Modulace OFDM DVB-T, DAB, DRM
OFDM - ortogonální frekvenční multiplex Přenos realizován na více nosných vlnách Kmitočty nosných vln jsou voleny tak, aby byly navzájem ortogonální (neovlivňovaly se) Modulace nosných BPSK, MPSK, QPSK, QAM OFDM symbol data Sério-paralelní převodník mapování symbolů c n,kmin c n,kmin+1 c n,kmax j e ω j e ω x K min x x K max t t + K max j kt s OFDM () t = cn, ke ω n= k= Kmin K min pořadové číslo první nosné K max pořadové číslo poslední nosné
OFDM Ortogonální systém harmonických funkcí na intervalu délky T U 2π k j t T jω t U k e = e pro k K, K ω k 2π k = T U min max Viz Fourierova řada - rozklad signálu na intervalu T do systému ortogonálních harmonických funkcí T U Podmínka ortogonality T U * 2π 2π j kt j nt TU T T U U pro k = n e e dt = 0 pro k n
Konstrukce modulátoru a demodulátoru OFDM K max j kt s OFDM n () t = cn, ke ω k= Kmin -vztah pro komplexní Fourierovu řadu, kde c = 0 pro k Kmin, Kmax k n, k ( ) jωkt cˆ = s t e dt T U c Odhad symbolů ˆk v přijímači lze ze signálu s OFDM t získat pomocí vztahu pro výpočet koeficientů Fourierovy řady OFDM n ( ) (odpovídá korelačnímu přijmu nebo detektoru z přizpůsobeným filtrem) Modulátor a demodulátor se většinou realizuje číslicově, místo Fourierovy transformace používá DFT resp. FFT. OFDM symbol c c c K min K min + 1 K max FFT D/A s OFDM ( t) A/D IFFT cˆ cˆ cˆ K min K min + 1 K max
Problém s ISI Vícestavové modulace jsou velmi citlivé na intersymbolovou interferenci, která vzniká například vícecestným šířením signálu. Překrývání symbolů 0 symbol 1 symbol 2 t 0 symbol 1 symbol 2 + symbol 1 symbol 2 t vysílač přijímač
Ochranný interval Řešení ISI: Zavedení ochranného intervalu T s T U Symbol se na začátku prodlouží o čas. Doba trvání symbolu T s =T U + Trvání ochranného intervalu se také často vyjadřuje zlomkem T U Pro demodulaci se využívá pouze vyznačené úseky signálu, ve kterých je ISI nulová a nosné jsou ortogonální.
Vlastnosti OFDM Výhody Odolná proti selektivnímu úniku Signál narušen jen na některých nosných. Opraví se pomocí FEC Odolná proti vícecestnému šíření signálu Jednofrekvenční sítě vysílačů Možnost mobilního příjmu Nevýhody Velké kolísání obálky => lineární vysílač, malá účinnost vysílače Nutnost velké dynamiky při zpracování
Jednofrekvenční sítě SFN (Single Frequency Network) Síť synchronizovaných vysílačů pracujících na společném kmitočtu Vykrytí míst s problematickým příjmem Pokrytí většího území Lepší využití kmitočtového spektra Intersymbolová interference způsobená různou dobou šíření signálu od vysílačů se řeší ochranným intervalem vysílač 2 vysílač 1 Přijímač vysílač 3
Aplikace OFDM Radiotechnika DAB, DVB-T, DRM WiFi G4 (4 generace buňkových telefonů) Telekomunikace ADSL Komunikace po energetických sítích
DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial Norma ETSI EN 300 744 Podpora kanálového dělení 8MHz, 7MHz, 6MHz Stávající televizní pásmo a kanálové dělení VHF 174-230 MHz, UHF 470-860 MHz Podpora SNF (jednofrekvenčních sítí) Zvětšení obsluhovaného území Vykrytí problematických míst Lepší hospodaření s kmitočtovým spektrem Systém lze přizpůsobit místním podmínkám Počet nosných - režimy 2K, 8K,4K (pro DVB-H) Typ modulace nosných - QPSK, 16-QAM, 64-QAM Rychlost kódování vnitřního kodéru 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Délka ochranného intervalu 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Možnost hierarchického režimu Vysílat program v normálním a vysokém rozlišení Vysílat některé programy jinou modulací (větší dosah)
DVB-T zdrojové kódování MPEG 2 (MPEG 4) Sdružování jednotlivých programů transportního toku audio video doplňková data audio video doplňková data Programový mux Programový mux Transportní mux Transportní tok (pakety délky 188 byte) PES Packetised elementary stream (pakety délky 188 byte) Struktura paketu SYNC 1 Byte MPEG-2 data 187 Byte
Blokové schéma vysílače DVB-T Kodér zdroj Transportní MUX scrambler Vnější kodér Vnější prokladač Vnitřní kodér scrambler Vnější kodér Vnější prokladač Vnitřní kodér Jen hierarchický režim Vnitřní prokladač Mapování OFDM modulátor Vložení ochranného intervalu D/A Koncový stupeň vysílače Pilot TPS TPS Transmission Parameter Signaling
Scramblování Metoda pro zajištění, aby vysílaná data měla charakter náhodných dat Příznivý dopad na spektrum vysílaného signálu Vysílaná data se vynásobí pseudonáhodnou posloupností Na straně přijímače se data opět násobí stejnou posloupností, čímž se získá původní posloupnost Scrambler DVB-T Počáteční stav Posuvný reg. 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 xor vstup xor výstup Scramblují se pouze MPEG-2 data, SYNC se nescrambluje
Vnější kodér Zkrácený Read-Solomonův kód RS(204,188,t=8) Odvozený z kódu RS(255,239,t=8) Nebinární lineární (cyklický) blokový kód Symbol tvořen 8 bity (oktet, Byte) 188 Byte 204 Byte SYNC 1 Byte MPEG-2 data 187 Byte Kodér RS(204,188,t=8) SYNC 1 Byte MPEG-2 data 187 Byte Parita 16 Byte
Vnější prokladač Konvoluční Bytový prokladač Prokladač Zpětný prokladač M=11x17 Přepíná po každém Byte M = 17 Přepíná po každém Byte M=10x17 M=2 x 17 M=9 x 17 M=3 x 17 M=8 x 17 M=11x17 FIFO registr délky M Bytů
Vnitřní kodér Punkturovaný konvoluční kód 1/2 s omezující délkou 7 Data (bity) mod 2 + D D D D D D Výstup X Punkturování Výstup (bity) mod 2 + Výstup Y Kódová rychlost 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 Punkturování X:1 Y:1 X:10 Y:11 X:101 Y:110 X:10101 Y:11010 X:1010101 Y:1101010 Výstupní posloupnost X1 Y1 X1 Y1 Y2 X1 Y1 Y2 X3 X1 Y1 Y2 X3 Y4 X5 X1 Y1 Y2 X3 Y4 X5 Y6 X7
Vnitřní prokladač + mapování Demux Bitový prokladač Bitový prokladač 2 pro QPSK 4 pro 16-QAM 6 pro 64-QAM Symbolový prokladač Mapování OFDM symbol V případě hierarchického módu Bitový prokladač Demux Bitový prokladač
Konstelační diagramy modulace QPSK Im 10 00 nosných 16-QAM 64-QAM 11 01 Re α=1 α=1 1000 16-QAM 1010 Im 0010 0000 1001 1011 0011 0001 α=2 α=2 1101 1111 0111 0101 Re 1100 1110 0110 0100 Grayův kód α=4 α=4
Struktura rámce DVB-T rámec tvořen 68 OFDM symboly Datové nosné přenos dat Synchronizační nosné Kontinuální nosné (Continual Carriers) 177 pro 8K; 45 pro 2K Rozptýlené nosné (Scattered Carriers) 567 pro 8K; 142 pro 2K TPS (Transmission Parameter Signaling) 88 pro 8K; 17 pro 2K 67 bit. informace o konfiguraci (Použitá modulace, kódování, režim ) sloužící pro nastavení přijímače
Režim 8K, kanálový rozestup 8 MHz Počet nosných 6817 T U 896 µs Vzdálenost nosných (1/T U ) Šířka pásma (Vzdálenost krajních nosných) 1116 Hz 7,61 MHz Ochranný interval 1/4 1/8 1/16 1/32 Délka symbolu 1120 µs 1008 µs 952 µs 924 µs Režim 2K, kanálový rozestup 8 MHz Počet nosných 1705 T U 224 µs Vzdálenost nosných (1/T U ) Šířka pásma (Vzdálenost krajních nosných) 4464 Hz 7,61 MHz Ochranný interval 1/4 1/8 1/16 1/32 Délka symbolu 280 µs 252 µs 238 µs 231 µs
Další systémy DVB DVB-S(2) (Satelite) Modulace QPSK, 8PSK jinak podobné s DVB-T Příjem na směrovou anténu DVB-T (Terrestrial) DVB-H (Handheld) Vychází z DVB-T OFDM, 4K nosných Menší rozlišení Kódování upraveno tak, aby přijímač mohl být v aktivním režimu pouze po zlomek doby (úspora energie) DVB-C (Cable) Modulace 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM, 128 QAM, 256 QAM
BVB-T v ČR
DAB Standard pro rozhlasové vysílání ETSI EN300 401 v pásmu VKV a S (1,5 GHz) Přenos jakostních audio signálů a doprovodné informace včetně statických obrázků Kódování MPEG Audio Layer II Modulace OFDM, nosné DQPSK Pásma I. VKV 47 240 MHz (terestriární) II. Pásmo L 1452 1480 MHz (terestriární a satelitní) III. Pásmo 3 GHz (terestriární a satelitní) IV. Pásmo
DRM Digital Radio Mondiale Standard pro digitální rozhlasové vysílání v pásmu do 30 MHz v kvalitě FM rozhlasu Norma ETSI 201 980 Náhrada za stávající AM rozhlasové vysílání Výhody Lepší kvalita než stávající AM systémy Stereo Velký dosah viz módy šíření rádiových vln na těchto kmitočtech Možnost kódování pořadů Informace o pořadech + doprovodná data Možnost automatického přelaďování na vysílač se stejným programem
Blokové schéma vysílače Audio Data FAC Zdrojové kódování Kodér Kodér MUX Scrambler Scrambler Kodér kanálu Kontinuální nosné Kodér kanálu MSC FAC Mapování OFDM modulátor SDC Kodér Scrambler Kodér kanálu SDC MSC Main Service Channel FAC Fast Access Channel SDC Service Description Channel
Hlavní vlastnosti Kanál Poloviční šířka pásma 4,5 KHz nebo 5 KHz Bitová rychlost pro data kolem 8 kbit/s Normální šířka pásma 9 khz nebo 10 khz Bitová rychlost pro data kolem 20 kbit/s Dvojnásobná šířka pásma 18 KHz nebo 20 KHz Bitová rychlost pro data až 72 kbit/s Kódování audio MPEG 4 AAC (mono a stereo) jakostní audio 20 kbit/s MPEG 4 CELP (mono) řeč 8 10 kbit/s MPEG 4 HVXC (mono) řeč, velmi malá bitová rychlost 2 kbit/s možnost několik řečových signálů na jednom kmitočtu
Hlavní vlastnosti Režimy DRM Parametry OFDM symbolu Režim Podmímky A B C D A AWGN kanál, malý únik T U [ms] 24 21.3 14.7 9.3 B Časově a kmitočtově selektivní kanál T s [ms] 26.7 26.7 20 16.7 C D Jako B, ale vyšší rozprostření kmitočtu Jako B ale extrémní rozprostření kmitočtu Ochranný interval 1/9 1/4 4/11 11/14 Počet nosných Kanál/ 4,5 khz 5 khz 9 khz 10 khz 18 khz 20 khz režim A 100 112 205 229 413 461 B 90 102 183 207 367 411 C Nepoužívá se Nepoužívá se Nepoužívá se 139 Nepoužívá se 281 D Nepoužívá se Nepoužívá se Nepoužívá se 89 Nepoužívá se 179
Hlavní vlastnosti Modulace nosných 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM Kódování kanálu Punkturovaný konvoluční kód 1/4 Scramblování Prokládání