ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická katedra radioelektroniky Primární sítě pro DVB-T Diplomová práce Vedoucí práce: Doc. Ing. Petr Vítek (ČT, Praha) Student: Bc. Richard Šimík leden 2000 Interní vedoucí: Doc. Ing. Emil Košťál, CSc.
P r o h l á š e n í Prohlašuji, že jsem diplomovou práci Primární sítě pro DVB-T vypracoval samostatně a použil k tomu literaturu, kterou uvádím v seznamu přiloženém k projektu. Práci lze zveřejnit, nebo zapůjčit jen s mým souhlasem a souhlasem vedoucího práce. Adresa studenta: Palackého 873 Horažďovice 341 01 V Praze dne 24.ledna 2000
Primární sítě pro DVB-T OBSAH 1. SEZNAM PŘÍLOH... 3 2. SYMBOLY A ZKRATKY... 3 2.1 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ... 3 2.2 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK... 4 3. ÚVOD... 6 4. ZÁKLADNÍ ASPEKTY DVB-T SÍTÍ... 8 4.1 PLÁNOVÁNÍ MFN NEBO STANDARDNÍCH SÍTÍ... 8 4.1.1 Základy MFN... 8 4.1.2 Frekvenční nároky sítě MFN... 8 4.1.3 Nesynchronní provoz... 9 4.1.4 Výkon... 9 4.2 SINGLE FREQUENCY NETWORKS (SFN)... 9 4.2.1 Princip... 9 4.2.2 Frekvenční nároky... 9 4.2.3 Výkonové nároky... 10 4.2.3 Synchronní provoz... 10 4.3 MFN S MÍSTNÍMI SFN SÍTĚMI OKOLO KAŽDÉHO VYSÍLAČE MFN... 10 4.4 VYKRÝVAČE (GAP-FILLER)... 11 5. NÁVRH ORGANIZACE PRIMÁRNÍCH SÍTÍ... 12 POPIS VARIANTNÍHO USPOŘÁDÁNÍ PŘENOSU TRANSPORTNÍHO TOKU DISTRIBUČNÍ SÍTÍ 12 5.1 DVB-T DISTRIBUČNÍ SÍTĚ... 12 5.1.1 Základní aspekty primární distribuce... 12 5.1.1.1 Centralizované vytváření signálu COFDM... 12 5.1.1.2 Decentralizované vytváření signálů COFDM... 12 5.1.2 Synchronizace... 15 5.2 SFN SÍŤ... 16 5.2.1 Síťová topologie... 16 5.2.2 Požadavky na SFN... 16 5.3 STATISTICKÉ MULTIPLEXOVÁNÍ... 20 5.4 VLASTNÍ NÁVRH SÍTĚ PRO ČR... 21 5.4.1 Stávající stav v ČR... 23 5.4.1.1 Radioreléové spoje... 23 5.4.1.2 Digitální družicová distribuce (Czechlink)... 23 5.4.1.3 OFDM a vysílače... 25 5.4.1.4 Dosavadní TV studia... 25 5.4.1.5 Oblasti s vysokou hustotou obyvatelstva... 26 5.4.2 Návrh jednotné sítě SFN... 26 5.4.2.1 Návrh multiplexu pro velkou SFN síť... 27 5.4.2.2 Modulační síť pro velkou SFN... 27 5.4.3 Návrh MFN s lokálními SFN... 28 5.4.3.1 Návrh multiplexu pro MFN s lokálními SFN... 29 5.4.3.2 Modulační síť pro MFN s lokálními SFN... 29 6. KRITÉRIA PRO VÝBĚR PROVOZOVATELŮ... 31 7. PŘENOSOVÝ PROTOKOL... 32 7.1 HIERARCHICKÝ A NEHIERARCHICKÝ PŘENOSOVÝ MÓD... 32 7.1.1 Nehierarchický mód... 32 7.1.2 Hierarchický mód... 33 7.2 ZDROJOVÉ KÓDOVÁNÍ A MULTIPLEX (TRANSPORT STREAM MULTIPLEX)... 35 7.2.1 Popis... 35
Primární sítě pro DVB-T 7.2.2 Multiplex... 37 7.3 KANÁLOVÉ KÓDOVÁNÍ DVB-T... 38 7.3.1 Popis systému... 38 7.3.2 Adaptace transportního multiplexu a znáhodnění pro energetické rozprostření... 38 7.3.3 Vnější kódování a vnější prokládání... 39 7.3.4 Vnitřní kódování... 40 7.3.5 Vnitřní prokládání... 40 7.3.6 Mapování a modulace... 40 7.3.7 Vztah mezi velikostí přenášeného bitového toku, modulací a ochranným intervalem a stupněm protichybové ochrany a poměrem C/N... 41 7.3.8 Struktura rámců OFDM... 42 7.4 TPS TRANSMISSION PARAMETER SIGNALLING... 44 7.4.1 Popis TPS... 44 7.5 SI (SERVISNÍ INFORMACE)... 46 7.5.1 Servisní informace SI popis... 46 8. POŽADAVKY NA PŘENOSOVÝ KANÁL... 49 8.1 BITOVÝ TOK A POTŘEBNÁ ŠÍŘKA PÁSMA V ZÁKLADNÍM PÁSMU... 49 8.2 DIGITÁLNÍ MODULACE NOSNÉ VLNY... 49 8.3 SPEKTRÁLNÍ CHARAKTERISTIKY A SPEKTRÁLNÍ MASKA... 52 8.3.1 Spektrální charakteristiky... 52 8.3.2 Spektrální masky... 53 8.4 BER... 54 8.5 KAPACITA SDĚLOVACÍHO KANÁLU... 54 8.6 SHRNUTÍ POŽADAVKŮ... 56 9. ZÁVĚR... 60 10. LITERATURA... 61 PŘÍLOHA Č.1... 64 SIGNÁLOVÁ ROZHRANÍ... 64 SPI Synchronous Parallel Interface... 64 SSI Synchronous Serial Interface... 65 ASI (T link) Asynchronous Serial Interface... 65 HDB3 Interface (ITU T G.703)... 66-2 -
2. Symboly a zkratky 1. Seznam příloh Příloha č.1: Signálová rozhraní 2. Symboly a zkratky 2.1 Seznam použitých symbolů α konstelační poměr při hierarchické modulaci délka ochranného intervalu γ odstup signálu od šumu b koeficient udávající počet přenesených bitů jedním symbolem B celková šířka pásma přenosového kanálu B N šířka pásma přenosového kanálu daná poklesem o 3 db C kapacita sdělovacího kanálu e počet chybně přenesených bitů E spektrální účinnost f k frekvence nosné f c střední frekvence vysílaného signálu I hloubka konvolučního bytového prokládání k číslo nosné v OFDM K počet nosných v OFDM m počet rozlišitelných stavů modulované nosné vlny M počet znaků v symbolu n dimenze signálového prostoru N počet znaků dlouhé zprávy N o jednostranná spektrální výkonová hustota bílého šumu P přenášený výkon P K (f) spektrální výkonová hustota R bitový tok R S symbolové rychlost T základní časová perioda T S doba trvání celého OFDM symbolu doba trvání užitečné části OFDM symbolu T U - 3 -
2. Symboly a zkratky 2.2 Seznam použitých zkratek AAL ACI ACTS AFC API ATM AWGN BBC BCH BER CA CATV CCI COFDM C/N D/A DAB DBPSK DC DCF77 DFT DVB DVB-C DVB-PI DVB-S DVB-T EBU EDTV EPG ERP ES ETS ETSI FEC FFT FIFO FM GPS HDTV HEX HP IDTV IEC IF IFFT ISO ATM Adaptation Layers Adjacent Channel Interference Advanced Comunications Technologies And Services (Výzkumný program uskutečněný Evropskou komisí) Automatic Freguency Control Aplication Programming Interface Asynghronos Transfer Modem Aditive White Gausian Noise British Broad Casting Proporation (UK) Bose -Chaudhuri - Hocquenghem code Bit Error Ratio Access Control Community Anntena TeleVision Co-Channel Interference Codet Orthogonal Frequency Division Multiplex Carrier To Noise ration Digital-to-Analogue converter Digital Audio Brodcasting Differential Binary Phase Shift Keying Direct Current Německý vysílač vysoce kvalitního frekvenčního normálu (77,5 MHz) Discrete Fourier Transform Digital Video Broadcasting DVB Cable DVB Professional Interface DVB Satellite DVB-Terrestrial European Brodcasting Union Enhanced Definition Television Electronic Programme Guides Efective Radiated Power Elementary Stream European Telecommunication Standard European Telecommunisation Standard Institute Forward Error Correction Fast Fourier Transform First-In, First-Out shift register Frequency Modulation Global Positioning System High Definition Television Hexadecimal notation High Priority bit stream Iproved Definition Television International Electrotechnical Commission Intermediate Frequency Inverse Fast Fourier Transform International Standards Organization - 4 -
2. Symboly a zkratky ITU LDTV LO LP LSB MFN MIP MMDS MPEG MSB MSF MUX NICAM OCT OFDM PAL PCR PDH PES PID PRBS PRF PSI PTS QAM QEF QPSK RF RMS RRS RS SAS SDH SDTV SECAM SFDMA SFN SHF SI STM STS TPS TS TV UHF Validate VHF International Telecommunications Union(dříve CCITT) Limited Definition Television Local Oscillator Low Priority bit stream Least Significant Bit Multi-Frequency Network Mega-Frame Initialization Packed Microwave Multipoint Distribution Systems Moving Picture Experts Group Most Significant Bit Anglický vysílač vysoce kvalitního frekvenčního normálu(60 khz) Multiplex Near-Instantaneous companded Audio Multiplex Octal notation Orthogonal Frequency Division Multiplexing Phase Alternating Line Program Clock Reference Plesiochronous Digital Hierarchy Packetized Elementary Stream Program Identifier Pseudo-Random Binary Sequence Pulse Repetition Frekvency (opakovací frekvence pulsů) Programm Specific Information Presentation Time-Stamp Quadrature Amplitude Modulation Quasi Error Free Quaternary Phase Shift Keying(4-PSK) Radio Frequency Rood Mean Square(velikost) Radioreleové spoje Reed-Solomon Subscriber Authorization System Synchronous Digital Hierarchy Standard Definition Television Système Sequentiel Couleur A Mémoire Synchronous Frequency Division Multiple Access Single Frequency Network Super High Frequency(3 GHz-30 GHz) Service Information Synchronous Transfort Module Synchronization Time-Stamp Transmission Parameter Signalling Transport Stream Television Ultra-High Frequency (300MHz-3000MHz) Velitication And Launch Of Integrated Digital Advanced Television In Europa (ACTS Project AC106) Very-High Frequency (30MHz-300MHz) - 5 -
3. Úvod 3. Úvod Z posouzení strategie při rozhodování o zavedení digitálního televizního vysílání v USA bylo koncem roku 1992 jasné, že podobný vývoj nemůže minout Evropu. V říjnu 1993 podepsalo 87 evropských organizací včetně hlavních evropských vysílacích společností, spojových podniků, výrobců a normotvorných institucí Memorandum porozumění. Mj. konstatovali, že digitální systémy, využívající redukci bitového toku jsou již ověřeny pro napájení kabelových sítí a že některé technologie mohou být aplikovány v budoucím multimediálním prostředí. V článku 1 Memoranda je uvedeno, že cílem je vytvořit v Evropě pracovní rámec pro harmonicky a tržně řízený vývoj digitální televize s užitím kabelů, družic a pozemního vysílání - tzv. projekt DVB (Digital Video Broadcasting). Projekt DVB - televizní digitální vysílání - je založen na struktuře komisí. Aktivity projektu které jsou finančně podporovány všemi signatářskými organizacemi, administrativně zajišťuje EBU. Digitální televizní normy musí být tržně orientovány, tj. od začátku vyvíjeny nejenom na základě realizovatelných technických myšlenek, ale také podle financí, které jsou k dispozici pro výrobu programů a také podle toho, co je zákazník pravděpodobně ochoten za to zaplatit. Rysem uvedeného plánu je koordinovaný vývoj digitálních televizních systémů pro různá přenosová prostředí, tj. pro družicové, kabelové i pozemní (terrestrické) vysílání. Snaha je maximalizovat společné rysy všech rozdílných transportních formátů. Potřeby a omezující podmínky spojené s různými transportními médii jsou rozdílné. Existují zde rozdílné šířky pásma, rozdílná chybová prostředí a rozdílné limity výkonů. Družicové transpondéry mají relativně široká pásma, nízké výkony a málo problémů s vícenásobnými odrazy Kanály pozemního vysílání jsou úzkopásmové, s vysokým výkonem a citlivostí na odrazy. Kabelové kanály mají tradiční šířku pásma stejnou, jaká se používá pro pozemní vysílání, ale existují odlišnosti, které jsou dány použitým médiem (metalickým, optickým). Základní prostředky, které jsou společné všem uvedeným dopravním médiím, jsou založeny na maximálně možném využití společného kódování v základním pásmu a společného multiplexu, ale s kanálovým kódováním a modulací, specifickou podle aplikace a podle daného transportního prostředí. V roce 1995 vznikl mezinárodní projekt VALIDATE pro ověřování technologií pro zemské digitální televizní vysílání. V červnu 1998 byl tento projekt dokončen. V březnu 1997 byl ETSI schválen návrh standardu pro zemské digitální televizní vysílání (DVB-T). Nový digitální televizní systém byl od počátku koncipován tak, aby mohl být vsazen do kmitočtového spektra současné analogové televize. Proto byl v červnu 1995 sestaven projektový tým PT24 DVB-T při CEPT s úkolem připravit v Evropě podmínky pro jeho zavedení. Finálním výsledkem práce PT24 byla příprava dohody Chester 97 pro mezinárodní koordinaci a výpočet kompatibility vysílačů DVB-T, analogových TV vysílačů a vysílačů ostatních služeb, které sdílejí určitou společnou část kmitočtového spektra s DVB-T a analogovou TV. Dne 25.7.1997 podepsali tuto dohodu zástupci 33 národních telekomunikačních správ sdružených v CEPT. Tím je připravena legislativní stránka zavádění DVB-T. Laboratorní testy a měření v terénu potvrdily předpokládané vlastnosti systému. Zavádění DVB-T není jen technickou záležitostí, podstatnou roli zde hrají také ekonomické a právní aspekty. V první etapě zavádění, kdy je plánován příjem na pevnou - 6 -
3. Úvod anténu, nemůže zemská digitální televize nabídnout nic nového kromě stálé kvality obrazu, zvuku a většího komfortu při volbě programu. Přednosti pozemního digitálního vysílání se projeví až s možností pohyblivého příjmu po vybudování dostatečně husté sítě vysílačů. Zájem o DVB-T mohou také vzbudit interaktivní služby a internet. V této práci se budu zabývat převážně technickou stránkou DVB-T. Vyjímkou je kapitola Kritéria pro výběr provozovatelů, kde jsou uvedeny nejdůležitější požadavky na provozovatele. - 7 -
4. Základní aspekty DVB-T sítí 4. Základní aspekty DVB-T sítí Při návrhu sítí pro DVB-T můžeme použít tyto kombinace: MFN síť SFN síť - velkoplošná s velkým počtem výkonných vysílačů a velkou vzdáleností mezi vysílači - regionální SFN s několika výkonnými vysílači MFN síť s místními SFN sítěmi okolo každého vysílače MFN Síť s opakovači (SFN vysílače malého výkonu v místech nedostatečného signálu od hlavního vysílače MFN) Aspekty plánování těchto sítí jsou rozepsány v následujících kapitolách. 4.1 Plánování MFN nebo standardních sítí 4.1.1 Základy MFN Konvenčně plánované DVB-T sítě sestávají z vysílačů s nezávislými programovými signály se samostatnými rádiovými frekvencemi. Takové sítě nazýváme MFN (Multi Frequency Networks). Pro pokrytí rozlehlých území DVB-T signálem je potřebný určitý počet frekvenčních kanálů. Tento počet kanálů závisí na odolnosti přenosu, tj. na typu modulace, zároveň na kódové rychlosti v kanálu a na plánovaném pokrytí (celoplošné pokrytí, nebo pokrytí jen hustě osídlených území). 4.1.2 Frekvenční nároky sítě MFN Odolnost vysílacího systému je většinou vyjádřena pomocí ochranného poměru, takže by se dalo předpokládat, že počet kanálů potřebných pro DVB-T je nižší nežli pro analogové vysílání, protože ochranný poměr je obecně menší v případě digitálního přenosu. Bohužel vlastnosti digitálního signálu způsobují, že pravidla pro plánování analogových přenosů nemohou být pro ně použita, protože neodpovídají tolerancím 10 db až 20 db (ověřeno testováním) pro lokální výkyvy síly signálu. Proto se počet potřebných frekvenčních kanálů pro konvenčně plánovanou DVB-T blíží počtu kanálů u analogového tv systému. Frekvenční nároky vyjadřující počet frekvenčních kanálů potřebných pro přenos jednoho signálu do potřebných míst jsou tedy mnohem větší u sítě MFN než u SFN (Single Frequency Networks). DVB-T vysílače tedy mohou být přidány do existujících sítí jen v závislosti na obsazení frekvenčního pásma analogovou tv tak, aby nedocházelo k významným kolizím. To znamená, že bude moci být přidána pouze lokální omezená síť s omezenými službami a to na omezené území. Je však také nutno vzít v úvahu, že bude možné v budoucnu dosáhnout většího a lepšího pokrytí v době vypnutí analogových sítí. Pro frekvenční umístění a určení výkonu jednotlivých vysílačů je třeba důkladně zvážit možnosti interferencí se všemi okolními vysílači a také respektovat mezinárodní dohody. - 8 -
4. Základní aspekty DVB-T sítí 4.1.3 Nesynchronní provoz Vysílače v síti MFN nemusí pracovat synchronně. Regionální nebo lokální vytvoření sítě MFN je velice jednoduché v porovnání s vytvořením sítě SFN. V SFN síti nejsou možné žádné speciální místní služby určené pouze pro určitou vyčleněnou oblast. Regionální služby je tedy možné v síti SFN použít jen když pracuje s málo vysílači. 4.1.4 Výkon Při pozemním vysílání dochází k efektu, kdy se vysílaný výkon s rostoucí vzdáleností mění v závislosti na lokalitě více nežli na čase. Protože digitální přenos nedegraduje se snižujícím se vysílaným výkonem, ale při určité úrovni se zcela rozpadne, je nutné vysílat s vyšším výkonem pro vyrovnání těchto změn, zvláště na okrajích pokrývaného území. Možná velikost kolísání výkonu odpovídá tolerancím uvedeným u ochranného poměru, tj. 10 až 20 db. Jestliže je pokrytí celého území docíleno vzájemným překrýváním území, která pokrývají sousední vysílače a protože lokální výkyvy síly signálu nemusí být od různých vysílačů korelovány, nebudou v oblasti překryvu všechny vysílané signály stejně oslabené. Vysílače mohou tedy volit silný signál a zbytečně vysílaný výkon v případě potřeby rozšíření překrývající se oblasti se sousedními vysílači. Lokální výkyvy je možno také eliminovat použitím SFN. 4.2 Single Frequency Networks (SFN) 4.2.1 Princip V síti SFN jsou všechny vysílače modulovány synchronně stejným signálem a vysílají na stejné frekvenci. Kvůli více-funkčním schopnostem signálu vysílaného s více nosnými (COFDM) z mnoha vysílačů může signál, který dorazí k přijímací anténě, pozitivně ovlivnit celkový příjem. Omezujícím efektem u sítí SFN jsou vlastní interference v síti. Jestliže se signál ze vzdálených vysílačů zpozdí více než dovoluje ochranný interval, potom se na výsledném signálu projeví jako šum způsobený interferencí. Síla takového signálu závisí na množství okolností, které se budou v čase měnit. Vlastní interference v síti SFN při daných vzdálenostech vysílačů se dá omezit volbou většího ochranného intervalu. Je třeba poznamenat, že účinek zpožděného signálu mimo ochranný interval závisí také na konstrukci přijímače. Abychom neměli zbytečně velký ochranný interval, max. 25% navíc, musí být platná délka symbolu velká a to ve většině Evropských zemích při použitých vzdálenostech vysílačů, pokud je použit 8-k mód. Na druhou stranu malý ochranný interval vede k velkému počtu vysílačů. 4.2.2 Frekvenční nároky Pomocí SFN může být pokryto velké území jednotným multiplexem a společnou frekvencí, a proto se frekvenční využití v SFN se jeví jako velice vysoké v porovnání s MFN. Musíme ale také vzít v úvahu přítomnost podobných sítí nabízející jiné programové - 9 -
4. Základní aspekty DVB-T sítí multiplexy v dané lokalitě, které potřebují další frekvence. Počet kanálů potřebných při mezinárodní koordinaci je minimálně 4, v praxi je to 5 nebo 6. Mezery mezi pokrytými oblastmi lze u SFN jednoduše pokrýt přidáním dalšího vysílače a to bez potřeby další frekvence. 4.2.3 Výkonové nároky SFN není pouze frekvenčně, ale i výkonově účinná. Je však třeba vzít ohled na silné lokální výkyvy síly pole některých daných vysílačů. V konvenčně plánovaných sítích a podobně v případě samostatného jednoho vysílače je obvyklou cestou pro dosažení nepřerušovaného vysílání na většině pokrytého území zvyšování výkonu, zvláště kvůli okrajovým oblastem pokrytého území. Na rozdíl od toho v sítích SFN, kde se výsledný signál skládá z více stejných signálů od různých vysílačů, které spolu jen slabě korelují, mohou být úniky signálu jednoho vysílače vykryty signálem jiného vysílače. Z tohoto důvodu mohou být o sítě SFN použity vysílače s menším výkonem. Toto výkonové využití v sítích SFN je důležité zvláště v okrajových oblastech pokrytí jednotlivých vysílačů. Tuto výhodu využijeme pouze při příjmu slabého signálu všesměrovou anténou zvláště při pohyblivém příjmu (portable reception). V konvečně plánovaných sítích můžeme odpovídající výhodu použít pouze v tom případě, že přijímač v dané lokalitě vybere ze všech signálů ten nejsilnější a naladí se na něj. 4.2.3 Synchronní provoz Cenou za frekvenční a výkonovou účinnost sítě SFN je synchronní provoz všech vysílačů v dané síti. Pro dosažení synchronního provozu vysílačů je třeba splnit určité podmínky. V sítích pro pokrývajících velké území s 8k-módem a ochranným intervalem ¼ (tj. 224 µs) je tolerance ±5 µs kdy nedochází k degradaci signálu. Dodržení požadavků na synchronní přenos je zvláště důležité při přenosu signálu s programovým multiplexem na jednotlivé vysílače. V síti s nedokonalým rozložením vysílačů může být interference signálů v síti minimalizována vhodným časovým offsetem na jednotlivých vysílačích. Synchronní provoz všech vysílačů v SFN nedovoluje vkládání žádných dalších částí do modulačního signálu na některých vysílačích sítě, tzn. že nelze instalovat lokální služby uvnitř sítě. 4.3 MFN s místními SFN sítěmi okolo každého vysílače MFN V MFN sítích, které jsou založené na existující infrastruktuře vysílačů, systém umožňující SFN provoz má velké uplatnění, protože umožňuje postupné vylepšování pokrytí a tím příjmu bez nutnosti používání dalších frekvencí. Pro tento systém se obvykle používá 8k-mód pro vzdálenost vysílačů okolo 15 km, kde je jinak akceptovatelný 2k-mód s ochranným intervalem 56 µs. - 10 -
4. Základní aspekty DVB-T sítí 4.4 Vykrývače (Gap-filler) V případě výskytu mezer v pokrytí dané oblasti způsobených např. údolími, tunely, v podzemních prostorech nebo uvnitř domů umožňuje DVB-T efektivními způsoby tyto mezery zaplnit. Jednou z možností rozšíření daného pokrytí je použití vykrývačů bez nutnosti investic do zařízení primární distribuce a modulátorů. Vykrývače Vysílač Obr. 1: Vykrývače okolo hlavního vysílače Signál je směrovou anténou dopraven do okolí nepokryté oblasti, zde je vyfiltrován, zesílen a na stejné frekvenci vysílán do nepokryté oblasti. Velice důležitou podmínkou při použití vykrývačů je dostatečná izolace mezi přijímací a vysílací anténou. Podrobněji viz [32]. Zpětná vazba Od přijímací antény + Vysílací zesilovač K vysílací anténě Obr. 2: Princip vykrývače - 11 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí 5. Návrh organizace primárních sítí Popis variantního uspořádání přenosu transportního toku distribuční sítí 5.1 DVB-T distribuční sítě 5.1.1 Základní aspekty primární distribuce Primární distribuční síť (někdy nazývána jako transportní síť) přenáší Tv signál z TV produkce do vysílací sítě. Tato kapitola posuzuje dostupné metody primární distribuce; v praxi jsou nakonec tvořeny kombinací z několika zde popsaných možností. 5.1.1.1 Centralizované vytváření signálu COFDM COFDM modulátor je umístěn v centrálním bodu a modulovaný signál COFDM je přenášen pomocí pozemních SFN linek k vysílačům. Standardní frekvenčně modulované (FM) SFN linky jsou používány pro analogové signály PAL a SECAM, mohou být použity pro přenos signálů COFDM s přiměřeným výkonem na vzdálenosti kolem 20 km. Přenos může být zlepšen při úpravě linkových systémů dle doporučení ITU-R 405 pomocí pre/deemfáze a ostatních obvodů nezbytných pro přenos COFDM s redukcí fázového šumu v lokálních oscilátorech. Analogová satelitní distribuce COFDM signálů je také technicky možná. 5.1.1.2 Decentralizované vytváření signálů COFDM MPEG2-TS musí být přenášen do všech COFDM modulátorů v síti. Distribuční síť může využívat pevné pozemní nebo satelitní linky a může také vkládat další informace do MPEG-2 multiplexu, například různé regionální programy. Unequipped optical fibre ("Dark fibre") Využití tohoto optického kabelu je v mnoha zemích závislé na předpisech a místních síťových operátorech. V případě dostupnosti je to výhodný a ekonomický způsob přenosu na vzdálenosti kolem 100 km. Vlákno je připojeno na optický zdroj nebo vysílač nebo na další terminály či monitorovací zařízení. Uživatel je připojen pomocí vhodného terminálu přímo na vlákno (direct connection) které je opatřeno vhodným konektorem. Z bezpečnostních důvodů je určen maximální výkon záření. Použití dvou-fázového kanálového kódování je specifikováno v DVB Professional Interface (EN 50083-9), zajišťuje dobrou přenosovou charakteristiku (bez stejnosměrných a frekvenčních přechodů) přestože zdvojuje bitový tok. Na krátké vzdálenosti okolo 3 km moho být použita vícemódová vlákna s LED diodami nebo laserovými vysílači; delší vzdálenosti vyžadují použití jednomódových vláken s laserovými vysílači. - 12 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí PDH sítě Plesiochronní digitální hierarchie (PDH) je navržena pro digitální signály 64 kbit/s, vyšší stupně jsou násobky, v USA do 274,176 Mbit/s (T-1 až T-4), v Evropě do 139,267 Mbit/s (E-1 až E-4 + nestandardizovaný stupeň E-5... 564,992 Mbit/s). Příspěvkové kanály nejsou synchronní, multiplexer čte příspěvkový kanál dostatečnou rychlostí, aby bylo možné vyplnit bitové toky slepými bity tak, že je dosaženo vyrovnání rychlostí. Vztahy mezi rychlostmi nejsou dány podílem celých čísel, termín plesiochronní znamená téměř synchronnní. Problémem je vyjmutí či vložení toku dat, obnovení spojení po výpadku. ITU-T doporučení G.703 specifikuje rozhraní pro různé hierarchické úrovně; rozhraní pro 34,368 Mbit/s je vhodné pro TS. Rozhraní mezi DVB přenosovým tokem a PDH sítí je specifikováno v ETS 300 813 [19]. Na obr.3 je schéma síťového adaptéru DVB-PDH navrženého EBU a normovaného v ETS 300 813, kde je možné nalézt další podrobnější informace [19]. DVB zařízení MPI MPEG fyzické rozhraní MAA MPEG ATM adaptace VPE Virtuální cesta objektu VPME VP Multiplexo vání objektu PPT PDH zakončení cesty PPI PDH fyzické rozhraní PDH trasa EMF Řídící funkce zařízení Obr.3 : Blokové schéma síťového adaptéru DVB-PDH [19] SDH sítě Jedná se o mezinárodní standard, jehož plně slučitelnou součástí je americká technologie SONET (Synchronous Optical Network) vyvinutá v Bellových laboratořích. Přestože je přenos SDH, jak udává zkratka, synchronní, je schopen přenášet jak synchronní, tak asynchronní informaci. Informace přenášené v synchronní digitální hierarchii jsou uloženy do kontejnerů s kapacitou 2 nebo 34 Mbit/s. Kontejnery jsou uspořádány do informačního bloku základního rámce SDH. Kromě informačního bloku obsahuje rámec SDH ještě záhlaví s kapcitou 5Mbit/s. Tato kapacita je vyhrazena pro řídící funkce SDH. Základní přenosová rychlost rámců je 155,52Mbit/s. Nejvyšší úroveň je STM-16, které odpovídá přenos rychlostí 2488,32Mbit/s. Příspěvkové rámce mohou ubíhat oproti rámcům STM a klíčem k úspěchu STM je použití ukazovátek (pointerů), označujících polohu příspěvku v rámcích STM. - 13 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí Tedy jednodušší přístup k informacím s nižší přenosovou rychlostí je jednou z klíčových výhod přenosu v hierarchii SDH oproti PDH. Pružnost, která je vlastní hierarchii SDH, je zvláště vhodná pro přenos informace ATM. Buňky ATM jsou vkládány do největších dostupných kontejnerů SDH, které jsou přenášeny v informačním bloku rámce SDH. 9 bajtů 261 bajtů VC4 9 bajtů záhlaví H4 Buňka ATM POH 53 bajtů Záhlaví Přenos buněk ATM v informačním bloku rámce SDH. (POH - Path Overhead - informace používaná pro správu a řízení Transportní mód ATM a hierarchie SDH jsou komplementární. Mód ATM poskytuje šířku pásma, která je požadována danou službou a SDH zajišťuje způsob přenosu informace ATM v rámci sítě bez ohledu na typ provozu. Na obr.4 je blokové schéma síťového adaptéru DVB-SDH uvedené EBU v normě ETS 300 814 [20]. DVB - SDH VC_11,VC_12,VC_2,VC_3 DVB zařízení MPI MPEG fyzické rozhraní MAA MPEG ATM adaptace VPE Virtuální cesta objektu VPME VP Multiplexo vání objektu Sm_TT VC-m vrstva - zakončení HOA Vyšší assembler S4_TT VC_4 vrstva - zakončení TTF Transport ní koncová služba SDH trasa EMF Řídící funkce zařízení SETS Synchron. jednotka časové funkce SETPI Synchron. jednotka fyzického rozhraní 2 MHz rozhraní Obr.4: Blokové schéma síťového adaptéru DVB - SDH - 14 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí ATM sítě V budoucnosti se nám nabízí pro primární distribuci použití Asynchronního přenosového módu (ATM). ATM používá buňkovou strukturu multiplexu a může být využita k přenosu signálů PDH (ETS 300 813) a SDH (ETS 300 814). Buňky ATM sestávají z 5-ti oktetové hlavičky a následuje 48 oktetů dat. Pro přizpůsobení různých signálů pro ATM je definováno pět ATM Adaptačních úrovní (AALs). AAL1 nebo AAL5 mohou být použity pro přenos MPEG2-TS, liší se chybovou detekcí a korekcí použitou v AAL1 (v AAL5 použity nejsou). Buňky ATM jsou na rozdíl od synchronního přenosového módu a přenosu paketů vkládány do časových intervalů a vytvářejí tak spojitý tok těchto elementárních intervalů. Neexistuje zde žádný rámec, kterému by informace musela být přizpůsobena. Buňky ATM jsou vloženy do toku časových intervalů, kdykoliv je takový volný interval k dispozici. Fixování pevné délky buněk je klíčovou předností ATM na rozdíl od konvenčních sítí, kde se přenášejí pakety o proměnné šířce prostřednictvím fixního pásma. V existujících sítích to umožňuje vystavět dynamické virtuální cesty směrováním buněk pomocí ATM přepínačů různými cestami do místa určení, kde je znovu sestaven informační paket. Cesty lze okamžitě rekonfigurovat a opětovně jinak využít. Výsledkem je velmi pružný systém, který nemá rigidní strukturu. Nerozlišuje kolik a jakého typu provozu putuje v libovolně definovaném okamžiku systémem, z čehož vyplývá, že přenosový mód ATM je schopen potenciálně zpracovat jakoukoliv službu. Z těchto důvodů bývá mód ATM označován za systém, který je schopen poskytnout libovolnou požadovanou šířku pásma. Síťové adaptéry specifikované pro adaptaci DVB do PDH a SDH sítí jsou založeny na převodu MPEG2-TS do buněk ATM s využitím AAL1 s pozdějším převodem ATM buněk do rámců PDH nebo SDH. Proto tyto specifikace mohou být použity pro přenos sítí ATM. Satelitní distribuce TS může být přenášen satelitním spojem s využitím DVB-S (EN 300 421). Avšak ve všech vysílacích sítích je doporučen re-multiplex SI dat pro respektování změny přenosového média. 5.1.2 Synchronizace MPEG z časového hlediska MPEG-2 dekodér v přijímači musí obnovovat programové hodiny. Obvykle se k tomu využívají programové hodiny (Programme Clock Reference PCR) vkládané do všech MPEG paketů specifikace vyžaduje maximální interval mezi po sobě jdoucími PCR pro každý program 0,1 s. Nepřesnosti v odstupech po sobě jdoucích PCR v přijímači způsobuje jitter v hodinách přijímače. Při multiplexování nebo re-multiplexování je vloženo různé množství paketů mezi původní, podle odchylky od požadovaného odstupu PCR. - 15 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí Synchronizace MPEG multiplexoru a modulátoru 1. COFDM modulátor je master Toto je nejjednodušší případ, kdy je synchronizace předávána mezi modulátorem a multiplexerem. Omezení je dáno jitterem hodin vznikajícím při větší vzdálenosti mezi modulátorem a multiplexerem. 2. COFDM modulátor i multiplexer jsou masters Zde obsahuje modulátor jednoduchý remultiplexer a pomocí něj je upravována bitová rychlost vkládáním nulových paketů; kvůli tomu musí být upraveno PCR pro všechny služby jak je popsáno v kap.5.1.2. Tato metoda je velice flexibilní, ale na druhou stranu nehospodárná ve využití bitového toku. 3. Multiplexer je master Modulátor má velkou vyrovnávací paměť na vstupu a výstupní hodiny jsou řízeny v závislosti na zaplnění vstupní vyrovnávací paměti. 4. Externí synchronizace Modulátor a multiplexer jsou řízeny z dostupného univerzálního externího časového zdroje (např. 10 MHz reference řízená GPS nebo 77,5 MHz z DCF77 v Německu). Při použití sítě SFN je nutné zabezpečit důkladnou synchronizaci v primární distribuční síti, viz. kap. 5.2. 5.2 SFN síť 5.2.1 Síťová topologie Síť představuje kompletní digitální pozemní TV řetěz, tvořící DVB-T a sestávající ze čtyř částí: Produkční TV studio a hlavní control room Zdrojové kódování, vkládání dat a programový multiplex Primární distribuční síť (transportní) Sekundární distribuční síť (vysílací) 5.2.2 Požadavky na SFN Nastavení SFN umožňuje v DVB-T nastavení všech významných parametrů v poli televizního vysílání. Hlavní parametr je spektrální účinnost. Pro zdárné dosažení těchto parametrů musí být zváženo několik specifických parametrů. Synchronizace: Všechny vysílače v SFN jsou synchronně modulovány stejným signálem a vysílají na stejné frekvenci. Všechny současně vysílané signály musí být frekvenčně, časově a bitově synchronizovány. Pro docílení těchto požadavků (frekvence) musí být všechny oscilátory na všech vysílačích řízeny referenčním oscilátorem. Jestliže (časově) Tn představuje ideální okamžik pro nth symbol který bude vysílán, budou moci všechny vysílače přijmout tento - 16 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí symbol v čase Tn±1µs. Vysílání stejných symbolů ve stejném čase vyžaduje identickou modulaci všech nosných. Konečně všechny bity musí být modulovány stejným kth nosnou. DVB-T stanovuje SFN specifikace pro provedení těchto požadavků. V popsané síti je SFN adaptér umístěn na výstupu části vytvářející TS (transport stream přenosový tok). Toto zařízení periodicky vkládá do přenosového toku takzvaný Megaframe Identification Packets (MIP). Tyto přidané pakety jsou použity v modulátorech pro vhodnou bitovou synchronizaci. Synchronizační mechanizmus je založen na existenci dvou externích celosvětových normálů: jednoho frekvenčního normálu a jednoho časového normálu. V našem případě to mohou být použity frekvence 10 MHz a časové pulsy 1 pps (pulses per second) ze signálu přijímaného z Global Positioning Systém (GPS) ve všech sítích vysílačů a v místech všech SFN adaptérů. Schéma takové sítě je na obrázku. - 17 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí GPS anténa GPS přijímač V-SFN Adapter 1 PPS 10 MHz 1 PPS F1 10 MHz COFDM Modulátor 10 MHz LVDS 34 MBit Satellite Digitální spoj Vysílací věž Digitální spoj Vysílací věž GPS anténa 10 MHz GPS přijímač 1 PPS 1 PPS 10 MHz 10 MHz LVDS 34 MBit COFDM Modulátor Transportní tok s MIP Základní pásmo - 18 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí Požadavky na vysílač Kompletní soubor požadavků na vysílače byl určen v systému VALIDATE. Nejvýznamnější body které byly určeny jsou: Frekvenční stabilita. Všechny nosné musí být vysílány s frekvencí v rozmezí f k ±( f/100). Předpokládaný limit tolerance je ±11 Hz. Vysílače potřebují externí frekvenční normál pro synchronizaci v SFN (10 MHz z GPS přijímače např.) Fázový šum oscilátoru. Nejvíce omezujícím faktorem při testování vysílačů a přijímačů byl fázový šum oscilátorů a proto mohou být i nejlepší vysílače PAL nepoužitelné pro DTT. Výstupní Back-off. Maximální výkon který může být získám z vysílačů je omezen nelineárními efekty v zesilovačích, které ovlivňují kvalitu vysílání. Pro všechny vysílače použité v DVB-T vysílání existuje daná velikost výstupního výkonu která maximalizuje velikost pokrytého území. S nižším výkonem nebude využita celá kapacita zařízení, s vyšším výkonem obdržíme realizací přidaného systému větší ztrátu než bude zisk na velikosti pokrytého území. Typická hodnota Back-off je okolo 6dB nebo ještě více. Požadavky na převaděče Všechny požadavky uvedené u vysílačů můžeme aplikovat na převaděče nebo profesionální vykrývače. Avšak v tomto případě je třeba vzít v úvahu ekonomickou stránku, protože převaděče by měli být o mnoho levnější než vysílače. Další požadavek na převaděče je maximální dosažitelný zisk v dané síti, kde jsou použity převaděče pro SFN. Tento zisk je omezen zpětnovazebním ziskem, tedy izolací vysílací/přijímací antény. Je dokázáno, v poli této izolace nad 100 db, ačkoliv lišící se, může být přijatelný. Maximální zisk převaděče je tedy omezován hodnotou izolace mínus bezpečnostní hodnoty potřebné pro zabránění problémů s nestabilitou, která může vytvářet nedostupnost systému na území vykrývače. Předběžná bezpečnostní hodnota je okolo 20 db. - 19 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí 5.3 Statistické multiplexování Statistický multiplex slučuje výstupy několika enkodérů a TS procesorů. Do vzniklého transportního toku jsou vkládány PSI (Program Specific Information), SFN MIP a jestliže je vyžadováno, tak SI (Service Information). Jestliže je požadován podmíněný přístup (Conditional Acces), multiplex může použít encryptování několika částí výchozích služeb. Výstup z multiplexeru je DVB přenosový tok (TS) v ASI nebo SPI formátu. Vlastnosti statistického multiplexu: Dynamicky se měnící bitová rychlost od 0,5Mbit/s do 10Mbit/s v každém jednotlivém rámci inteligentní řízení přidělování více šířek pásma enkodéru podle rozdílnosti materiálu udržování kvality přenosu při nízké průměrné bitové rychlosti uvolnění nevyužité šířky pásma pro další přídavné služby omezení celkové ceny hardwaru systému významné snížení ceny sítě nevyžaduje již žádná další přídavná zařízení pokračuje v práci i v případě poruchy MCC (Multiplex Control Computer) ověřeno na více jak 2000 již pracujících enkodérech Systém MPEG-2 Statistický multiplex typicky umožňuje uvolnění okolo 20% až 30% šířky pásma při zachování stejné kvality. Tato úspora umožní mít třikrát víc služeb v jednom multiplexu Tato vlastnost je ilustrována na obr.5 a obr.6. obr.5 : Využití přenosové kapacity u standardního multiplexu - 20 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí obr.6 : Využití přenosové kapacity při použití statistického multiplexu 5.4 Vlastní návrh sítě pro ČR Analogové televizní vysílání používané dosud v České republice (PAL, dříve SECAM) již neumožňuje další zvyšování počtu celoplošně vysílaných programů, ani zvětšování kvality již vysílaných programů. Není možné ve stávající analogové síti aplikovat žádné nové služby založené na digitální technologii. Jedním z největších problémů současného stavu v ČR je nedostatek volných televizních kanálů, jenž bude jistě způsobovat potíže při zavádění vysílání DVB-T. Přechod na vysílání pomocí technologie DVB-T je možné realizovat v závislosti na ekonomických aspektech celého projektu. Zejména se jedná o zájem jednotlivých poskytovatelů vstoupit do této sítě a o zájem samotných koncových uživatelů sítě o služby jenž jim budou k dispozici. Nabízí se řešení postupného budování sítě se současným provozováním stávajícího analogového vysílání, nebo vybudování základní sítě DVB-T zajišťující pokrytí celého území ČR alespoň pro celoplošně šířené programy a následného překlopení vysílání do DVB-T. Postupné budování sítě společně se stávajícím vysíláním analogové televize bude obtížné zejména pro nedostatek volných televizních kanálů potřebných pro pokrytí požadovaného území signálem DVB-T. Při volbě překlopení televizního vysílání do digitální podoby stojíme před problémem, zda bude tento krok akceptován veřejností, která zatím využívá analogového příjmu. Dalším aspektem pro budování sítě jsou také ekonomické náklady na vybudování. V tomto případě můžeme zvolit cestu vybudování sítě, která bude v dnešní době efektivně využívat volné televizní kanály a bude koncipována jako síť SFN, ale bude v podstatě provizorním řešením pro nějaké přechodné období a jejím největším nedostatkem bude minimální nebo žádná možnost vstupu regionálních poskytovatelů do sítě. Druhou možností - 21 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí je budovat od začátku síť ve strukturované podobě, která bude dražší a náročnější na vybudování, ale později snadno rozšiřitelná (MFN s lokálnímy SFN). Důležitým pro začátek budování DVB-T sítě bude předpoklad konkurence schopnosti této sítě oproti jiným distribučním sítím jako je satelitní přenos, kabelové televize apod. V tomto případě by pozici pozemního vysílání mohlo vylepšit statistické multiplexování (viz. kap. 5.3) jenž umožní jedním tv kanálem přenášet více služeb s nezměněnou kvalitou oproti standardnímu multiplexu s pevně přidělenými datovými toky. Celý návrh organizace sítě DVB-T je třeba provést směrem od koncových uživatelů vkládáním jednotlivých toků a potřebných informací: Rozdělení dle způsobu příjmu Rozdělení na oblasti SFN Odhad přídavných toků regionálních stanic v jednotlivých regionech Vyhodnocení velikosti datového toku Volba vhodného přenosu transportního toku na vysílače (RR nebo satelit) - 22 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí 5.4.1 Stávající stav v ČR 5.4.1.1 Radioreléové spoje Analogové radioreléové spoje (RRS) byly využívány pro distribuci analogového televizního signálu na vysílače do roku 1997, kdy bylo 23.1. uveden do provozu systém pro primární distribuci digitálního signálu přes družici pomocí DVB-S [32]. Pro distribuci analogového televizního signálu k vysílačům sloužili analogové radioreléové spoje s frekvenčním multiplexem a frekvenční modulací nosné (FDM/FM) [32]. Analogové RRS lze použít k dopravě digitálního signálu na vysílače po náhradě skupinového signálu signálem OFDM v základním pásmu. Šířka pásma OFDM je cca 8 MHz a vyhovuje šířce pásma skupinového signálu cca 9 MHz. Na vysílacích stupních by bylo však třeba provést určité úpravy, viz. [32]. V roce 1990 byl proveden průzkum možnosti přenosu digitálního signálu analogovými RRS v rámci přípravy digitálních sítí pro telekomunikace. Byla použita modulace QPSK s bitovým tokem 34 Mbit/s. Měření ukázalo, že digitální přenos je možný, ale dochází k rušení sousedních stvolů vlivem obnovení postranních laloků na nelineárním koncovým stupni. Naproti tomu digitální RRS v současné době umožňují ve stejně širokém frekvenčním pásmu přenos 155 Mbit/s. V Národní kmitočtové tabulce [32 str.55] jsou pro analogové RRS vyčleněna pásma 5 GHz do roku 2000 a 8 GHz do roku 2005 na dožití. Pro digitální RRS jsou připraveny normy [32;str.27, 28] standardizující rozhraní pro adaptaci transportního toku MPEG na PDH a SDH sítě. V našich podmínkách tedy otázka primární distribuce DVB-T analogovými RRS pozbývá významu. 5.4.1.2 Digitální družicová distribuce (Czechlink) Přenosová symbolová rychlost multiplexu byla zvolena 30MS/s a konvoluční poměr ¾. Po zabezpečení dat Reed-Solomonovým kódem zůstane pro přenos užitečných dat bitový tok 41,5 Mbit/s. Do transportního multiplexu jsou vkládány bitové toky televizních, rozhlasových a testovacích signálů, viz. tabulka 1. - 23 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí PSI Label Service PIDs Kódování CryptoWorks Datový tok EMM [hex] [dec] Kód EMMGF Label Mód Video A0 160 Ano Hall. Video Ne 4:3, 720x576 5,52Mb/s Audio1 50 80 Ano Audio Ne Stereo, 256kb/s 48kHz Hallmark 1 Audio2 51 81 Ne X X Vypnuto Teletext 20 32 Ne X X V provozu Aux Data 21 33 Ne X X Vprovozu Video A1 161 Ano Prima TV Ano 4:3, 720x576 7,68Mb/s Audio1 54 84 Mono, 192kb/s 48kHz Prima TV 2 Audio2 55 85 Ne X X Vypnuto Teletext 23 35 Ne X X V provozu Aux Data 24 36 Ne X X Vypnuto Video A2 162 Ano CT1 Ano 4:3, 720x576 8,20Mb/s Audio1 58 88 Stereo, 384kb/s 48kHz ČT1 3 Audio2 59 89 Dual, 384kb/s 48kHz Teletext 26 38 Ne X X V provozu Aux Data 27 39 Ne X X V provozu Video A3 163 Ano CT2 Ano 4:3, 720x576 8,20Mb/s Audio1 5C 92 Stereo, 384kb/s 48kHz ČT2 4 Audio2 5D 93 Dual, 384kb/s 48kHz Teletext 29 41 Ne X X V provozu Aux Data 2A 42 Ne X X V provozu Video A4 164 Ne Galaxie Ano 4:3 528x480 3,776Mb/s Audio1 60 96 Ne X X Stereo, 128kb/s 48kHz Galaxie 5 Audio2 61 97 Ne X X Vypnuto Teletext 2C 44 Ne X X Vypnuto Aux Data 2D 45 Ne X X Vypnuto Video A5 165 Ano Test2 Ne 4:3, 720x576 1,977Mb/s Audio1 64 100 Vypnuto Test 2 6 Audio2 65 101 Ne X X Vypnuto Teletext 2F 47 Ne X X Vypnuto Aux Data 30 48 Ne X X Vypnuto RFE/RL 17 Audio B0 176 Ne X X Stereo, 192kb/s 48kHz Radiožurnál 18 Audio B1 177 Ne X X Stereo, 192kb/s 48kHz RDS D1 209 Ne X X 2400kb/s Praha 19 Audio B2 178 Ne X X Stereo, 192kb/s 48kHz RDS D2 210 Ne X X Vltava 20 Audio B3 179 Ne X X Stereo, 192kb/s 48kHz RDS D3 211 Ne X X Proglas 21 Audio B4 180 Ne X X Stereo, 192kb/s 48kHz IN STORE 22 Audio B5 181 Ne X X Dual, 192kb/s 48kHz X PSI EMM X X X X X X X PSI ECM X X X X X X Tab.1: Nastavení Czechlink [28] - 24 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí Kdybychom měli použít Czechlink pro distribuci primárního digitálního signálu, musel by být každý vysílač vybaven remultiplexorem, který by transformoval bitový tok na velikost, kterou je schopna síť DVB-T přenést (např. výběrem příspěvků) a dále přidal do toku další informace o multiplexu a síti (viz. kap. 7). Bez změny velikosti bitového toku by bylo možné přenést pomocí DVB-T maximálně tři programy z multiplexu Czechlink. Změna konfigurace DVB-T z předpokládané varianty 64 QAM 2/3 s nejmenším ochranným intervalem 1/32 T U a bitovým tokem 24,13 Mbit/s by způsobila značné komplikace při plánování pokrytí z důvodů větších požadavků systému na C/N. Důležité je podotknout, že bitový tok některých programů v multiplexu Czechlink je nadhodnocen a to i přesto, že jde o primární distribuci na vysílače, takže by bylo možné při snížení bitového toku na 5 Mbit/s (standardní kvalita obrazu systému PAL) vytvořit nový transportní multiplex složený ze čtyř až pěti programů přenositelnými pozemskými vysílači. Využití transportního multiplexu Czechlink pro distribuci digitálního signálu k vysílačům v síti DVB-T není teda přímo možné, jelikož vyžaduje přemultiplexování transportního toku a vložení nových tabulek (informací o síti a multiplexu, viz. kap.7) příslušejících standardu DVB-T na každém vysílači. 5.4.1.3 OFDM a vysílače OFDM má svou výhodu robustnosti ve frekvenčně selektivních kanálech vyváženou dvěma nepříjemnými rysy. Jsou to vysoké požadavky na linearitu zesilovačů (BER a nároky na filtraci intermodulačních produktů) a velký poměr špičkového výkonu ku střednímu výkonu (peak to average power ratio). Vysílače s tranzistorovým koncovým stupněm, které se však začali používat teprve nedávno (rozšiřování vysílání TV Prima), jsou již koncipovány tak, že výměnou některých částí (modulátor a výstupní filtr) je lze překonfigurovat na digitální. Vysílače s výkonovou elektronkou lze použít pouze po snížení výstupního a výkonu a tím i účinnosti. Podrobnosti viz. [32]. Stávající síť analogových vysílačů a převaděčů pokrývá celé území ČR. Nabízí se tedy možnost realizovat totéž pokrytí pomocí sítě digitálních vysílačů MFN s tím, že místo převaděčů lze použít opakovačů v lokální SFN síti. Avšak v řadě případů není možné v dané lokalitě najít takový volný kanál, který by umožňoval plně využít výkonu digitálního vysílače, aby bylo dosaženo srovnatelného pokrytí jako v případě analogového vysílání. Také vysílače na vysoce položených stanovištích lze jen těžko využít z důvodů rušení. 5.4.1.4 Dosavadní TV studia Praha: Česká Televize (6 studií), TV-PRIMA, TV-NOVA, Ostrava (ČT), Brno (ČT). - 25 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí 5.4.1.5 Oblasti s vysokou hustotou obyvatelstva Praha a okolí, Plzeň a okolí, Karlovy Vary a okolí, Chomutov - Most, Teplice - Ústí nad Labem - Děčín, Liberec a okolí, Hradec Králové - Pardubice, Brno a okolí, Olomouc a okolí, Ostrava - Karviná - Frýdek-Místek, Jihlava, Opava, Zlín. Celkem 13 oblastí. 5.4.2 Návrh jednotné sítě SFN Velkou výhodou při realizaci jednotné celoplošné sítě SFN je nejlepší využití dostupného kmitočtového spektra ze všech možných řešení. Pro pokrytí celého území státu by byl potřeba jeden jediný kmitočtový tv kanál. V současné době jsou k dispozici na převážné většině území ČR kanály K64 až K66. Ve zprávě [34] se uvádí, že je celkem nemožné zkoordinovat jednu celoplošnou síť SFN. Pokud budeme ale uvažovat, že bude striktně postupováno podle doporučení CEPT, měly by být kanály K61 až K69 přednostně určeny pro DVB-T. Je pravda, že jsou v dosavadní době ještě určité kanály z výše jmenovaných zabrány vojenskými aplikacemi, avšak při přibližování k doporučením CEPT by měly být uvolňovány. Zcela jasné možnosti v této části spektra budou zřejmě jasné až po konferenci na úrovni CEPT/ERC (předpoklad 2005). V případě konečného neúspěchu při vyhledání volného kanálu pro celoplošnou SFN síť je třeba navrhnout několik velkých SFN sítí vysílajících stejný programový multiplex a to za cenu obsazení více tv kanálů. Celoplošná síť SFN má však jednu z největších nevýhod a tou je, že neumožňuje žádné vstupy regionálního vysílání. Je to způsobené vlastností sítě SFN, ve které musí všechny vysílače synchronně vysílat tentýž transportní tok TS. Podrobněji viz kap.5.2. Uvažujeme-li s rozvojem regionálního vysílání, je možnost využití této sítě velice problematická, jednou z možností je vysílání regionálních informací ve vstupech do vysílání, v jakýchsi "oknech", ovšem možnost souběžného vysílání různých regionálních programů v různých lokalitách zde nepřichází v úvahu. Obtížná je také doprava těchto příspěvků, které by musely být přenášeny do společného kódovacího a multiplexovacího uzlu sítě. Z hlediska ekonomického se síť SFN jeví jako velice výhodná, je možné využít stávajících vysílacích míst, distribuce modulačních signálů a veškeré infrakstruktury, která je již vybudována. - 26 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí 5.4.2.1 Návrh multiplexu pro velkou SFN síť Konfigurace vf kanálu: Kofigurace M3 dle ITU pro velkolkoplošnou SFN, vf kanál 8 MHz (tab.2): prvý stupeň protichybové ochrany kód RS(188,204,8) druhý stupeň protichybové ochrany konvoluční kód 2/3 vysílací mód 8K modulace 64-QAM ochranný interval D/Tu 1/4 (tj. 224 µs) C/N 17 až 22 db velikost čistého transportního toku TS, kterou tato konfigurace umožňuje 19,910 Mbit/s Omezení špičkového bitového toku na jeden TV program Střední hodnota bitového toku na jeden TV program Mezisoučet: 6 TV programů (video) 6,500 Mbit/s 2,050 Mbit/s 12,30 Mbit/s 6 x zvukový kanál stereo, 198 kbit/s 1,125 Mbit/s Služební kanál 64 kbit/s 0,064 Mbit/s Systém SI 142 kbit/s 0,142 Mbit/s Mezisoučet pro 6 kompletních tv programů 13,630 Mbit/s Zbývá (19,910 Mbit/s - 13,630 Mbit/s) 6,28 Mbit/s 2 x rozhlasový program s RDS 2x(192 + 2400) 5,063 Mbit/s Součet Zbývá 18,693 Mbit/s 1,217 Mbit/s Tyto zbývající 1,217 Mbit/s je možné využít pro další interaktivní datové služby. Při vkládání rozhlasových programů bez přídavných datových toků (RDS) je možné přidat další kompletní tv program a vložit standardní blok pěti rozhlasových programů. Předpokládám však požadavek poskytovatelů rozhlasových programů na přítomnost přídavného datového toku. 5.4.2.2 Modulační síť pro velkou SFN Modulační síť je síť, která dopravuje modulační signál k jednotlivým vysílačům DVB- T velkoplošných nebo velkých regionálních sítí SFN, které vysílají identický transportní tok TS. U této sítě je třeba rozlišovat část dopravující programový tok od poskytovatelů do centrálního uzlu, kde je umístěn kodér a multiplexer DVB-T a část dopravující zde vytvořený transportní tok TS na jednotlivé vysílače. Pro celou tuto síť by měli být dodrženy následující podmínky: - 27 -
5. Návrh organizace primárních sítí popis variantního uspořádání přenosu TS distribuční sítí Jediný centrální kódovací a multiplexovací uzel. Vyhnout se řetězení kodérů a dekodérů (princip jediného kodeku MPEG-2) Jediný provozovatel multiplexu, provozující kódovací a multiplexovací síť pro vysílače DVB-T (viz kap. 6). Přenos programového toku (tv signálu) do kódovacího uzlu (MPEG-2 kodér) u jednotlivých poskytovatelů by měl být proveden v co nejvyšší kvalitě (rozhraní SDI 270 Mbit/s dle CCIR 601/656) pomocí sítí uvedených v kap.5.1. Transportní tok TS je identický pro celou vysílací síť. Každý tv program je zdrojově kódován kodérem MPEG-2 a dále vstupuje do multiplexu (nejlépe statistický) spolu s dalšími bitovými toky, které odpovídají dalším programům a službám (viz. kap. 7) a je tak vytvořen transportní tok TS. Přenos transportního toku TS na jednotlivé vysílače bude realizován optickým kabelem, PDH nebo SDH sítí, ATM nebo satelitní distribucí (viz.kap.5.1), v reálu bude jistě síť využívat kombinaci těchto technik; zatím vychází distribuce pomocí družicového kanálu nejlevněji, jinak musí dojít k budování dalších nákladných tras a v některých případech k vyhledání volných kmitočtů pro přenosy (kap. 5.4.1). Po příjmu transportního toku TS na jednotlivých vysílačích by měl být další interní přenos TS realizován přes rozhraní SPI s využitím LVDS, popř. rozhraní ASI (viz. Příloha1), dále bude provedena modulace OFDM a vysílání signálu DVB-T na území určené k pokrytí. 5.4.3 Návrh MFN s lokálními SFN Problém vstupu regionálního televizního vysílání do multiplexu řeší multifrekvenční síť s lokálními sítěmi SFN, tedy kombinovaná síť, jenž může využít kanály K64 až K66. Regionální lokální sítě SFN musí využívat jednotlivé kanály tak, aby mohlo dojít k prostřídání těchto kanálů na území ČR. Pokud by musely sousedit dvě sítě SFN vysílající různý přenosový tok vedle sebe a zároveň by využívali stejného tv kanálu, nesměli by se jejich oblasti pokrytí dotýkat, tzn. na linii dotyku lze například použít více malých vysílačů s omezeným dosahem. Tímto způsobem by musely být vyřešeny i problémy s rušením, které by mohlo nastat s vysílači v okolních státech. Při budování této sítě je možno využít infrastruktury jenž existuje na stanovištích analogových vysílačů a vykrývačů, které mají většinou jen místní dosah a slouží převážně k vysílání programu TV-PRIMA. V materiálu TESTCOM [34] je tato varianta zavržena pro velké náklady na vybudování sítě malých vysílačů a především pro velmi nákladné budování modulační sítě se složitou topologií. Je však třeba zvážit, kolik je vlastně lokalit na našem území s velkým soustředěním obyvatelstva a kolik regionálních SFN sítí by na území naší republiky vlastně vzniklo a tudíž, kolik rozdílných multiplexů by bylo vytvořeno. Doprava modulačního signálu na jednotlivé vysílače satelitním spojem by skutečně rentabilní nebyla, uvážíme-li, že oblastí s vysokou koncentrací obyvatelstva je přibližně 13 (viz. kap. 5.4.1.5). Avšak budování RRS či optických spojů se jistě nevyhneme ani v případě třetí varianty navrhované TESCOMem [34], kde navíc dochází k problému pokrytí zbytku území, které není hustě osídlené. V případě, že budeme uvažovat o "překlopení" veškerého analogového vysílání do digitální podoby, tak - 28 -