Jednofrekvenční sítě digitálních vysílačů Prof. Ing.Václav Říčný, CSc. Ústav radioelektroniky FEKT VUT Brno Purkyňova 118, 612 00 Brno Email: ricny@feec.vutbr.cz V článku jsou vysvětleny principy a vlastnosti jednofrekvenčních sítí digitálních televizních a rozhlasových vysílačů a související pojmy jako ochranný interval, rozsah sítě a další. Jednou z řady výhod nastupujícího pozemního digitálního televizního vysílání standardů DVB-T (Digital Video Broadcasting -Terrestrial), DVB-H (Handeld), ale i dalších výhledových služeb např. digitálního rozhlasového vysílání DAB (Digital Audio Broadcasting) nebo DRM (Digital Radio Mondial) je, kromě možnosti mobilního příjmu, že se vysílání může uskutečňovat v tzv.jednofrekvenčních sítích vysílačů - SFN (Single Frequency Network). Tyto vlastnosti vyplývají z charakteru použité sofistikované modulační metody (C)OFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). První symbol C ve zkratce značí, že informační datový tok je doplněn zabezpečovacím kódováním FEC (Forward Error Correction) pro identifikaci a opravu chyb vzniklých při přenosu. Pro symbolové zabezpečení se používá blokový Reed-Solomonův kód a pro zabezpečení jednotlivých bitů konvoluční kód s různými kódovými poměry. Tato modulace se vyznačuje vysokou odolností proti mezisymbolovým interferencím ISI, které ohrožují pozemní (terestrické) vysílání digitálních signálů vlivem odrazů (vícenásobného příjmu) V určité oblasti tedy může zajišťovat signálové pokrytí více vysílačů vysílajících multiplex digitálních televizních/rozhlasových signálů ve stejném kmitočtovém kanálu. Jejich dílčí signálové příspěvky se v místě příjmu nejen neruší, ale za jistých okolností dokonce podporují. Je tedy patrné, že jednofrekvenční sítě digitálních vysílačů mohou významně zlepšit využití stávajících kmitočtových pásem a kanálů i energetickou bilanci digitálních vysílačů. Ty pak mohou mít pro dosažení potřebného pokrytí území signálem, postačujícím pro kvalitní příjem, podstatně menší výkon. Metodu SFN nelze použít v případě pozemního analogového vysílání, ve kterém prakticky všechny současné světové normy televize používají amplitudovou modulaci s jedním částečně potlačeným postranním pásmem a pracují v sítích MFN (Multi Frequency Network). Při pozemní vysílání totiž přichází na přijímací anténu, kromě přímého signálu často jeden či více zpožděných signálů po odrazech od terénních a jiných překážek (vícenásobný příjem). Tyto časově zpožděné signály v analogové televizi významně degradují televizní obraz formou dalších, ve směru rozkladu posunutých, obrazů - tzv. duchů. Jednofrekvenční sítě lze ovšem budovat pouze v prostorově omezené oblasti, nikoliv na území celého státu - byť tak malého jako je Česká republika. Předpokládejme, že ve vyšetřované oblasti SFN působí více vysílačů vysílajících stejný a časově přesně synchronní digitální datový multiplex na stejném kmitočtu a velikost přijímaného signálu kdekoliv v této oblasti dosahuje nadprahové úrovně (úrovně, při níž je přijímač schopen bezpečně signál demodulovat a dekódovat). Potom základním faktorem, který definuje velikost této oblasti je tzv. ochranný interval. Tento pojem je třeba nejprve objasnit, což se neobejde bez alespoň zjednodušeného vysvětlení podstaty modulační metody OFDM. Její velká odolnost vůči vícenásobnému příjmu (vlivu časově zpožděných signálů) spočívá v tom, že velmi krátký časový interval T b jednoho bitu toku dat s b (t) se významně prodlouží. Prodloužení doby trvání symbolů se provádí tak, že se 25-1
původní sériový tok dat nejdříve mapuje do n dílčích paralelních symbolových toků s o (t), s 1 (t), s n-1 (t) a těmi se prostřednictvím některé nespojité digitální modulační metody (např. m-qam nebo QPSK) moduluje velký počet n současně vysílaných ortogonálních subnosných signálů viz obr.1, na kterém je zobrazen pro ilustraci průběh výkonových spekter pouze 4 subnosných vln. Ortogonalita systému je zajištěna tím, že rozestup maxim (minim) jednotlivých subnosných vln je roven celočíselnému násobku převrácené hodnoty doby trvání symbolu. Zkusme problém poněkud konkretizovat. Např. přenosový kanál se šířkou kmitočtového pásma 8 MHz umožňuje v konkrétním případě modulace COFDM v režimu 8k s modulací subnosných vln m-stavovou kvadraturní modulaci 64-QAM dosáhnout bitovou rychlost R b datového toku s b (t) R b 22 Mbit/s. V tomto případě je doba trvání jednoho bitu T b = 1/R b 45 ns. Obr.1: Výkonové spektrum ortogonálního systému pro zjednodušený případ 4 subnosných vln Pro nejčastěji používanou (nikoliv však jedinou) modulaci 64-QAM je binárně vyjádřený počet stavů m = 6 (2 m = 2 6 = 64). Jednou z možností, jak relativně jednoduše vytvořit signál OFDM odpovídajícího spektrálního složení, je použití inversní diskrétní Fourierovy transformace. Obr.2: Skupinové zapojení modulátoru OFDM s IDFT. 25-2
Počet n ortogonálních subnosných vln je ve standardu DVB-T n = 2048 (pro tzv. režim 2k), n = 8192 (režim 8k), případně pro standard DVB-H je možný počet n = 3409 (režim 4k). Pro přenos vlastních informačních dat však nejsou využity všechny v režimu 2k je počet aktivních vln n = 1705 a v režimu 8k je n = 6817. Zbývající subnosné vlny slouží jako pilotní signály a některé nesou informaci o parametrech použité modulace. Kmitočtový rozestup f mezi nimi musí odpovídat šířce pásma B k přiděleného kmitočtového kanálu (pro televizní vysílání 8, 7, 6 MHz) a představuje vlastně symbolovou rychlost R s modulace OFDM. Pro kanály se šířkou kmitočtového pásma 8 MHz, používané v kmitočtových rastrech pozemní i kabelové distribuce v České republice, (přesná hodnota je B k = 7,61 MHz) platí pro rozestup subnosných kmitočtů f, který představuje současně symbolovou rychlost R s f = R s = B k /n = 7,61.10 6 /6817 = 1,116 khz. (1) Tomu odpovídá doba trvání prodlouženého symbolu T s T s = (R s ) -1 = (1,116.10 3 ) -1 = 896 µs. (2) Tato doba se zvětšuje o tzv. ochranný interval (Quard Interval) T G, který bývá definován jako k-tý díl doby trvání symbolu tedy k = T G /T s = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. (3) V ochranném intervalu T G se nepřenáší užitečná informace. Slouží pro eliminaci příjmu zpožděných signálů a ovlivňuje tak možnou volbu rozestupu vysílačů v jednofrekvenční síti. Např. v režimu 8k lze dosáhnout při vysílání v kanálu se šířkou kmitočtového pásma 8 MHz nejdelší ochranný interval T G = k.t s = 1/4.T s = 896/4 µs = 224 µs. Časové relace v signálu OFDM pro různé kombinace režimu a šířky pásma kanálu pro největší ochranný interval s poměrem k = 1/4, vypočtené na základě předchozích úvah, jsou v tabulce 1. Tab.1: Časové relace v signálu COFDM v kanálech 6,7,8 MHz pro módy 2k a 8k a k = 1/4 Šířka kanálu Režim 2k (k =1/4) Režim 8k (k = ¼) [ MHz] T s [ µs] T G [ µs] T s + T G [ µs] T s [ µs] T G [ µs] T s + T G [ µs] 8 224 56 280 896 224 1120 7 256 64 320 1024 256 1280 6 298 75 373 1197 296 1493 Z tabulky jsou také patrné celkové délky prodloužených symbolů T N = T s + T G, z nichž lze vyjádřit jak velkou bitovou rychlost R b vstupního bitového toku může kodér OFDM v těchto režimech zpracovat. Např. při použití vnitřní modulace ortogonálních subnosných vln 64-QAM, u které připadá na jeden modulační symbol m = 6 bitů vstupního sériového toku, platí pro 8 MHz kanál, režim 8k a ochranný interval s faktorem k = 1/ 4(viz tab.1) R b = (T s + T G ) -1. n. m = (1120.10-6 ) -1.6817. 6 = cca 36 Mbit/s. (4) Tato hodnota představuje maximální zpracovatelnou bitovou rychlost pro uvažovaný ochranný interval s poměrem k = 1/4. Pro kratší ochranné intervaly a (menší poměry k) bude bitová rychlost ještě vyšší. To umožňuje v budoucnosti i vysílání vhodně komprimovaných (MPEG-2, MPEG-4 AVC) digitálních signálů televize s vysokým rozlišením HDTV. Skutečně využitelná bitová rychlost R bn (tzv. čistá bitová rychlost Net Data Rate) je nižší, protože k užitečnému 25-3
ínformačnímu datovému toku se přidává zabezpečovací datový tok vnějších a vnitřních zabezpečovacích kódů FEC1, FEC 2, které přestavují přídavné, byť účelné, rozšíření datového toku. Jako vnější blokový (symbolový) zabezpečovací kód FEC1 se v DVB-T používá Reed- Solomonův kód RS(204,188), který k transportnímu paketu 188 bytů přidává 16 zabezpečovacích bytů a umožňuje opravit až 8 chybných bytů. Vnitřní kód FEC2, zabezpečující jednotlivé bity, je konvoluční kód s volitelnými kódovými poměry KP =1/2, 2/3, 3/4, 5/6 a 7/8. Ve výsledku se pak užitečná bitová rychlost R bn zmenšuje na hodnotu R bn = 188/204. KP. R b (5) V mezním případě nejkvalitnějšího zabezpečení (KP = 1/2) klesne užitečná rychlost R bn na 46% původní hodnoty R b a dle vztahu (4) na hodnotu R bn = 0,46. 36.10 6 = cca 16,5 Mbit/s. Pro často používaný kódový poměr KP = 2/3 činí tento pokles cca 61,4 % a tedy R bn = 22,3 Mbit/s. Do této přenosové rychlosti lze umístit datový multiplex zhruba 4 až 5 komprimovaných datových programových toků (MPEG-2) televizních programů standardní kvality PAL, několika stereofonních rozhlasových programů a dalších služeb např. Teletext, MHP 1 (Multimedia Home Platform s lokální interaktivitou) aj. Dílčí programové toky nemají obvykle přidělené konstantní bitové rychlosti, ale využívá se tzv. statistické multiplexování, při kterém se zvyšuje okamžitá bitová rychlost programům s bohatším informačním obsahem (dynamicky náročné obrazové sekvence s obsahem vysokých prostorových kmitočtů jasové i barevné distribuce např. sportovní přenosy) na úkor ostatních. Z tabulky 1 je rovněž patrné, že nejdelší ochranný interval lze získat při šířce kmitočtového pásma kanálu 8 MHz (používané v televizní normě CCIR D/K) v režimu 8k a to T G = 224 µs. Největší teoretický průměr regionu s funkční jednofrekvenční sítí a tedy i největší možnou vzdálenost v této síti pracujících vysílačů, jejichž signály by kdekoliv ve sledované oblasti mohly dosáhnout nadprahovou úroveň, je tedy možno popsat vztahem vyjadřujícím vzdálenost vzduchem šířené elektromagnetické vlny zpožděné o dobu T G (v tomto konkrétním příkladě) l max c. T G = 3.10 8. 224.10-6 = cca 67 km. (6) V režimu 2k by tato vzdálenost byla čtyřikrát menší vzhledem k čtyřnásobné kratší době trvání ochranného intervalu (viz tab.1). Je však třeba připomenout, že režim 2k je naopak výhodnější pro mobilní příjem, protože je v něm čtyřikrát větší odstup nosných vln a signál je tak výrazně odolnější vůči Dopplerovu posuvu (přijímač se pro bezchybný příjem může pohybovat rychleji). To jsou ovšem pouze ryze teoretické úvahy, protože dráha šíření některých signálů odražených od různých překážek by tuto hodnotu mohla lehce přesáhnout. Na druhé straně však tyto signály ze vzdálených vysílačů už nemusí v místě přijímače dosahovat nadprahovou úroveň. Reálná velikost území pokrytého signálem vysílačů SFN by pak mohla být teoreticky i větší než vyplývá z uvedené úvahy. Když si odmyslíme problémy spojené, alespoň v časově omezeném období s koexistencí nastupujícího vysílání DVB-T s původním analogovým vysíláním a s tím související možnost rušení signály analogového vysílání na kmitočtově blízkých kanálech, pak základní problém vyšetření vlivu vzájemného rušení vysílačů v jednofrekvenčních sítích vysílačů DVB-T (DVB-H) představuje stanovení oblastí, kde zpožděné signály téže sítě dosahují nadprahové úrovně a kde nikoliv. Je diskutabilní, zda snaha o zvětšování území dílčích SFN je vůbec účelná, protože kmitočtových kanálů bude v budoucnosti asi dokonce přebývat Zajištění kvalitního pokrytí signálem a nerušeného příjmu v oblasti, ve které má fungovat SFN, vyžaduje detailní znalost parametrů všech vysílačů, které mají pracovat v navrhované síti, zemského reliéfu a příjmových podmínek v dané oblasti a v pohraničních oblastech i polohy, parametry a kmitočtové plány (obvykle mezinárodně koordinované) blízkých zahraničních vysílačů. 25-4
Stanovení jeho velikosti (přesněji řečeno vymezení jeho hranice) není tedy vůbec jednoduché, protože závisí na spoustě faktorů. Výpočty území, v němž lze aplikovat jednofrekvenční vysílací sítě, nejsou proveditelné bez sofistikovaných simulačních programových prostředků. Pro jejich vstupy musí být k dispozici obrovské množství dat např. polohy všech uvažovaných vysílačů v simulované síti, jejich výkony, směrové charakteristiky, mapy terénního profilu uvažovaného území mezi všemi vysílači a neposlední řadě i relativní časování (synchronizace) jednotlivých vysílačů pracujících v jednofrekvenční síti aj. Takovým sofistikovaným software pro tyto účely je například produkt firmy CRC Data, jehož strukturu lze posoudit z ukázek na stránkách firmy http://www.crcdata.cz, ze kterých je převzat také následující obrázek 3. Jsou na něm ukázky některých výstupních sestav programu pro návrh sítě SFN. Je samozřejmé, že ani takto získané výsledky nejsou zcela spolehlivé a před budováním ekonomicky nákladné jednofrekvenční sítě vysílačů pro pozemní digitální vysílání DVB-T je třeba řady náročných a rozsáhlých měření. Obr.3: Ukázky některých výstupních sestav programu pro návrh jednofrekvenční sítě (SFN) Literatura [1] Fischer,W. Digital television. Nakladatelství Springer Verlag Berlin, 2004 ISBN 3-540-01155-2 [2] O Leary,Seamus. Digital Terrestrial Broadcasting. Nakladatelství Artech House London, 2000. ISBN 1-58053-063X [3] Legiň, M. Televizní technika Digitální vysílání DVB-T. Nakladatelství BEN Praha, 2006 ISBN 80-7300-204-3 [4] Burel,G.; Magniez, P. Transmitters Separation for Single Frequency Networks. In IEEE- SPAWC. Anapolis USA,1999 [5] Doeven,J. Planning of Single Frequency Network. Presentation on ITU/EBU Workshop on Digital Broadcasting. Sofia, 2004 [6] Doug Lung Single Frequency Network for DTV (part 1). http://www.tvtechnology.com [7] Říčný,V. Co je to jednofrekvenční síť digitálních vysílačů a jaký je její rozsah?. Stereomag - internetový časopis 2005. http://www.stereomag.cz [8] Program pro návrh sítě SFN http://www.crcdata.cz 25-5