7. MĚŘENÍ NA PŘIJÍMAČI DVB T SIGNÁLU

Transkript

1 Cíl měření 7. MĚŘENÍ NA PŘIJÍMAČI DVB T SIGNÁLU 1) a) Určete frekvenční šířku pásma, frekvenci centrální nosné frekvence a rozestup sousedních nosných frekvencí pro oba módy 2k a 8k. b) Změřte výkon DVB-T signálu pro libovolný mód. 2) Sledujte konstelační diagram jedné datové nosné vlny rušené harmonickým signálem. 3) Změřte pomocí IQ analýzy závislost hodnot MER na pozici nosných vln pro tři případy odstupu C/N a hodnoty parametrů MER (Modulation Error Ratio) měřením na centrální nosné vlně pro předepsané hodnoty AI (Amplitude Imbalance). 4) Zjistěte, jaké se používají parametry OFDM pro skutečné vysílání DVB-T. Prohlédněte si spektra přijatých signálů skutečného vysílání DVB-T. Přístrojové vybavení pracoviště Měřící generátor MPEG 2 Rohde&Schwarz DVG vysílač Rohde&Schwarz SFQ 20 přijímač Rohde&Schwarz EFA 40 zápis na PC (FD, USB flash disk)! Signálový generátor Rohde&Schwarz SMC100A Spektrální analyzátor Rohde & Schwarz FSP 3 zápis na FD! Měrný slučovací člen RC 203 Prutová anténa Blokové schéma zapojení Generátor MPEG2 vysílač Spektrální analyzátor Generátor MPEG2 vysílač přijímač Obr. 1a: Bod 1 Obr. 1c: Bod 3 Generátor MPEG2 Signálový generátor vysílač Sluč. člen -6dB -6dB přijímač Spektrální analyzátor přijímač Obr. 1b: Bod 2 Obr. 1d: Bod 4 Stručná teorie Pro přenos signálu zemské digitální televize (DVB-T = Digital Video Broadcasting- Terrestrial) je využíván modulační princip ortogonální frekvenčně dělený multiplex (OFDM = Orthogonal Frequency-division Multiplexing), který využívá náročné číslicové algoritmy (např. výpočet přímé či zpětné diskrétní Fourierovy transformace až pro 8192 komplexních vzorků v dostatečně krátkém čase). Od běžných typů digitálních modulací se odlišuje tím, že využívá pro přenos dat mnoha nosných frekvencí (Multi-carrier System). (V dalším textu bude pojem nosná frekvence nahrazen pouze slovem nosná.) Modulační 1

2 rychlost na každé z nosných je zlomkem přenosové rychlosti původní, symbolový interval na každé nosné je proto prodloužen násobně podle počtu nosných. Navíc je možné vytvořit časovou rezervu, kdy se symbolový interval rozšíří o tzv. ochranný interval (Guard Interval), při němž se detekce zastaví a ignorují se tím zpožděné signály (až do jisté hodnoty zpoždění) vzniklé vícecestným šířením. Několikacestné šíření se tak může projevit výhodně, protože jednotlivé signály se mohou sčítat a zvýšit intenzitu signálu v místě příjmu. Navíc skutečnost, že je přijímač schopen zpracovat signál složený z několika odražených signálů, dovoluje vytvářet sítě vysílačů pracujících na stejné frekvenci (SFN = Single Frequency Network), neboť nelze odlišit, zda zpožděný signál odpovídá nějaké delší cestě či jinému vzdálenějšímu vysílači. Pro účely synchronizace je v době vysílání ochranného intervalu délky T zopakována závěrečná část symbolu (prefix nebo také cyklický prefix). Poměr délky ochranného intervalu a užitečné délky symbolu T u se volí 1/2 n ( T/T u = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32). Nosné frekvence jsou vhodně zvoleny tak, aby byly vzájemně ortogonální, což usnadňuje jejich rozlišení (výhodné pro demodulaci). Každá tato nosná frekvence je modulována číslicovou modulací M-PSK nebo M-QAM (nejčastěji QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM). Je nemyslitelné, při počtu řádově tisíce nosných, implementovat OFDM modulátor jako sadu paralelních modulátorů uvedených modulací. Lze říci, že modulace je provedena ve frekvenční oblasti a do časové domény je signál převeden zpětnou diskrétní Fourierovou transformací dle vztahu N 1 ( ) = s k N n= 1 0 x e n j2πkn / N 0 k N 1, (1) kde x n (komplexní číslo) představuje možný stav M-PSK nebo M-QAM modulace na n-té nosné a N udává celkový počet nosných. Pro DVB-T se užívá N = 2048 nebo 8192, odtud mód 2k nebo 8k (ve skutečnosti je aktivních nosných méně 1705 resp a navíc z toho počet užitečných datových činí 1512 resp. 6048). Tato sada komplexních vzorků s(k) po doplnění prefixem a převedení DA-převodníkem vstupuje do kvadraturního modulátoru, jehož výstup představuje modulovaný mf signál, který pomocí směšování převedeme do požadovaného frekvenčního pásma. Průběh signálu, který vznikl součtem mnoha náhodných příspěvků (data pro jednotlivé subnosné jsou znáhodněna), se tak blíží průběhu šumu. Jednotlivé příspěvky N dílčích pásem, z nichž se skládá výsledné spektrum znázorňuje obr. 2. Rozestup nosných f je dán délkou užitečné části symbolu f = 1/T u a jeho hodnota přibližně činí 1116,1 Hz v módu 8k resp. 4464,3 Hz pro mód 2k.. B s = (N-1) f = 7,61 MHz 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0 2 f 4 f 6 f 8 f 10 f f 3 f 5 f 7 f 9 f (N - 1) f 0,4 0,3 0,2 0,1 f f 0 B s = (N+1) f = 2 f + B s f Obr. 2: Dílčí pásma spektra signálu OFDM 2

3 Poznámky k měření vysílač počáteční nastavení frekvence střední nosné 810 MHz: RF FREQUENCY FREQUENCY 810 modulace např. 16-QAM: MODULATION DVB-T COFDM CONSTELLATION 16-QAM na testovacím vysílači je po celou dobu měření vypnuto vícecestné šíření a šum: MODULATION DVB-T COFDM FADING OFF MODULATION DVB-T COFDM NOISE OFF nulové fázové nevyvážení I/Q modulátoru: MODULATION DVB-T COFDM I/Q PHASE ERROR 0 nulové amplitudové nevyvážení I/Q modulátoru: MODULATION DVB-T COFDM I/Q AMPL. IMBALANCE 0 % kódový poměr 3/4: I/Q CODER CODE RATE 3/4 mód 8k: I/Q CODER FFT MODE 8k ochranný interval 1/4: I/Q CODER GUARD INTERVAL 1/4 všechny nosné zapnuté: I/Q CODER SPECIAL EDIT CARRIERS DISABLE CARIER vše smazat a stisknout ester výstupní úroveň signálu 10 dbm: RF LEVEL RF LEVEL 10 Spektrální analyzátor Spektrální analyzátor umožňuje zápis na disketu. Před měřením zvolte výchozí nastavení přístroje od výrobce, funkce PRESET. Je zvoleno automatické nastavení časového rozmítání SWEEP SWEEPTIME AUTO. Při měření volíme pro spektrální analyzátor externí referenční signál, který je odebírán z testovacího vysílače (propojeno na zadních panelech přístrojů): SETUP REFERENCE EXT. Úrovně se měří RMS detektorem: TRACE DETECTOR DETECTOR RMS. Lze sledovat okamžité spektrum nebo vyprůměrované spektrum anebo můžete obraz na displeji zmrazit : TRACE CLEAR/WRITE, resp. AVERAGE, resp. VIEW. Počet při průměrování nastavíte: TRACE SWEEP COUNT např. 50. Zmrazení je vhodné při odečítání hodnot, které se příliš rychle přepisují. Funkce pro kurzory se spouští tlačítky MKR, MKR a MKR FCTN. Kurzory mohou zobrazovat hodnotu absolutně (MARKER NORM) nebo relativně vůči kurzoru 1 (MARKER DELTA). Přesné měření frekvence pomocí čítače se aktivuje pro frekvenci označenou kurzorem 1: MKR SIGNAL COUNT. Svislý pohyb spektra lze ovládat pomocí hodnoty referenční úrovně a po vyřazení automatické volby útlumu změnou hodnoty tohoto útlumu: AMPT REF LEVEL resp. RF ATTEN MANUAL točítko. K bodu 1a) Signál DVB-T byl navržen tak, aby šířka pásma kanálu B s odpovídala již zavedené šířce TV kanálu (v naší zemi 8 MHz), pro oba módy činí po zaokrouhlení 7,61 MHz. V různých literaturách je šířka definována jinými způsoby, dva možné ukazuje obr. 2. Pro správnou funkci systému, zvláště při provozování jednofrekvenčních sítí je nutné důsledně dodržovat základní parametry jako je např. frekvence centrální nosné f c či rozestup sousedních nosných f. Uvedené parametry se obvykle určí z hodnot frekvencí krajních kontinuálních pilotních nosných, které vymezují obsazené pásmo, dle následujících vztahů 3

4 B s = f 2 f 1, f 1 + f f 2 c =, 2 Bs f =, (2), (3), (4) N 1 kde f 1 je hodnota frekvence nejnižší (kontinuální pilotní) nosné, f 2 je hodnota frekvence nejvyšší (kontinuální pilotní) nosné a je počet aktivních nosných vln. N akt Postup měření vysílač Proměří se oba módy 2k a 8k: I/Q CODER FFT MODE 2k a následně 8k Spektrální analyzátor střední frekvence FREQ 810 MHz a dále volte dle potřeby (viz níže) rozmítání frekvence SPAN 10 MHz a dále volte dle potřeby (viz níže) BW res. filtr 10 khz a dále dle potřeby (viz níže): BW RES BW MANUAL 10 khz; BW video filtr automaticky: BW VIDEO BW AUTO Při měření frekvence krajních pilotních nosných vln je potřeba hodnotu SPAN a šířku BW snižovat a upravovat střední frekvenci FREQ tak, aby bylo jisté, že skutečně měříte krajní kontinuální pilotní frekvenci. Pro posouvání spektra je výhodné použít funkci CENTER = MKR FREQ (v menu MKR ), frekvence označená markrem se přesune na střed obrazovky. Hodnotu SPAN a šířku BW je dobré snižovat pomocí šipky dolů. Pro přesné měření frekvencí lze užít funkci SIGNAL COUNT (pokud ji použijete, po odečtení frekvence ji opět vypněte). Ze změřených hodnot vypočítejte frekvenční šířku pásma, frekvenci centrální nosné a rozestup nosných pro oba módy a porovnejte je s teoretickými hodnotami. K bodu 1b) Vysílaný výkon je jedním ze základních parametrů vysílače. Dostatečná hodnota výkonu signálu je podmínkou bezchybného příjmu na straně přijímače. Měřením na spektrálním analyzátoru lze celkový střední výkon P v daném kanále vypočítat (odhadnout) několika způsoby, pro měření jsou vybrány dva. (Potřebujeme-li měřit vyšší výkon, využijeme ocejchovanou odbočku výkonu.) V prvé metodě je měření je založeno na odečtení výkonu v několika bodech v absolutních jednotkách výkonu v mw viz (5). N s ( ) + 10 log 1 Pi P = 10 log B B [dbm], (5) n N i= 1 kde B s je šířka pásma obsazená měřeným signálem [Hz], B n je ekvivalentní šumová šířka pásma RBW filtru spektrálního analyzátoru [Hz], P i je výkon v daném měřícím bodě [mw] (např. i = 1, 2, 3, 4) a N je počet bodů ve kterých se výkon měří. Při měření výkonu OFDM signálu je vhodné používat RBW filtr o šířce pásma odpovídající přibližně desetinásobku rozestupu nosných. V druhé metodě měříme P hodnotu výkonu vztaženou k šířce pásma 1 Hz 1 Hz v decibelových jednotkách dbm/hz. Spektrální analyzátory takové funkce využívají např. pro určení výkonové hustoty šumu. Výsledný výkon dle (6) přepočítáme na celé využité frekvenční pásmo OFDM signálu. P = 10 log Bs + P [dbm] (6) 1 Hz akt 4

5 Postup měření vysílač Vyberte si mód 2k nebo 8k: I/Q CODER FFT MODE 2k nebo 8k. Spektrální analyzátor střední frekvence FREQ 810 MHz rozmítání frekvence SPAN 10 MHz BW res. filtr 10 khz: BW RES BW MANUAL 10 khz; BW video filtr automaticky: BW VIDEO BW AUTO Zvolí se průměrování: TRACE AVERAGE; počet průměrování se nastaví na 50: TRACE SWEEP COUNT 50. přepnutí jednotek výkonu (jednotky v obou metodách jsou odlišné): AMPT UNIT dbm nebo WATT měření výkonu v šířce 1 Hz (využijete v druhé metodě): MKR FCTN NOISE MEAS (vypne se opětovnou volbou) Podle prvé metody se odečtou hodnoty výkonu v několika bodech uprostřed a na kraji spektra a z hodnot se spočítá podle (5) celkový výkon v kanále, přičemž se uvažuje B n = B BW res. Je vhodné využít zmrazení spektra (VIEW). Dle druhé metody se odečte výkon v jednom bodě spektra (raději ne v okolí centrální frekvence) a určí podle (6). Porovnejte vypočtené hodnoty s hodnotou nastavenou na vysílači. K bodu 2) Spektrum signálu systému DVB-T se skládá z datových nosných vln, z TPS nosných vln a z pilotních nosných vln. Pro modulace datových nosných vln se používají digitální modulace QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM. Čím více stavů má modulace tím je větší přenosová rychlost systému. Avšak při stejné úrovni vysílaného signálu se s rostoucím počtem stavů modulace zmenšuje vzdálenost mezi jednotlivými body konstelačního diagramu. Proto klesá odolnost modulace proti šumu a vícecestnému šíření. Datových nosných vln je v módu 2k 1512 a v módu 8k Na 17 pozicích v módu 2k a na 68 v 8k se nacházejí TPS (Transmission Parameter Signalling) nosné vlny. Nesou informaci o typu modulace datových nosných vln, o hodnotě ochranného intervalu, o zvolené hodnotě kódového poměru konvolučního kodéru, o vysílacím módu a o číslu frame (frame je tvořen 68 OFDM symboly, 4 framy vytvářejí tzv. superframe). Během jednoho OFDM symbolu (ten je dán stavem všech užitých nosných vln po dobu trvání OFDM symbolu) nesou všechny TPS vlny stejnou informaci 1 bit TPS sekvence a celá sekvence TPS informace je tvořena 68 bity (tj. jedna sekvence za jeden frame), z toho informačních je 37 bitů. Jsou modulovány diferenciální modulací. Pilotní nosné vlny jsou nemodulované a používají se k odhadu stavu kanálu. Jde jednak o pilotní nosné vlny se stálou pozicí kontinuální a jednak o pilotní nosné vlny, které slouží alternativně i jako datové nosné vlny rozprostřené. Rozložení pilotních nosných vln v čase i ve frekvenci je patrné z obr. 3 k představuje číslo (pořadí, frekvenční index) nosné vlny. Přičteme-li k signálu DVB T harmonický signál, jehož kmitočet je shodný s kmitočtem některé nosné vlny, dojde ke koherentní interferenci, což má za následek zkreslení konstelačního diagramu. 5

6 Q I t f Kontinuální pilotní nosná Rozprostřená pilotní nosná Data TPS Obr. 3: Naměřený konstelační diagram pro 64-QAM pro všechny nosné vlny a teoretický diagram s vyznačeným typem nosných vln (nahoře); rozložení nosných vln ve spektru (dole) Postup měření přijímač Kmitočet přijímaného signálu 810 MHz: RF 810 MHz. Po propojení s PC umožňuje zápis měření (v podobě kopie obrazovky) do souboru. Režim zobrazení konstelačního diagramu: MEASURE CONSTELL. DIAGRAM. Nastavte požadovanou nosnou vlnu, pro kterou se má konstelační diagram zobrazovat zadejte číslo k datové nosné vlny zvolené dle domácí přípravy do hodnoty počáteční i konečné nosné vlny (START/STOP CARR). vysílač výstupní úroveň signálu 30 dbm: RF LEVEL RF LEVEL 30 Signálový generátor nastavte kmitočet harmonického výstupního signálu odpovídající zvolené nosné vlně dle domácí přípravy a nastavte výkon výstupního signálu 90 dbm. Signál vystupující z testovacího vysílače sečtěte pomocí slučovacího členu (s útlumem v obou cestách 6 db) se sinusovým signálem z generátoru (obr. 1b). Zvyšujte úroveň sinusového signálu a pozorujte zkreslení bodů v konstelačním diagramu. Zjistěte a zaznamenejte úroveň výkonu v dbm, při které začíná docházet k přeslechům jednotlivých stavů modulace rušené datové nosné vlny. Měření opakujte pro všechny tři modulace datových nosných vln a určete rozdíly mezi vypočítanou úrovní výkonu jedné nosné vlny OFDM modulace (viz domácí příprava) a zjištěnou úrovní výkonu rušícího sinusového signálu (odstup výkon jedné nosné/výkon rušení v db). 6

7 K bodu 3) IQ analýza slouží k analýze digitálně modulovaných signálů a je založena na zobrazení a posouzení konstelačního diagramu tvořeného koncovými body vektorů, které představují modulované nosné vlny v signálovém prostoru v okamžicích vzorkování. Pro modulace s více nosnými se může IQ analýza provádět buď na skupině nosných frekvencí, anebo pouze na jedné nosné vlně. V ideálním stavu leží body konstelačního diagramu přesně uprostřed rozhodovacích oblastí. Taková situace však v praxi nenastává (obr. 3 nahoře vlevo), protože signál je zatížen šumem a ovlivněn dalšími faktory (nelinearity, fázový šum oscilátorů, intersymbolová interference, vícecestné šíření apod.). Proto je skutečný stav od ideálního odchýlen a z těchto nedokonalostí lze určit chybové parametry. Měřící přijímač EFA pro systém DVB-T umožňuje mimo jiné měřit amplitudovou nesouměrnost (AI, Amplitude Imbalance) a úhlovou chybu (QE, Quadrature Error) kvadraturních složek nosných vln a jeden z nejdůležitějších parametrů IQ analýzy modulační chybový poměr (MER, Modulation Error Ratio). Obr. 4: a) K vysvětlení vzniku AI a QE, b) vliv AI a c) vliv QE na konstelační diagram (převzato z dokumentace o měřícím přijímači EFA) Vznik chyb AI a QE je patrný z obr. 4a. Na výstupu kvadraturního modulátoru (po transformaci IFFT, na konci vysílače) obě chyby ovlivní všechny nosné vlny mimo centrální zvýšením šumového pozadí. Na centrální nosné dojde k ovlivnění konstelačního diagramu podle obr. 4.b a 4.c, což umožňuje tyto chyby změřit. (Některé chyby lze měřit pouze v módu 2k, protože v módu 8k je centrální nosná použita jako kontinuální pilotní nosná vlna.) Chyby jsou definovány vztahy AI vi 1 100Kv vq vq 1 100Kv vi v I Q = 1 2 Q v I 180 π [%] QE = ( ϕ + ϕ ) [] kde v I resp. v Q je průměrná vzdálenost bodů ve směru osy I resp. osy Q a ϕ 1, ϕ 2 viz obr. 4c. MER se vypočítá jako poměr součtu čtverců amplitud ideálních symbolových vektorů k součtu čtverců amplitud chybových symbolových vektorů a vyjadřuje se v procentech nebo jako výkonová hodnota v db. MER je ovlivněn všemi rušivými vlivy působícími na signál a vyjadřuje tedy celkově kvalitu DVB-T signálu. Je-li dominantní vliv šumu, potom platí MER C/N. IQ analýza je však důležitým nástrojem pro posouzení kvality vysílače. Ze změny tvaru konstelačního diagramu je možné uvažovat o chybách modulátoru., 7

8 Postup měření vysílač nastavte požadovaný mód FFT (FFT MODE v menu I/Q CODER) viz níže zvolte konstelaci 16-QAM (CONSTELLATION v menu MODULATION) požadovanou velikost chyby AI nastavíte v menu MODULATION volbou I/Q AMPL. IMBALANCE hodnoty viz níže přijímač požadovaný odstup C/N nastavte na testovacím přijímači volbou ADD. NOISE hodnoty viz níže hodnotu MER sledujete při volbě funkce MEASURE; hodnotu i závislost MER na pozici nosné vlny po volbě MEASURE FREQUENCY DOMAIN MER db; AI a QE lze sledovat po volbě MEASURE OFDM PARAMETERS Úlohu zapojte dle obr. 1c. Sledujte a uložte do souboru závislost hodnot MER na pozici (všech) nosných vln pro mód 8k pro tři případy C/N: - bez rušivých vlivů (ADD. NOISE OFF), - hodnota C/N = 15 db a - hodnota C/N = 30 db. Ověřte teoretický předpoklad C/N MER, pokud je vliv šumu dominantní. Po odměření vypněte šum ADD. NOISE OFF. Sledujte a ukládejte do souboru konstelační diagram na centrální nosné vlně pro mód 2k (číslo 852) a zapisujte si hodnotu MER pro následujících pět případů (šum není přidáván): - bez rušivých vlivů (QE = 0, AI = 0 %), - při AI = 25, 12.5, 12.5, 25 % a (QE = 0 ). Po změně nastavení chyb na vysílači, vyčkejte až se přijímač dostatečně ustálí a bude zobrazovat stabilní hodnotu sledované chyby. Po ukončení měření nastavte na vysílači nulové hodnoty chyb. 8

9 K bodu 4) Zjistěte, jaké se používají hodnoty parametrů OFDM pro skutečné vysílání DVB-T na území Prahy, a jak vypadají spektra signálů pro reálné vysílání. Postupně k měřícímu přijímači a poté ke spektrálnímu analyzátoru připojte namísto testovacího vysílače prutovou anténu. Můžete otestovat následující frekvence: 634 MHz (41. kanál), 674 MHz (46. kanál), 730 MHz (53. kanál), 778 MHz (59. kanál) a 818 MHz (64. kanál). Postup měření přijímač kmitočet nastavíte volbou RF parametry OFDM zobrazíte po volbě MEASURE Spektrální analyzátor střední frekvence FREQ např. 634 MHz rozmítání frekvence SPAN 24 MHz BW res. filtr 10 khz: BW RES BW MANUAL 10 khz Opište si parametry OFDM (mód FFT, délku ochranného intervalu, použitou modulaci pro datové nosné, popřípadě úroveň přijatého signálu) pro skutečné vysílání. Po ukončení měření nastavte zpět kmitočet vstupního signálu 810 MHz. Domácí příprava bez vypracované domácí přípravy nebude povoleno zahájení měření Vypočítejte výkon DVB-T signálu podle vztahu (5). Na spektrálním analyzátoru byly změřeny čtyři hodnoty úrovně signálu: 8,31, 8,72, 8,22 a 8,91 nw (v nanowattech, nezapomeňte je převést na miliwatty). Šířka RBW filtru činila 10 khz. Pro bod 2) měření určete výkon v dbm připadající na jedinou nosnou vlnu DVB-T signálu, jehož celkový střední výkon činí 30 dbm. Uvažujte mód 8k, při kterém se používá 6817 aktivních nosných vln. (Pro jednoduchost uvažujte stejné výkony všech dílčích nosných vln.) Vypočítejte hodnotu frekvence libovolné datové nosné. Vyvarujte se nejen TPS a kontinuálních pilotních nosných vln, ale též rozprostřených pilotních nosných vln, které se mohou vyskytovat na frekvencích f c ± 3k f ( f = 1/T N ; T N = 896 µs). Nevolte rovněž kmitočty v blízkosti centrální nosné vlny, která u použitého vysílače ovlivňuje několik sousedních nosných vln (platí pro okolních cca osm a osm nosných vln). Hodnota centrální nosné frekvence činí fc = 810 MHz, jedná se o nosnou číslo

10 Přílohy Přehled parametrů OFDM v systému DVB-T K-1 7, , Rozmístění TPS k představuje číslo (pořadí, frekvenční index) nosné vlny Rozmístění kontinuálních pilotů k představuje číslo (pořadí, frekvenční index) nosné vlny 10