DVB T - Ericsson

MIPRO 2008
Okrugli stol:
Strategija uvođenja digitalne televizije
Tehničke značajke sustava za
zemaljsku radiodifuziju digitalnog
videosignala (DVB T)
prof.dr.sc. Sonja Grgić
Sveučilište u Zagrebu
Fakultet elektrotehnike i računarstva
Radiodifuzija televizijskog signala
radiodifuzija (broadcasting)
– oblik neusmjerenih komunikacija pomoću radijskih ili kabelskih mreža,
namijenjenih velikom broju korisnika koji ispunjavaju određene
prijamne uvjete
– radiokomunikacijska usluga odašiljanja radijskih ili televizijskih
programa za izravni javni prijam
u sustave za radiodifuziju pripadaju
– mreže za zemaljsku radiodifuziju
– mreže za satelitsku radiodifuziju (satelitska televizija)
– kabelski distribucijski sustavi (kabelska televizija)
sustavi za zemaljsku radiodifuziju
– kao prijenosni medij rabe elektromagnetske valove u frekvencijskim
pojasevima određenim za radiodifuziju, koji se šire u slobodnom
prostoru
Radiodifuzija televizijskog signala
radiodifuzijski sustav
– odašiljač
– prijenosni medij
– prijamnik
Radiodifuzija televizijskog signala
za odašiljanje TV signala mrežom zemaljskih odašiljača
(radijska služba radiodifuzije televizijskog signala) rabe se
četiri frekvencijska pojasa
–
–
–
–
47 – 68 MHz - VHF I (Very High Frequency)
174 – 230 MHz - VHF III
470 – 582 - UHF IV (Ultra High Frequency)
582 – 862 MHz - UHF V
svi kanali nisu uvijek raspoloživi za radiodifuziju televizijskog
signala jer ih mogu koristiti i druge službe (npr. T-DAB)
Radiodifuzija televizijskog signala
raspored televizijskih kanala za zemaljsku radiodifuziju
televizijskih programa u Republici Hrvatskoj propisuje
Pravilnik o tehničkim uvjetima i uvjetima uporabe radijskih
postaja za odašiljanje televizijskog programa u
frekvencijskim područjima I, III i IV/V
(Narodne novine br. 66 od 10. kolovoza 1996. godine)
–
–
–
–
–
širina kanala: 7 MHz u području VHF, 8 MHz u području UHF
VHF I - 3 kanala
VHF III - 8 kanala
UHF - 49 kanala
ukupno: 60 kanala
Radiodifuzija televizijskog signala
nedostaci analognog radiodifuzijskog sustava
– osjetljivost na šum, izobličenja i interferenciju s drugim signalima
– visoki istokanalni zaštitni omjeri
– isti kanal smije se rabiti na udaljenim lokacijama
– niska djelotvornost u iskorištenju radiofrekvencijskog spektra
– teorijski se na određenom području može distribuirati 5-7 programa
poštujući zaštitne omjere radi izbjegavanja interferencije
– djelotvornost: 8,33-11,67% u odnosu na ukupan broj kanala (60)
– Europske zemlje: 2-4 programa na nacionalnoj razini + nekoliko programa
na regionalnoj i lokalnoj razini
– intenzivnija uporaba radiofrekvencijskog spektra namijenjenog
radiodifuziji ima za posljedicu opadanje kvalitete prijamnog televizijskog
signala zbog interferencije
Razvoj digitalne radiodifuzije
1993. godine u Europi je započeo rad na Projektu za
radiodifuziju digitalnog videosignala
(DVB, Digital Video Broadcasting)
– cilj: razvoj specifikacija za prijenos MPEG-2 prijenosnog toka
podataka* putem radiodifuzijskih sustava
DVB projekt je rezultirao u ETSI normama za radiodifuziju
– satelitski sustav (DVB-S, DVB-Satellite), 1994.
– ETSI EN 300 421: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding
and modulation for 11/12 GHz satellite services
– sustav kabelske televizije (DVB-C, DVB-Cable), 1994.
– ETSI EN 300 429: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding
and modulation for cable systems
– sustav za zemaljsku radiodifuziju (DVB-T, DVB-Terrestrial), 1996.
– ETSI EN 300 744: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding
and modulation for digital terrestrial television
*ISO/IEC IS 1381813818-1: "Information
"Information Technology -Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio
Information: Systems"
Systems"
Razvoj digitalne radiodifuzije
DVB projekt nastavlja sa svojim radom
– utvrđene su specifikacije za sustav DVB-H (DVB-Handheld)
– ETSI EN 302 304: Digital Video Broadcasting (DVB); Transmission System for Handheld
Terminals (DVB(DVB-H), 2004.
– utvrđene su specifikacije za drugu generaciju sustava za radiodifuziju DTV
signala putem satelita, tzv. DVB-S2 (ETSI EN 302 307, 2004.)
– izmijenjena je ETSI tehnička specifikacija TS 101 154
– ETSI TS 101 154: Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for the use of
Video and Audio Coding in Broadcasting Applications based on the MPEG-2
Transport Stream, 2007.
– formati kodiranja videosignala: MPEG-2, H.264/AVC, VC-1
– MPEGMPEG-2
ITUITU-T Recommendation H.262 / ISO/IEC 1381813818-2: Information technology - Generic
coding of moving pictures and associated audio information: Video
– H.264/AVC
ITUITU-T Recommendation H.264 / ISO/IEC 1449614496-10:2005: Information technology Coding of audioaudio-visual objects - Part 10: Advanced Video Coding
– VCVC-1
SMPTE 421M: VCVC-1 Compressed Video Bitstream Format and Decoding Process
– radi se na razvoju specifikacije za sustav DVB-T2
Razvoj digitalne radiodifuzije
Chesterski sporazum
– multilateralni koordinacijski sporazum potpisan 1997. godine u
Chesteru (32 europske zemlje)
– koordinacijski sporazum koji definira tehničke parametre i načela
frekvencijskog planiranja za uvođenje DVB-T sustava
Regionalna radiokomunikacijska konferencija (RRC-06)
– održana 2006. godine u Ženevi
– utvrđen novi frekvencijski plan za digitalnu televiziju i radio
– plan za Hrvatsku sadrži 7 nacionalnih pokrivanja u UHF IV/V i 1
nacionalno pokrivanje u VHF III te lokalna i regionalna pokrivanja za DTV
– plan sadrži 3 nacionalna pokrivanja u VHF III za digitalni radio
– prestao vrijediti Frekvencijski plan za analognu televiziju utvrđen na
Europskoj VHF/UHF radiodifuzijskoj konferenciji 1961. u Stockholmu
prestanak rada analognih TV odašiljača u zemljama EU
planiran je za 2012. godinu
Značajke digitalne radiodifuzije
značajke digitalnog radiodifuzijskog sustava (pros)
– bolje iskorištenje radiofrekvencijskog spektra
– unutar jednog TV kanala može se prenositi 5-10 SDTV programa (ovisno
o postupku kompresije videosignala)
– jednofrekvencijske mreže (SFN, Single Frequency Network)
– moguć je rad susjednih odašiljača na istoj frekvenciji
– signal je otporan na šum i interferenciju
– rabe se postupci za otkrivanje i ispravljanje pogrešaka kojima se postiže
vjerojatnost pogreške manja od 10-9
– ušteda energije
– za jednako pokrivanje kao u analognom radiodifuzijskom sustavu,
potrebne su manje snage odašiljača
– omogućen je prijam na mobilnim prijamnicima (vlak, autobus)
– omogućeno je povezivanje s mobilnim komunikacijskim sustavima i
prijam videosignala na dlanovnicima (DVB-H, DVB Handheld)
– omogućeno je uvođenje interaktivnih multimedijskih usluga
Značajke digitalne radiodifuzije
značajke digitalnog radiodifuzijskog sustava (contra)
– sustav nije kompatibilan s analognim radiodifuzijskim sustavom
– za prijam je potreban poseban DVB-T prijamnik (set-top box), koji se spaja na
postojeći televizor, ili televizor treba imati integriran DVB-T prijamnik
– postoje različite inačice DVB-T prijamnika, čija izvedba ovisi o podržanim
postupcima dekodiranja videosignala (MPEG-2 i H.264/MPEG-4 AVC)
– sustav je složeniji od sustava analogne televizije
– u prijenosu TV signala od odašiljačke do prijamne strane može se
pojaviti zamjetno kašnjenje (800 ms do 3 s)
– mjerenje kvalitete signala ne može se provesti mjernim postupcima
koji su usvojeni za analognu televiziju
– kvaliteta slike na prijamnoj strani ovisi o sadržaju slike i parametrima
kompresije
– krajnji korisnik ne vidi razliku u kvaliteti slike u odnosu na analognu
televiziju (uz uvjet optimalnih prijamnih uvjeta u oba sustava)
– period istodobnog rada analognog i digitalnog sustava (simulcast)
izaziva poteškoće u frekvencijskom planiranju
Značajke sustava DVB-T
Blok-shema sustava za radiodifuziju DTV signala
IZVORNO KODIRANJE
Video
Audio
Podaci
Video
Audio
Kompresija
Kompresija
Kompresija
Kompresija
Kompresija
MPEG-2
SUSTAV
ES
ES
ES
M
U
X
Prijenosni
tok (TS)
Kanalno
kodiranje
Modulacija
ES
ES
Prijenos
signala
PRIJAMNIK
Značajke sustava DVB-T
ulazni videosignal
– SDTV ili HDTV (High Definition Television)
izvorno kodiranje
– postupak smanjenja brzine prijenosa podataka
– MPEG-2, H.264/AVC, VC-1
multipleksiranje i formiranje prijenosnog toka
– MPEG-2 sustav (ISO/IEC IS 13818-1)
kanalno kodiranje
– osigurava zaštitu od pogreške dodavanjem redundancije
modulacija
– frekvencijski multipleks kodiranih ortogonalnih podnositelja (COFDM, Coded
Orthogonal Frequency Division Multiplex)
– rabi se veliki broj frekvencijski bliskih podnositelja (2k ili 8k), pri čemu pojedini
podnositelji mogu biti modulirani QPSK, 16-QAM ili 64-QAM
– COFDM je postupak u kome sjedinjeni postupci zaštitnog kodiranja radi
ispravljanja pogrešaka i OFDM-a
Izvorno kodiranje
SDTV
Sustav
Parametri
Ukupan broj
Y uzoraka u
liniji
Ukupan broj
linija u slici
Ukupna brzina
prijenosa
(4:2:2, n=10)
Netto brzina
prijenosa
(4:2:2, n=10)
SDTV
720x576/I/25
864
625
270 Mbit/s
207,36 Mbit/s
HDTV (EBU Tech 3299: High Definition (HD) Image Formats for Television Production)
Sustav
Parametri
Ukupan broj
Y uzoraka u
liniji
Ukupan broj
linija u slici
Ukupna brzina
prijenosa
(4:2:2, n=10)
Netto brzina
prijenosa
(4:2:2, n=10)
S1
1280x720/P/50
1980
750
1,485 Gbit/s
921,6 Mbit/s
S2
1920x1080/I/25
2640
1125
1,485 Gbit/s
1036,8 Mbit/s
S3
1920x1080/P/25
2640
1125
1,485 Gbit/s
1036,8 Mbit/s
S4
1920x1080/P/50
2640
1125
2,970 Gbit/s
2073,6 Mbit/s
P
I
Y
- progresivno analiziranje
- analiziranje s proredom (interlaced
(interlaced))
- luminantni signal
Izvorno kodiranje
četiri generacije HDTV sustava
– nulta generacija
– analogni HDTV sustavi (NHK 1125/I/30, MUSE)
– prva generacija
– formati slike: 1280x720/P/50, 1920x1080/I/25 uz MPEG-2
– rabi se u sustavima DVB-S i ATSC (Advanced Television System
Committee)
– druga generacija
– formati slike: 1280x720/P/50, 1920x1080/I/25 uz H.264/AVC
– rabi se u sustavima DVB-S2 i DVB-T
– treća generacija
– formati slike: 1920x1080/P/50, H.264/AVC kompresija
– budući sustavi
Izvorno kodiranje
prednosti H.264/AVC u odnosu na MPEG-2
– povećana djelotvornost kodiranja (coding efficiency)
– poboljšano nadomještanje pokreta
–
–
–
–
–
–
promjenjiva veličina i oblik blokova
točnost procjene vektora pokreta (1/4 u odnosu na 1/2 u MPEG-2 normi)
rabi do 5 slika za procjenu pokreta (u odnosu na 2 slike u MPEG-2)
smanjenje prostorne redundancije predviđanjem unutar slike
uporaba adaptivnog filtra za uklanjanje vidljivosti rubova blokova u slici
poboljšani postupci entropijskog kodiranja
– za postizanje određene kvalitete slike moguće je rabiti dvostruko nižu
brzinu prijenosa u odnosu na MPEG-2
– bolje iskorištenje radiofrekvencijskog spektra (8-10 SDTV programa
unutar TV kanala)
– mogućnost djelotvorne implementacije HDTV (3-4 HDTV programa
unutar TV kanala)
Izvorno kodiranje
usporedba MPEG-2 i H.264/AVC - kvaliteta slike
PSNR -Peak Signal to Nosie Ratio
Izvorno kodiranje
nedostaci H.264/AVC u odnosu na MPEG-2
– povećana složenost kodera (do 8 puta) i dekodera (4-5 puta)
– povećano kašnjenje signala
Drugo
Adaptivni filtar
Nadomještanje pokreta
Inverzna transformacija
Entropijsko dekodiranje
Kanalno kodiranje
unaprijedno ispravljanje pogrešaka (FEC, Foreward Error Correction)
– u koderu se u tok podataka uključuju dodatni bitovi (redundancija),
koji omogućavaju otkrivanje i ispravljanje pogrešaka u dekoderu u
stvarnom vremenu
BER<10-11
Podaci
FEC u
odašiljaču
Raspršenje
energije
FEC u
prijamniku
Vanjsko
kodiranje (RS)
Inverzno
ispreplitanje
Ispreplitanje
Unutarnje
dekodiranje
Inverzno
ispreplitanje
Unutarnje
kodiranje
Podaci
Ispreplitanje
Vanjsko
dekodiranje (RS)
Inverzno raspršenje
energije
Kanalno kodiranje
vanjsko kodiranje
– rabe se Reed-Solomonovi kodovi (RS)
– na svaki paket prijenosnog toka podataka (TS) koji ima duljinu 188B
dodaje se redundancija od 16B (8,5% u odnosu na 188B)
– duljina paketa nakon RS kodiranja iznosi 204 B
– mogu se ispraviti pogreške čija duljina ne prelazi 8B (1/2 redundancije)
– omjer koda (code rate) za RS kod (R1) određuje se kao omjer broja bita
prije i nakon kodiranja radi zaštite od pogreške
– R1 =188/204=0,92
unutarnje kodiranje
– služi za ispravljanje slučajnih pogrešaka bita
– R2 - omjer koda za unutarnje kodiranje
–
–
–
–
–
1/2 (100% redundancije)
2/3 (50% redundancije)
3/4 (33,33% redundancije)
5/6 (20% redundancije)
7/8 (14% redundancije)
Modulacija
OFDM
– frekvencijsko područje (kanal) se dijeli u frekvencijske potpojaseve, a
vremensko područje u vremenske segmente
– u svakom vremenskom segmentu prenosi se K podnositelja
– skup podnositelja u jednom vremenskom segmentu čini OFDM simbol
– svaki podnositelj je moduliran s nekoliko bita podataka (v)
– broj bita koji prenosi svaki podnositelj ovisi o vrsti modulacijskog postupka
podnositelji
Modulacija
kašnjenje primljenog signala,
koji je stigao do prijamnika
neizravnom stazom, uzrokom
je smetnji (višestazno
prostiranje)
neizravna
staza
izravna
staza
odašiljač
nepovoljni učinci kašnjenja pojedinih signala uklanjaju se dodavanjem
zaštitnog intervala na početak OFDM-simbola
Modulacija
značajke OFDM-a
dobra svojstva u uvjetima izraženoga višestaznog prostiranja
– kad je najveće kašnjenje signala manje od veličine zaštitnog intervala
ne nastaju smetnje zbog višestaznog prostiranja
povoljne osobine u uvjetima kad su smetnje koncentrirane na
uski pojas frekvencija (selektivni feding)
– «napadnuti» su samo neki od potkanala odnosno mali dio
cjelokupnog OFDM-simbola
– pogreške prijenosa se koncentriraju na određene skupine bitova što
čini postupke zaštitnog kodiranja neučinkovitima
– prije modulacije bitovi se isprepliću (ispremiješaju) po određenom pravilu
kako bi se nakon inverznog ispreplitanja u prijamniku postigao slučajni
karakter položaja pogrešnih bitova
Modulacija
rad mreže odašiljača na jednoj frekvenciji (SFN, Single
Frequency Network)
– učinak prijama signala od više odašiljača jednak je učinku prijama
signala nastalog višestaznim prostiranjem
– posljedice dubokih fedinga (ako ih ima) dobro se rješavaju metodama
zaštitnog kodiranja
– za ispravni rad SFN-mreže nužno
je da svi odašiljači u mreži u
svakom trenutku odašilju potpuno
jednak signal
– odašiljači moraju biti sinkronizirani
po vremenu i po frekvenciji
Parametri COFDM za DVB-T
parametri sustava definirani u normi ETSI EN 300 744
– način rada: 8k ili 2k
– 8k sustavi - K=6817 podnositelja
– 2k sustavi - K=1705 podnositelja
– korisno trajanje OFDM simbola (TS)
– TS=896 µs za 8k
– TS=224 µs za 2k
– trajanje zaštitnog intervala (TZ)
– 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 u odnosu na TS
– ukupno trajanje simbola - TU=TS+ TZ
– 8k
–
–
–
–
TZ =1/4, TU =1120 µs
TZ =1/8, TU =1008 µs
TZ =1/16, TU =952 µs
TZ =1/32, TU =924 µs
Parametri COFDM za DVB-T
– ukupno trajanje simbola - TU
– 2k
–
–
–
–
TZ =1/4, TU =280 µs
TZ =1/8, TU =252 µs
TZ =1/16, TU =238 µs
TZ =1/32, TU =231 µs
– razmak između podnositelja (1/TS)
– 1116 Hz za 8k
– 4464 Hz za 2k
– razmak između prvog i zadnjeg podnositelja za širinu kanala 8 MHz
– (K-1)(1/TS)=6816x1116Hz=1704x4464Hz=7,61 MHz
– vrsta modulacije
– QPSK, 16-QAM, 64-QAM
– omjer koda za unutarnje kodiranje
– 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
– širina kanala
– 7/8 MHz
Parametri COFDM za DVB-T
kapacitet sustava
– ukupna brzina prijenosa (brutto bit rate)
– (K · v)/TU [Mbit/s]
– K=1705 ili 6817
– korisna brzina prijenosa (useful bit rate)
–
–
–
–
–
–
–
(R1 · R2 · M · v)/TU [Mbit/s]
R1 =0,92, R2 =1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ili 7/8
M=K-broj pilotskih signala
v =2, 4 ili 6
M = 1512 ili 6048
TU=TS+ TZ
npr. sustav: 8k (K=6817 podnositelja, M=6048), modulacija: 64 QAM (v =
6 bita), zaštitni interval:1/4 (TU = 1120 µs), R1 = 0,92, R2 = 1/2
– ukupna brzina prijenosa = 6817 · 6 / 1120 µs = 36,52 Mbit/s
– korisna brzina prijenosa = 6048 · 6 · 0,92 · 0,5 / 1120 µs = 14,93 Mbit/s
Parametri COFDM za DVB-T
korisna brzina prijenosa u Mbit/s
– jednaka je 2k i 8k sustave
– smanjenjem zaštitnog intervala i povećanjem omjera koda povećava
se korisna brzina prijenosa
Modulacija
Omjer koda
Zaštitni interval
Kvaliteta slike
kvaliteta slike u analognom sustavu za različite vrijednosti
parametra S/N (omjer signal/šum)
Kvaliteta slike
kvaliteta slike u digitalnom sustavu za različite vrijednosti
parametra MER (vjerojatnost pogreške modulacije)