižší užitečný datový tok, odolnější) nebo QPSK (nejodolnější, nejnižší užitečný datový tok) Přenos obrazových, zvukových a případně doplňkových dat 52 v módu 2k a 648 v módu 8k Pilotní signály Nemodulované (s vyšším výkonem 6/9), 2 možné hodnoty áze a 8 st. (dle PRBS) Odhad stavu kanálu (reerence áze), AFC (rekvenční synchronizace) Nosné vlny se stálou pozicí (kontinuální, 45 v módu 2k a 77 v módu 8k) a nosné sloužící alternativně i jako datové nosné vlny (rozptýlené či rozprostřené), každá 2. (o 3 se posouvá) pozice TPS (Transmission Parameter Signalling) signály Modulovány DBPSK (dierenciální dvoustavová PSK) Inormace o modulaci datových nosných vln, o hodnotě ochranného intervalu, o zvolené hodnotě kódového poměru konvolučního kodéru, o vysílacím módu a o číslu rámce (v jednom symbolu nesou všechny TPS vlny stejnou inormaci bit TPS sekvence) 7 v módu 2k a 68 v módu 8k I. 5/33 I. 6/33

5 DVB-T DVB-T DVB-T nosné vlny OFDM Módy 2k (N = 75 nosných vln) a 8k (N = 687 nosných vln) v DVB-H také mód 4k Ochranný interval /4, /8, /6 nebo /32 Užitečná část T u = 224 µs v módu 2k a 896 µs v módu 8k (pro šířku kanálu 8 MHz) 68 symbolů = rámec (rame) 4 rámce = superrámec (superrame) I. 7/33 I. 8/33 DVB-T přenosové rychlosti DVB-T kmitočty, rozhlasové vysílání DVB-T Užitečné přenosové rychlosti v Mbit/s (8 MHz) modulace kód. poměr ochr. int. /4 ochr. int. /8 ochr. int. /6 ochr. int. /32 DVB-T kmitočty III. TV pásmo (74 až 23 MHz), IV. a V. TV pásmo (474 až 86 MHz) Šířka kanálu 8 MHz (IV. a V. TV p), 7 MHz (III. TV p.), 6 MHz, 5 MHz Šířka pásma signálu např. pro 8 MHz kanál B = (N-) = 7, MHz DVB-T rozhlasové vysílání Jako doplňková služba (mobilní příjem robustní kódování) Stereoonní rozhlasová služba - bitový tok 92, 256 nebo 384 kb/s Doprovodné datové služby Nejsou mobilní přijímače Porovnání spektra reálného signálu DVB-T se spektrem signálu zemské analogové TV analog. TV nosná nosné jasového zvuk. sig. sig. nosná barvonosného sig. I. 9/33 I. 2/33

6 T-DAB T-DAB kanály Digitální rozhlas DAB DAB (Digital Audio Broadcasting) Vývoj dokončen v roce 995 Zdrojové kódování MPEG Audio Layer 2 Vzorkovací kmitočet 24 nebo 48 ksa/s Bitový tok 8 až 384 (92) kb/s Mono, joint stereo, stereo, prostorový zvuk (po maticovém kódování do sterea) cca 6 programů (každý může mít jiné protichybové zabezpečení mobilní příjem, hrubý tok 2,4 Mbit/s) Prokládání (časové i kmitočtové) Konvoluční kódování s kódovým poměrem /4 až 4/5 (osm hodnot) OFDM DQPSK (dierenciální QPSK), jednorekvenční sít (SFN) 4 přenosové módy Lišící se délkou rámce (I 96 ms, II a III 24 ms, IV 48 ms), počtem nosných vln a délkou ochr. intervalu 2 vhodné pro zemské šíření T-DAB (Terrestrial-DAB) 536 (I) a 384 (II) nosných vln Data (související i nesouvisející s programem) Např. zpravodajství, počasí, dopravní inormace, jízdní řády Digitální rozhlas DAB DAB Typy kanálů Hlavní kanál MSC (Main Service Channel) Rychlý inormační FIC (Fast Inormation Channel) Pro data (konigurace MSC), podmíněný přístup, identiikace Nepoužívá prokládání Synchronizační I. 2/33 I. 22/33 T-DAB vhodné kmitočty DRM, DRM zdrojové kódování Digitální rozhlas DAB T-DAB vhodné kmitočty III. TV pásmo: 74 až 23 MHz, na obr. např. 2. TV k. Jeden blok má šířku,536 MHz (4 do TV kanálu) Určeno pro SFN, 536 nosných vln s odstupem khz (T u = / = ms),6,76,76,76,6 A 223,936 B 225,648 C 227,36 D 229, ,536,536,536,536 (MHz) Pásmo L 452 až 492 MHz Lokální programy, 384 nosných vln s odstupem 4 khz (T u = / = 25 µs) T-DAB 9 bloků LA až LI S-DAB DRM (Digital Radio Mondiale) Mezinárodní konsorcium digital radio mondiale Navazuje na rancouzský systém SkyWave 2 Vysílání v AM pásmech KV, SV, DV (rozhlas do 3 MHz) Standard 2 DRM zdrojové kódování Velmi účinné kompresní metody (8, 2, 72 kbit/s) MPEG4-AAC (Advanced Audio Coding) pro hudbu (mono, rozmítané stereo, stereo) vzorkovací kmitočet 2 nebo 24 ksa/s, tok 2 kb/s MPEG4-CELP (Code Excited Linear Prediction) nebo pro řeč vzorkovacíkmitočet 8 nebo 6 ksa/s, tok 4 až 2 kb/s, analýza a syntéza řeči MPEG4-HVXC (Harmonic Vector Excitation Coding) pro řeč vzork. kmitočet 8 ksa/s, tok 2 až 4 kb/s, parametrická analýza a syntéza řeči SBR (Spectral Band Replication), PS (Parametric Stereo) 452,92 467, (MHz) I. 23/33 I. 24/33

7 DRM zdrojové kódování - princip SBR DRM zdrojové kódování - Parametrické stereo DRM zdrojové kódování - princip SBR (Spectral Band Repliacation) Z porovnání spekter signálu před a po omezení šířky pásma pro MPEG kompresi postranní inormace o vyšších rekvencích, o obálce spektra (např. výrazné tóny; nebo naopak šum) Po dekódování MPEG + postranní ino = širší šířka (rekonstrukce tónů; generování šumu) Přenos dodatečných dat (na konci rámce) s velmi nízkým bitovým tokem (dierenciální modulace, Humanovo kódování) X() AAC SBR kodér 2 kb/s SBR data postranní inormace o vyšších rekvencích (časově/rekvenční popis) DRM zdrojové kódování - Parametrické stereo PS (Parametric Stereo) Současně se SBR (High Eiciency AAC v2, AAC+ v2) Stereo vjem na základě dodatečných inormací (na obr. princip) Dodatečná data (a převod na mono) v kodéru, rekonstrukce sterea v dekodéru ve rekvenční doméně (užívá se společná 64 kanálová BF pro AAC a SBR v kodéru i dekodéru) Pan (Panorama) rozdíl mezi L a P v závislosti na rekvenci SA (Stereo Ambience) rozšíření stereo-báze v závislosti na rekvenci (ozvěna) V dekodéru SA, pak Pan Zlomkový podíl celkového toku (dierenciální modulace, Humanovo kódování, typicky.2, max. 2.5 kb/s) Zpětná kompatibilita se staršími přijímači (PS data v rozšířené části, starší přijímače ji ignorují) X() 2 kb/s AAC + SBR dekodér X() mono kodér např kb/s mid = L + P side = L - P mono dekodér 6 khz 22 kb/s 5 khz PS analyzér typicky.2 kb/s PS generátor I. 25/33 I. 26/33 DRM kanálové kódování DRM přenosové módy, typy kanálů, kmitočty DRM kanálové kódování Prokládání Dlouhé 2 s nebo krátké 4 ms FEC (konvoluční kód, mnoho možností, např. 3/5) COFDM (9 až 46 nosných vln dle zvoleného módu, např. 9 khz při 24) Nosné vlny modulovány 6QAM nebo 64QAM (ne/hierarchicky), pro pomocné signály 6QAM nebo QPSK 3 reerenční kmitočty (75 Hz, 225 Hz a 3 Hz; s dvojnásobným výkonem) Šířka kanálu 9 nebo khz nebo poloviční (současný provoz analogového vysílání) anebo dvojnásobná (kvalitní stereoonní provoz) Časová reerence Označuje začátek rámce (reerenční OFDM symbol) Známé stavy na vybraných nosných vlnách, s dvojnásobným výkonem Reerence zisku Obdoba rozprostřených pilotních nosných vln jako u DVB-T Na vybraných nosných vlnách se opakovaně vysílá známý stav (lze vypočítat), s dvojnásobným výkonem a na kraji pásma se čtyřnásobným DRM 4 přenosové módy (dle robustnosti) A (málo robustní) až D (nejvíce robustní) Ochranný interval postupně /9, /4, 4/ a /4 Délka T s postupně 24 ms, 2,33 ms, 4,66 ms a 9,33 ms DRM typy kanálů Hlavní kanál MSC (Main Service Channel) Datový multiplexní audio tok a doprovodná data Téměř celá část nosných vln vyjma reerenčních symbolů Rychlý kanál FAC (Fast Access Channel) Inormace potřebné pro vyhledání služby, nastavení přijímače Některé nosné vlny, některé symboly Popis služby SDC (Service Description Channel) Jak dekódovat multiplex, alternativní rekvence Všechny nosné vyjma reerenčních, první 2 (či 3) symboly v superrámci DRM kmitočty Dlouhé vlny 48,5 až 283,5 khz; střední vlny 526,5 až 66,5 khz; krátké vlny 2,3 až 27 MHz I. 27/33 I. 28/33

8 Interaktivita Interaktivita - MHP Interaktivita Interaktivita - MHP Interaktivita v bezdrátové komunikaci Obousměrná komunikace zpětný kanál V reálném čase Interaktivita lokálního typu bez zpětného kanálu, uživatel má několik šancí volby Nejčastěji spojováno s DVB-T/H (ale také např. T-DAB, DRM) Takév době analogové TV (volba dle odběru el. proudu - zapínání/vypínání svítidel, volba dle SMS, teleonování) Zpětný kanál ADSL, GSM/UMTS modem, LAN - pevné, WiFi, Tři proily (dle služeb resp. aplikací) Rozšířené vysílání (Enhanced Broadcasting) - interaktivita lokálního typu, uživatel nemá možnost přímo ovlivnit obsah interaktivních dat nabízených poskytovatelem Interaktivní vysílání (Interactive Broadcasting) - zpětný kanál, složitější multimediální aplikace Přístup k Internetu (Internet Access) - s využitím MHP terminálů lze dopravit k uživateli služby internetového typu Některé typické multimediální služby Videoteleon Video na vyžádání Audio na vyžádání Placená televize Application Programming Interace (API) MediaHighway, OpenTV, JavaTV, HAVi, MHEG-5, BetaNova - zatraktivnění DVB, nekompatibilní DVB-MHP (MHP) Multimediální platorma domácích zařízení Univerzální, otevřený standard Super Teletext Navigátor Programový průvodce Hry Hlasové služby přes IP Interaktivní reklama Home- Shopping Home- Banking Internet I. 29/33 I. 3/33 Interaktivita - ukázky MHP aplikací Interaktivita - ukázky MHP aplikací Interaktivita - ukázky MHP aplikací sázení (kdo dá první gól) Home-schopping Interaktivita - ukázky MHP aplikací TV hlasování (o pokračování pořadu) superteletext TV hry Převzato z prezentace: Z. Picek, L. Pohl: Interaktivní služby digitální televize, Praha, červenec 2, Czech Digital Group Převzato z iremní dokumentace PHILIPS: itv Newsletter-st edition I. 3/33 I. 32/33

9 Konvergence Konvergence Konvergence (convergence) = sbližování, sbíhavost Obsah (obraz, zvuk, text, data) + telekomunikace a radiotechnika (včetně zařízení) + inormační technologie (sítě, SW, HW) Kdykoli, kdekoli přijímat / nabízet (rychle, kvalitně, bezpečně) obsah nebo služby na jediný (přenosný, bezdrátový) terminál Digitalizace (DVB, DAB, GSM, např. také noviny a časopisy na www) Prolínání poskytování různých služeb (IPTV, Web-over-DTV; ADSL Internet, VoIP) Mobilita (GSM, DVB-T) Přenosná zařízení Funkčnost při (rychlém) pohybu Celosvětová standardizace (GSM, DRM) Interaktivita (MHP) I. 33/33