Digitální televizní a rozhlasové systémy (MDTV, LDTV) Laboratorní úloha č.5 Měření parametrů signálu při příjmu DVB-S/S2, příjem a analýza transportního toku 3D televize Účelem úlohy je měření parametrů signálu při příjmu vysílání DVB-S z družice ASTRA 3A (paket CS Link) pomocí analyzátoru DVB satelitního vysílání Kathrein MSK-33. Během měření získáte základní představu o přijímaném výkonu a úrovni signálu, poměru C/N při příjmu, chybovosti BER před opravou chyb korekcí FEC, chybovosti po opravě chyb Viterbiho dekódováním a programové nabídce paketu CS Link. Současně je umožněn příjem signálu HDTV ve standardu DVB-S2. Teoretický úvod Funkční modul družicového (satelitního) přijímače bývá označován jako vnitřní jednotka satelitního příjmu, která je konstrukčně oddělena od vnější jednotky. Tu tvoří přijímací anténa (parabola) případně vybavená pozicionérem (polarmount) pro volbu směru příjmu signálu a nízkošumový konvertor označovaný LNB (Low Noise Block) nebo LNC (Low Noise Converter). Ten může být vybaven polarizátorem pro volbu polarizace přijímané elektromagnetické vlny. Konvertor zesílí a kmitočtově přesune signál z oblasti desítek GHz do jednotného rozsahu první mezifrekvence (0,95 2,15) GHz. Tento signál pak přichází po koaxiálním kabelu (napáječi) na vstup družicového přijímače. Přenos při družicovém vysílání DVB-S je charakterizován nízkým vysílacím výkonem, velkou šířkou pásma a zanedbatelným vlivem odrazů (vícenásobného příjmu). Umožňuje využít multikanálové služby, při použití kombinace hlavní úroveň / hlavní profil kompresního standardu MPEG-2 může jeden transpondér družice vysílat cca 10 televizních kanálu běžné kvality. Do systému DVB-S je kromě standardního zabezpečovacího kódu FEC1 zaveden další stupeň ochrany dat vnitřním konvolučním kódem FEC2 s volitelným kódovacím poměrem 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 nebo 7/8. Právě volba parametrů FEC2 umožní přizpůsobit data určitému transpondéru nebo dosáhnout určitý stupeň jejich ochrany. Činitel chybovosti BER (Bit Error Rate) na přijímací straně je ovlivněn vlastnostmi přenosového kanálu. Jako vnější modulace byla zvolena kvadraturní fázová modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) s Grayovým kódováním. Družicový transpondér se šířkou kmitočtového pásma B = 33 MHz při použití FEC2 s parametrem 3/4 může přenášet (vysílat) datový tok až 39 Mbit/s. Paket CS Link je programová distribuční služba a DTH (direct to home) platforma, která se vysílá přes satelit Astra 3A. V nabídce má většinu českých celoplošných kanálů včetně několika dalších a těch, které vznikly speciálně pro potřeby digitálního vysílání. Oproti standardnímu příjmu přes terestrickou anténu (analogový příjem i DVB-T) je satelitní signál většiny televizních stanic zakódován systémem Cryptoworks. K zakódování museli provozovatelé přistoupit především z důvodu omezení vysílacích práv na jednotlivé filmy či sportovní přenosy, které pořizují pouze pro území České republiky. Příjem satelitního vysílání družice Astra 3A je totiž možný i na rozsáhlém území Západní a Střední Evropy. Parametry družice, kmitočtový plán, vyzařovací diagram, programová nabídka a technické parametry vysílání paketu CS Link jsou uvedeny v Tab. 5.1. - 1 -
Programová nabídka paketu CS Link Parametry kódování a vysílání Parametry družice ASTRA 3A Vyzařovací diagram Tab. 5.1: Technické parametry paketu CS Link a družice Astra 3A (zdroj www.cslink.cz, www.parabola.cz, www.ses-astra.com) TV programy - ČT1, ČT2, ČT24, ČT4 Sport, TV Prima, TV Nova, CSFilm, TV Noe, Galaxie Sport a další Rozhlasové programy - ČRo1-Radiožurnál, ČRo2-Praha, ČRo3- Vltava, ČRo6, ČRo-Region, Čro7-Rádio Praha, D-Dur a další Kódování obrazu - MPEG-2 MP@ML Kódování zvuku - MPEG-1 Layer II Kmitočet transpondéru 12,525 GHz Polarizace - V / high Symbolová rychlost 27,5 MS/s FEC - 3/4 TID 3014 (identifikátor transportního toku) NID 3 (identifikátor sítě CS Link) Název družice ASTRA 3A Hmotnost satelitu při startu - 1500 kg Výrobce satelitu - Boeing Satellite Systems Inc. Stabilizace - ve třech osách Pozice družice - 23,5 st. východní délky Životnost - 10 let Spotřeba energie - 1550 W Počet aktivních transpondérů na palubě - 24 x Transpondéry v pásmu 11,45 až 11,7 GHz 12 x Transpondéry v pásmu 12,5 až 12,75 GHz 12 x Výstupní výkon TWTA - 30 W EIRP ve středu ozářené zóny - 52 dbw Kmitočtová šířka transpondérů - 36 MHz Kmitočtový plán - 2 -
Přenos stereoskopické 3D televize transportním tokem MPEG2-TS je popsán normou [7]. Zde je definováno, kde se v transportním toku nachází informace o vysílání 3D obsahu, minimální a maximální disparitě obrazu (video depth range descriptor), dále jsou zde rovněž popsány scénáře přepínání mezi vysíláním 2D-HD a 3D TV obsahem. Norma definuje dvě formy stereoskopického vysílání. Jsou to jednak mód příležitostného vysílání 3D obsahu, a dále pak mód dominantního 3D vysílání 24/7. Obecně lze pro oba módy specifikovat, že informace o 3D videu je vždy určitým způsobem přenášena již v rámci PES paketů videa jako SEI (H.264/AVC Supplemental Enhancement Information). O přítomnosti této informace v transportním toku videa informuje AVC video descriptor v tabulce PMT (Program Map Table), a to nastavením indikátoru Frame_Packing_SEI_not_present_flag [7], [8]. Kromě toho je informace o vysílání 3D obsahu přítomna v tabulce SDT (Service Description Table) a nepravidelně vysílané tabulce EIT (Event Informatik Table). Tabulka SDT obsahuje 2 pro další měření relevantní decriptory. Je jím Service type (Service descricptor) a Component type (Component descriptor). Service type nabývá v režimu pravidelného 3D vysílání hodnot 0x1C, 0x1D nebo 0x1E, v případě příležitostného pak hodnot používaných též v klasickém 2D-HD vysílání, tedy 0x19, 0x1A, nebo 0x1B. Component type udává v případě 3D vysílání typ stranové komprese. Pro Side-by-side má hodnotu 0x80, pro Top-and-bottom pak 0x81. Zadání a postup měření 1. Seznamte se s obsluhou digitálního satelitního přijímače STB a měřícího analyzátoru satelitního signálu SAT. STB je připojen na externím vstupu AV1 (HDMI) televizního přijímače TVP. Návody k oběma přístrojům jsou součástí pracoviště laboratorní úlohy. 2. Nalaďte na STB přijímači signál paketu CS Link (12525 MHz, vertikální polarizace, symbolová rychlost 27500 Ms/s, FEC 3/4). Zkontrolujte, zda byly nalezeny všechny programy uvedené v Tab. 1. Případné rozdíly v programové nabídce si poznamenejte. Nalezené televizní a rozhlasové programy uložte automaticky do předvoleb přijímače. Postup: Menu Instalace Vyhledávání programů režim vyhledávání manual DVB-S, kmitočet 12525 (V), 27500, 3/4 grafy Signal, Quality [%] - Vyhledat. 3. Zobrazte si v menu satelitního přijímače STB grafy detekce úrovně signálu a kvality signálu (údaje sloupcových grafů v [%]). Experimentálně ověřte, jaký vliv má vložený útlum ATT na oba indikátory a změřte cejchovní křivku závislosti úrovně a kvality signálu na vloženém útlumu. 4. Pomocí analyzátoru SAT změřte úroveň přijímaného signálu v [dbµv] bez vloženého útlumu attenuátoru ATT (0 db). Experimentálně ověřte, jaký vliv má vložený útlum ATT na úroveň přijímaného signálu. Pokud nebude pokles úrovně v [dbµv] lineárně odpovídat vloženému útlumu v db (viz pozn. 2), změřte korekční křivku závislosti nastaveného útlumu na ATT a skutečnému útlumu přijímaného signálu v [dbµv]. Postup: Stisk tlačítka SAT - < > sat frq 1925 MHz přepnout na měření digit. DVBS SAT MEASURE ch BW 36 MHz measure min/max. 5. Pomocí analyzátoru SAT zobrazte obsah transportního toku MPEG-2 TS paketu CS link. Přepněte přijímač na vybraný program a experimentálně ověřte, jaký vliv má - 3 -
vložený útlum ATT na subjektivní kvalitu přijímaného obrazu. Poznamenejte si hodnotu útlumu, při kterém již není příjem signálu možný (hlášení o nedostupnosti programu provázené zmrazením obrazu nebo jeho úplným výpadkem). Postup: Stisk tlačítka MPEG Picture (počkat na hlášení Waiting for Front End, Waiting for PAT) výběr programu na obrazovce údaje Video-PID, Audio-PID, typ komprese MPEG, televizní norma, kryptování CA, status. 6. Současně při zvyšování útlumu změřte na analyzátoru SAT obě hodnoty chybovosti BER before FEC a BER after Viterbi a modulační chybu MER (SNR). Naměřenou závislost obou chybovostí a modulační chyby na útlumu vyneste do společného grafu. V grafu vyznačte hranici možného příjmu bez pozorovatelného zkreslení obrazu (artefakty kostičkování, chyby bloků a makrobloků). Postup: Stisk tlačítka Mode CONST. ch BW 36 MHz. 7. Pomocí analyzátoru SAT zobrazte spektrum přijímaného signálu bez vloženého útlumu attenuátoru ATT (0 db). Experimentálně ověřte, jaký vliv má vložený útlum ATT a nasměrování antény na úroveň přijímaného signálu a na poměr C/N. Postup: Stisk tlačítka Mode SPECTR. span small marker dig. - max on - změna referenční úrovně spektra (zobrazení stupnice na displeji - min 70 30 dbµv, max 130 90 dbµv) ovládání kurzorů < >. 8. Pokuste se zopakovat měření pro vybraný kanál DVB-S2 s modulací 8PSK. Tabulky s přehledem kmitočtů kanálů DVB-S2 jsou dostupné na pracovišti (staženo z www.parabola.cz). 9. Nepovinný bod měření: Pokuste se naladit další volně dostupné programy na satelitu ASTRA 3A na pozici 23, 5 o východní délky a uložte je do paměti STB. K tomuto bodu měření budete potřebovat kmitočtové tabulky a přehledy programů družice ASTRA 3A, které jsou dostupné na pracovišti (staženo z www.parabola.cz). Vyzkoušejte si uspořádání programu v paměti STB. Po skončení měření všechny nově nalezené programy vymažte. V paměti STB satelitního přijímače by měly zůstat jen programy paketu CS Link a HDTV programy. 10. Nepovinný bod měření: Pokuste se naladit 3D satelitní televizní vysílání programového obsahu Astra-3D z družice Astra 1 na orbitální pozici 19,2 východně - kmitočet 11,612 GHz, horizontální polarizace, SR 22000, FEC 5/6, nebo BRAVA 3D frekvence 10,803 GHz, horizontální polarizace, SR 22000, FEC 3/4, DVB-S2/ 8PSK. Po uložení předvolby do paměti STB, se zobrazí obraz ve formátu side-by-side. Je tedy třeba přepnout TVP do 3D režimu tlačítkem stiskem 3D na ovladači a výběrem zmíněné stranové komprese. Ke sledování 3D obrazu použijte kruhově-polarizační brýle. 11. Nepovinný bod měření: Nalaďte kanál s obsahující multiplex s 3D programovým obsahem z předchozího bodu také na měřicím přijímači SAT a analýzou transportího toku vyvedeného pomocí TS-ASI rozhranní do analyzátoru DVM 400 určete, zda se v transportním toku nacházejí parametry 3D vysílání (viz. teoretický úvod). Zejména prohlédněte informace v tabulce PMT (Obr. 5.1), SDT, případně EIT. - 4 -
Obr. 5.1: Obsah tabulky PMT, (návěsí Frame_Packing_SEI_not_present_flag). Poznámky k měření 1. Zdrojem satelitního signálu pro vaše pracoviště je 90 cm parabolická anténa na střeše UREL, která je směřuje na geostacionární družici ASTRA 3A na pozici 23,5 o východní délky (ovládání pozicionéru antény je součástí pracoviště laboratorní úlohy předvolba č. 20 odpovídá družici ASTRA 3A, předvolba č. 19 odpovídá družici ASTRA 1E předvolby v žádném případě nemažte!!!). Kmitočet LNB konvertoru antény je 10600 MHz a při zaručeném nastavení typu polarizace na Vertical/high DVB-S přijímačem Topfield TF7710 je výstupní signál LNB konvertoru přijímán na kmitočtu (12525 10600) MHz = 1925 MHz. Na tento kmitočet musí být naladěn měřič úrovně a analyzátor SAT. 2. Měřící přístroj ATT Tesla BM577 je programovatelný attenuátor, jehož šířka pásma je omezena horním kmitočtem 1000 MHz. Vámi experimentálně utlumovaný signál z LNB bloku satelitního přijímače však dosahuje středního kmitočtu 1925 MHz (kanál transpondéru o šířce 33 MHz). Nelze tedy zaručit skutečný útlum signálu podle zvolené předvolby na ATT. Experimentálně vložený útlum považujte tedy za velmi hrubě nastavený a během měření se pokuste jej přesně ocejchovat (bod č. 5 měření). Použité měřící přístroje STB digitální televizní přijímač DVB-S/S2 Topfield TF7710HD + DO, karta CS Link TVP televizní přijímač LG + dálkové ovládání, ATT programovatelný útlumový článek Tesla BM577 + 2 x redukce na BNC - 5 -
Závěr SAT DVB-S analyzátor satelitního vysílání Kathrein MSK-33 nebo alternativní ANT parabolická anténa 90 cm s pozicionérem + LNB blok (střecha UREL) propojovací vodiče 3 x BNC-BNC, 2 x F F, 2 x T člen BNC, 1 x T člen F propojovací kabel SCART-SCART a HDMI Do závěru každý student uvede své individuální hodnocení měření a potvrdí jej svým podpisem. Je třeba podrobně komentovat každý bod měření, všechny výsledky a každou měřenou charakteristiku. Individuální závěr by měl také uvádět důležité technické a odborné poznatky z měření. Kontrolní otázky Obr. 5.2: Rozmístění přístrojů laboratorního pracoviště úloha č.5 1. Jaká je kmitočtová šířka transpondéru na družici Astra 3A ve kterém je umístěn paket CS Link? Jaký je kmitočtový rozestup jednotlivých transpondérů na družici? 2. Jakým způsobem je přepínána polarizace V/H a pásmo B/G při příjmu DVB-S. 3. Jakou bitovou rychlost má transportní tok MPEG-2 TS paketu CS Link při symbolové rychlosti 27,5 MS/s, modulaci QPSK se 4 stavy a zabezpečení konvolučním kódem s poměrem 3/4? 4. Jaký minimální poměr C/N musí být zajištěn pro možný příjem služby DVB-S? Jaký vliv má na poměr C/N vložný útlum v celém pásmu a nesprávné směrování antény? 5. Jaké hodnotě chybovosti (alespoň řádově) po Viterbiho dekódování odpovídá příjem označený na měřícím přijímači jako QEF (Quasi Error Free)? - 6 -
6. Jaké jsou výhody a nevýhody současného systému 3D televizního vysílání s prostorově komprimovaným obrazem? 7. V čem spatřujete hlavní uživatelský problém zpětné kompatibility při příjmu 3D TV pomocí 2D-HD přijímače, která měla být hlavní výhodou dnes uplatňované normy. Použitá a doporučená literatura [ 1 ] Fischer, W. Digital Television. A practical Guide for Engineers. Springer, 2004. [ 2 ] Říčný, V., Kratochvíl, T. Základy televizní techniky - přednášky. Skriptum UREL FEKT VUT v Brně, 2004. [ 3 ] Vít, V. Televizní technika přenosové barevné soustavy. BEN technická literatura, Praha, 1997. [ 4 ] Bradáč, J. Satelitní technika populárně. Grada, Praha, 1993. [ 5 ] Česká satelitní televize. Mapa pokrytí a odborné informace k příjmu signálu paketu CS Link, Media Vision, s.r.o., 2009, online dostupné na <www.cslink.cz>. [ 6 ] České satelitní centrum. Základní informace a technické parametry pro příjem paketu CS Link a Gital, 2009, online dostupné na <www.parabola.cz>. [ 7 ] ETSI TS 101 547 V1.1.1 (2012-01): "Digital Video Broadcasting (DVB); Frame Compatible Plano-stereoscopic 3DTV". [ 8 ] ETSI EN 300 468 (V1.12.1): "Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service Information (SI) in DVB systems". - 7 -