UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Simon Žibrat
MERITVE KAKOVOSTI SIGNALA DVB-T
Diplomsko delo
Maribor, oktober 2014
MERITVE KAKOVOSTI SIGNALA DVB-T
Diplomsko delo
Študent(ka): Simon Žibrat
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program – elektrotehnika
Smer: Avtomatika
Mentor: doc. dr. Iztok Krambeger
Lektor(ica): Tatjana Horvat, višja knjižničarka in predmetna učiteljica
slovenskega jezika
Maribor, oktober 2014
i
ii
MERITVE KAKOVOSTI SIGNALA DVB-T
Ključne besede: DVB-T, enofrekvenčno omrežje, razmerje mofulacijske napake,
ramensko slabljenje, razmerje napake bitov
UDK: 004.383.3:621.391(043.2)
Povzetek
V svetu najbolj razširjen standard za sprejem prizemnih televizijskih programov je DVB-T.
V diplomskem delu je DVB-T predstavljen od nastanka do lastnosti in posebnosti.
Predstavljeni so tudi sorodni standardi in opisane lastnosti DVB-T omrežij za vzpostavitev
učinkovitega prizemnega oddajnega omrežja.
Diplomsko delo se osredotoča na meritve kakovosti signala DVB-T oddajnikov, zato so
opisane komponente oddajniškega sistema, ki s svojimi lastnostmi vplivajo na izhodni
signal oz. signal, ki ga merimo. Predstavitev merilnih parametrov, z namenom meritve
posameznega parametra, je kot uvod v peto poglavje, kjer je podrobnejša analiza in
teoretična razlaga vseh parametrov, katerih meritve so bile izvajane. Opis meritev z
merilnimi rezultati ter opis postopka za doseganje želenih merilnih rezultatov je podan v
šestem poglavju. V nadaljevanju sledi še predstavitev predkorektorja, ki je integrirano
orodje, kjer s pomočjo grafičnega uporabniškega vmesnika lahko spreminjamo lastnosti
signala, ter tako dosegamo želeno obliko izhodnega signala. Ob merilnih rezultatih je v
želji po znižanju obratovalnih stroškov oddajnega sistema zelo pomembna tudi
učinkovitost oddajnikov, ki je v povezavi z nekaterimi merilnimi parametri in ji je zato
namenjeno osmo poglavje.
iii
QUALITIY MEASUREMENTS OF DVB-T SIGNAL
Key words: DVB-T, Single Frequency Network-SFN, Modulation Error Ratio-MER,
Shoulder Attenuation, Bit Error Ratio-BER
UDK: 004.383.3:621.391(043.2)
Abstract
DVB-T is the world most spread standard for reception of ternrestrial television
programmes. In my thesis DVB-T is explained from its start of existence to its
characteristics and specialities. Similar standards are also presented together with
requirements of DVB-T networks for establishment of efficient terrestrial transmission
network.
Thesis is focusing on the quality measurement of the DVB-T signal from transmitters. That
is why components of the transmission system are described, which are with their
characteristics influencing on the output signal or signal that is measured. Presentation of
the measurement parameters with purpose of measurement of each single parameter is
representing the intro to the fifth chapter, where detailed analysis and theoretical
explanation of the parameters which were measured is presented. Description of the
measurement together with results and description of the measuring process to achieve
the desired measurement results is presented in the sixth chapter. In following chapter
you are able to find presentation of the pre-corrector, which is an integrated tool, where
you can change the characteristics of the output signal with help of the graphical user
interface in order to gain the desired form of the output signal. To reduce the operational
costs of the transmission system it is important to take care of the efficiency of the
transmitter, not only the measurements of the signal, as efficiency is dependent on the
measurement parameters everything surrounding this topic is presented in the eight
chapter.
iv
Kazalo
1 UVOD ................................................................................................................................. 1
2 PREGLED STANDARDOV DVB ........................................................................................ 3
2.1 Zgodovina DVB ..................................................................................................... 3
2.2 DVB-T .................................................................................................................... 3
2.2.1 Lastnosti DVB-T ............................................................................................. 4
2.2.2 COFDM .......................................................................................................... 6
2.2.3 Razdelitev kanala ........................................................................................... 8
2.2.4 Vstavljanje podnosilcev .................................................................................. 9
2.2.5 Vstavljanje zaščitnega intervala ................................................................... 10
2.2.6 Kanalna sinhronizacija ................................................................................. 11
2.2.7 Osnovna konstelacija ................................................................................... 12
2.3 DVB-T2 ................................................................................................................ 14
2.4 DVB-T ali DVB-T2 ............................................................................................... 15
2.5 DVB-H ................................................................................................................. 19
2.6 DVB-S in DVB-S2 ................................................................................................ 19
2.7 DVB-C in DVB-C2 ............................................................................................... 21
3 LASTNOSTI OMREŽIJ DVB-T IN KOMPONENTE ODDAJNIŠKEGA SISTEMA DVB-T . 23
3.1 Enofrekvenčno omrežje ....................................................................................... 23
3.2 Oddajniški sistem DVB-T .................................................................................... 27
3.2.1 Vzbujalnik ..................................................................................................... 28
3.2.2 Ojačevalnik ................................................................................................... 28
3.2.3 Harmonski filter ............................................................................................ 29
3.2.4 Smerni sklopnik ............................................................................................ 30
3.2.5 Kanalni filter ................................................................................................. 30
3.2.6 RF toge cevi ................................................................................................. 32
3.2.7 Koaksialni kabli ............................................................................................ 33
3.2.8 Združevalnik ................................................................................................. 34
3.2.9 Oddajne antene ............................................................................................ 36
4 MERILNI PARAMETRI ..................................................................................................... 37
5 OPIS MERILNIH PARAMETROV .................................................................................... 41
5.1 Ramensko slabljenje ........................................................................................... 41
5.2 Konstelacija ......................................................................................................... 43
v
5.3 Meritev nivoja ...................................................................................................... 47
5.4 Razmerje napake bitov ........................................................................................ 48
5.5 Razmerje modulacijske napake .......................................................................... 49
5.6 Faktor oblike ........................................................................................................ 51
5.7 Meritve na kanalu – merjenje amplitude, faze in časovnega zamika .................. 52
6 MERITVE IN REZULTATI ................................................................................................ 54
6.1 Ramensko slabljenje ........................................................................................... 56
6.2 Konstelacija ......................................................................................................... 58
6.3 Meritev nivoja ...................................................................................................... 60
6.4 Razmerje napake bitov ........................................................................................ 61
6.5 Razmerje modulacijske napake .......................................................................... 62
6.6 Faktor oblike ........................................................................................................ 68
6.7 Merjenje amplitude, faze in časovnega zamika ................................................... 70
7 PREDKOREKCIJA ........................................................................................................... 72
8 ENERGETSKI IZKORISTEK ODDAJNIKOV DVB ........................................................... 77
8.1 Tehnologije za povečanje učinkovitosti delovanja oddajnikov ............................ 78
9 SKLEP .............................................................................................................................. 83
vi
A. Kazalo slik
Slika 2.1: Teoretični blok diagram modulatorja COFDM [3] ................................................. 7
Slika 2.2: Praktična implementacija modulatorja COFDM z IFFT [3] ................................... 7
Slika 2.3: Razdelitev kanala ................................................................................................. 8
Slika 2.4: Vstavljanje podnosilcev ........................................................................................ 9
Slika 2.5: Vstavljanje zaščitnega intervala ......................................................................... 10
Slika 2.6: Markerji za sinhronizacijo ................................................................................... 11
Slika 2.7: Preslikovanje podatkov na OFDM simbole – frekvenčno prepletanje ................ 12
Slika 2.8: Vrste modulacije – konstelacije [3] ..................................................................... 13
Slika 2.9: Bitne hitrosti glede na razmerje C/N .................................................................. 16
Slika 2.10: Primerjava bitnih hitrosti med DVB-T in DVB-T2 ............................................. 17
Slika 2.11: Konstelacija DVB-T in DVB-T2 ........................................................................ 18
Slika 3.1: Sinhronizacija v frekvenčni domeni .................................................................... 23
Slika 3.2: MFN in SFN topologij ......................................................................................... 24
Slika 3.3: Sinhronizacija časovne domene ........................................................................ 25
Slika 3.4: Shema “end to end” omrežja s prenosom referenčnega signala ....................... 26
Slika 3.5: Blokovni diagram oddajniškega sistema digitalne televizije (DTV) .................... 27
Slika 3.6: Blok diagram vzbujalnika R&S SX800 ............................................................... 28
Slika 3.7: Pot RF signal od delilnika signala preko polja šestih ojačevalnikov do
združenega izhoda ............................................................................................................ 29
Slika 3.8: Smerni sklopnik in harmonski filter v oddajniku ................................................. 30
Slika 3.9: Pasovno prepustni filter ..................................................................................... 31
Slika 3.10: Meritev odbojnega slabljenja 8-pasovnega prepustnega filtra ......................... 31
Slika 3.11: Primer RF toge cevi s prirobnico in kolenom ................................................... 32
Slika 3.12: Meritev odbojnega slabljenja 3 toge cevi ................................................. 33
Slika 3.13: RF kabel ........................................................................................................... 33
Slika 3.14: Meritev odbojnega slabljenja RF kabla .................................................... 34
Slika 3.15: Združevalnik ..................................................................................................... 35
Slika 3.16: Meritev vnešenaga slabljenja za kanal 69 – širokopasovni vhod .................... 35
Slika 3.17: UHF panel ........................................................................................................ 36
Slika 3.18: UHF antenski sistem dve nadstropji, tri smeri .................................................. 36
Slika 5.1: Meritev ramenske razdalje ................................................................................. 41
Slika 5.2: Kritična maska (spodnja krivulja) in nekritična maska (zgornja krivulja)
izhodnega signala, frekvenca glede na središče 8 MHz DVB-T kanala ............................ 42
vii
Slika 5.3: Vpliv belega šuma [3] ......................................................................................... 44
Slika 5.4: Fazno trepetanje/nihanje (Phase jitter) [3] ......................................................... 45
Slika 5.5: I/Q napake modulatorja [3] ................................................................................. 46
Slika 5.6: I/Q fazna napaka [3] ........................................................................................... 46
Slika 5.7: Efekt preostalega nosilca [3] .............................................................................. 47
Slika 5.8: NRP-Z51, toplotni senzor – merilnik moči .......................................................... 48
Slika 5.9: Shema za določanje BER pred Viterbi ............................................................... 49
Slika 5.10: Vektor napake za določanje MER [3] ............................................................... 50
Slika 5.11: Amplituda in skupinska zakasnitev (problem s preostalimi nosilci) [10] ........... 53
Slika 5.12: Meritev amplitude in faze (problem s preostalimi nosilci) [10] ......................... 53
Slika 6.1: Merilno okolje ..................................................................................................... 54
Slika 6.2: Blokovna shema merilnega instrumenta R&S ETL ............................................ 55
Slika 6.3: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po metodi tangenta ....................... 56
Slika 6.4: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po kazalčni metodi ........................ 57
Slika 6.5: Ramensko slabljenje z rezultati metode tangenta in kazalčne metode ............. 58
Slika 6.6: Konstelacijski diagram (EFA merilni instrument) [3] .......................................... 59
Slika 6.7: TPS informacije v meniju Overview na R&S ETL ............................................. 59
Slika 6.8: Konstelacijski diagram (ETL merilni instrument) ................................................ 60
Slika 6.9: Odčitek izhodne moči, merjen z NRP-Z51 ......................................................... 61
Slika 6.10: Izhodni nivo, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu ....................... 61
Slika 6.11: BER, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu ................................... 62
Slika 6.12: MER ................................................................................................................. 63
Slika 6.13: MER (potrebna korekcija) ................................................................................ 63
Slika 6.14: MER s Span = 200 ........................................................................................... 64
Slika 6.15: Cliff (brickwall) efekt ......................................................................................... 65
Slika 6.16: Vpliv MER na pokritost ..................................................................................... 66
Slika 6.17: Razlika v pokritosti za različne MER ................................................................ 67
Slika 6.18: Zmanjšanje MER v primeru uporabe pooddajnika ........................................... 67
Slika 6.19: CCDF meritev .................................................................................................. 69
Slika 6.20: Meritev CCDF za beli šum in DVB-T signal (pristop ovojnica), merjeno z
instrumentom R&S FSU .................................................................................................... 70
Slika 6.21: Meritev amplitude in faze ................................................................................. 71
Slika 6.22: Meritev amplitude in časovnega zamika .......................................................... 71
Slika 7.1: Grafični vmesnik linearnega predkorektorja v R&S SX800 ................................ 73
Slika 7.2: Blok diagram modula za predkorekcijo v vzbujalniku ........................................ 74
viii
Slika 7.3: Grafični vmesnik linearnega prekorektorja v R&S SX800 .................................. 75
Slika 7.4: Grafični vmesnik za frekvenčno korekcijo v R&S SX800 ................................... 76
Slika 8.1: Cilj – optimalno razmerje med MER, stroški in učinkovitostjo ............................ 77
Slika 8.2: Doseganje višje učinkovitosti z nižanjem napetosti ........................................... 78
Slika 8.3: Arhitektura Doherty ............................................................................................ 79
Slika 8.4: Impedančne krivulje glavnega ojačevalnika in ojačevalnika vrhov .................... 80
Slika 8.5: Krivulja učinkovitosti ojačevalnika z uporabo tehnologije Doherty [15] .............. 81
Slika 8.6: Modulacija ovojnice ............................................................................................ 82
B. Kazalo tabel
Tabela 2.1: Kapaciteta kanala (Mbit/s) glede na izbrano modulacijo, kodirno razmerje in
zaščitni interval .................................................................................................................... 5
Tabela 2.2: Primerjava DVB-T in DVB-T2 ......................................................................... 18
Tabela 2.3: Primerjava med DVB-S in DVB-S2 sistemom ................................................ 20
Tabela 2.4: Pregled načinov in funkcij v DVB-C in DVB-C2 .............................................. 21
Tabela 3.1: Število paketov transportnega toka na en super okvir .................................... 25
Tabela 3.2: Trajanje mega okvirja ..................................................................................... 27
Tabela 5.1: Mejne vrednosti DVB-T kanala za kritično in nekritično masko ...................... 43
ix
C. Uporabljene kratice
ACM Adaptive Coding and Modulation – adaptivno kodiranje in modulacij
AM Aplitude modulation – amplitudna modulacija
APSK Amplitude phase shift keying – amplitudno-fazna modulacija
ASI Asynchronous serial interface – asinhronski serijski vmesnik
AWGN Additive white Gaussian noise – dodatni beli Gaussov šum
C/N Carrier-to-noise ratio – razmerje nosilec-šum
CATV Cable television – kabelska televizija
CCETT Centre Commun d’Etudes en Télédiffusion et Télécommunication – Center za študij televizijskega oddajanja in telekomunikacij
CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization – Evropski komite za elektrotehniško standardizacijo
CF Crest factor – faktor oblike
COFDM Coded orhogonal frequency division multiplex – kodiran ortogonalni frekvenčni multipleks
CPE Common Phase Error – skupna fazna napaka
DC/DC Direct current to direct current converner – enosmerno enosmerni pretvornik
DSP Digital signal processor – digitalni signalni procesor
DTT Digital terestrial television – digitalna prizemna televizija
DTV Digital Television – digitalna televizija
DVB Digital video broadcast – digitalno video oddajanje
DVB-C Digital video broadcasting cable – digitalno kabelsko oddajanje
DVB-C2 Digital video broadcasting cable 2 – digitalno kabelsko oddajanje 2 DVB-DSNG
Digital Satellite News Gathering – digitalno satelitsko zbiranje novic
DVB-H Digital video broadcasting Handheld – digitalno ročno oddajanje
DVB-S Digital video broadcasting satellite – digitalno satelitsko oddajanje
DVB-S2 Digital video broadcasting satellite 2 – digitalno satelitsko oddajanje 2
DVB-T Digital video broadcasting terestrial – digitalno prizemno oddajanje
DVB-T2 Digital video broadcasting terestrial 2 – digitalno prizemno oddajanje 2
Lite Digital video broadcasting terestrial 2 Lite – digitalno prizemno oddajanje 2 Lite
EBU European Broadcasting Union – Evropsko združenje za radiodifuzijo
ELG European Launching Group – Evropska začetna skupina
EPG Electronic program guide – elektronski programski vodič
ETSI European Telecommunications Standards Institute – Evropski telekomunikacijski institut za standarde
EVM Error vector magnitude – napaka vektorske velikosti
FEC Forward error correction – vnaprejšnje popravljanje napak
FEF Future Extension Frames – razširitveni okvirji za prihodnost
FFT Fast Fourier transform – hitra Fourierjeva transformacija
FIR Finite impulse response – končni impulzni odziv
FM Frquency modulation – frekvenčna modulacija
GI Guard interval – zaščitni interval
GPS Global Positioning System – globalni sistem pozicioniranja
x
HbbTV Hybrid brodacast broadband TV – hibridna televizija
HDTV High definition television – televizija visoke ločljivosti
HP High priority – visoka prioriteta
IFFT Inverse Fast Fourier transform – inverzna hitra Fourierjeva transformacija
LDMOS Laterally diffused metal oxide semiconductor – bočno razpršen kovinsko oksidni polprevodnik
LDPC Low density parity code – paritetna koda nizke gostote
LP Low priority – nizka prioriteta
MFN Multi frequency network – večfrekvenčno omrežje
MIP Megaframe Initialization Packet – paket inicializacije mega okvirja
MISO Multiple Inputs, Single Output – več vhodov, en izhod
MPE Multi Protocol Encapsulation – večprotokolno vstavljanje
MPEG2 Moving Picture Experts Group 2 – skupina ekspertov za gibljive slike 2
MPEG-4 Moving Picture Experts Group 4 – skupina ekspertov za gibljive slike 4
MTBF Mean time between failures – srednji čas med odpovedima
OFDM Orhogonal frequency division multiplex - ortogonalni frekvenčni multipleks
PAPR Peak-to-Average Power Ratio – razmerje med maksimalno in povprečno (močjo)
PayTV Pay TV – plačljiva televizija
PID Packet identifier – identifikator paketa
PLL Phase Locked Loop – fazno zaključena zanka
PLP Physical Layer Pipe – vodnik fizičnega nivoja
PPS Pulse Per Second - impulz na sekundo
QAM Quadrature Amplitude Modulation – kvadraturna amplitudna modulacija
QPSK Quadrature phase shift keying – kvadraturna modulacija s faznim pomikom
RF Radio frequency – radijska frekvenca
RMS Root-mean-square – efektivna vrednost
S/N Signal-to-noise ratio – razmerje signal-šum
SDTV Standard definition television – televizija standardne ločljivosti
SFN Single frequency network – enofrekvenčno omrežje
SMATV Satellite Master Antenna Television – skupni televizijski krožnik/antena
SMPA Switch mode power amplifier – močnostni ojačevalniki v stikalnem načinu
STB Set-top-box – televizijski komunikator
STS Synchronisation Time Stamp – sinhronizacijski časovni žig
TPS Transmission Parameter Signalling – signalizacija prenosnega parametra
UHDTV Ultra high definition television – televizija ultra visoke ločljivosti
UHF Ultra high frequency – ultra visoka frekvenca
VOD Video On Demand – video na zahtevo
dB Decibel – decibel
MHz Megahertz – megahertz
1
1 UVOD
Za prenos signalov po zraku se uporablja radiofrekvenčni spekter, ki je razdeljen na
področja in je naravna dobrina. Del tega spektra, ki se ga uporablja za radiodifuzijo
televizijskih programov, je razdeljen na kanale. Zaradi potreb po prostih oddajnih
televizijskih kanalih in dejstva, da je ta del spektra bil že zelo zaseden, se z razvojem
digitalne tehnike uporaba le-te omogoči tudi na področju televizijskega oddajanja. Za
prehod na digitalno oddajanje prizemne televizije so se posamezne države kljub dejstvu,
da je prehod precej kompleksen in drag postopek, odločile že takoj v začetku, ko se je
pojavila možnost digitalnega prizemnega oddajanja (DVB-T). Nekatere države so prehod
opravile pozneje, preostale pa morajo opraviti prehod najkasneje do roka za zaključek
digitalizacije v Evropi, ki je določen za leto 2015. V Sloveniji smo to storili 1. decembra
2010. S takim prehodom se je precejšnji del spektra sprostil, saj se v digitalnem načinu
oddajanja na enem kanalu lahko oddaja več programov, za razliko od analognega načina,
kjer en program zaseda en kanal. Poleg tega pa digitalni način oddajanja prinaša še
druge prednosti, kot so: boljša kakovost zvoka in slike, možnost prenosa slike v visoki
ločljivosti (HDTV) kakor tudi uporaba dodatnih možnosti, kot so npr. elektronski
programski vodič (EPG), video na zahtevo (VoD), plačljiva TV (Pay TV), hibridna televizija
(HbbTV) in druge.
Poleg digitalnega prizemnega oddajanja DVB-T/T2 je prehod iz analognega v digitalni
način oddajanja prisoten tudi v digitalnih kabelskih sistemih (DVB-C/C2) in digitalnih
satelitskih sistemih (DVB-S/S2). O zgodovini DVB-T in ostalih standardih digitalnega video
oddajanja (DVB) je podrobneje napisano v drugem poglavju.
Oddajniki za radiodifuzijo so podvrženi strogim standardom glede kakovosti oddajanja
signala, saj lahko že manjše napake privedejo do motenj v oddajanju, kar pa ima lahko za
posledico izpad sprejema pri zelo velikem številu gledalcev.
Pri prehodu iz analognega načina oddajanja v nov oddajni standard DVB-T je še posebej
pomembno, da se, preden oddajno omrežje ali posamezni oddajnik začne z rednim
obratovanjem, opravi testiranje celotnega sistema z vsemi zahtevanimi meritvami. Ko gre
za preventivne ali vzdrževalne meritve, se lahko te omejijo le na nekaj najpomembnejših,
2
po potrebi pa se opravijo še preostale.
Da bi zadovoljili zahtevam za preizkus oddajnika, je ključnega pomena razumevanje in
poznavanje pravilnih postopkov. Ob tem je pomembna tudi kakovost in dinamični razpon
uporabljene merilne opreme, saj le-ta zagotavlja točnost opravljenih meritev.
V diplomskem delu želimo podati značilnosti in lastnosti DVB-T ter predstaviti meritve
kakovosti DVB-T signala. Meritve so bile izvajane na oddajni strani, kjer lahko s
spreminjanjem ustreznih parametrov vplivamo na kakovost oddajanega signala.
3
2 PREGLED STANDARDOV DVB
2.1 Zgodovina DVB
DVB Project je združenje približno 200 svetovnih podjetij, katerih cilj je, da se dogovarjajo
glede specifikacij za oddajanje in drugih digitalnih sistemov. Začetki DVB segajo v leto
1991, ko so operaterji in proizvajalci opreme začeli razpravljati o oblikovanju evropske
platforme za razvoj digitalne prizemne televizije. Pridružili so se jim še regulativni organi z
namenom, da se oblikuje skupina za nadzor razvoja digitalne televizije v Evropi. Nastala
je Evropska začetna skupina (ELG), ki je vključevala glavne evropske medijske interesne
skupine, proizvajalce opreme, regulatorje in druge. Septembra 1993 je bil s strani vseh
udeležencev ELG podpisan memorandum o soglasju. Skupina se je preimenovala v DVB
Project in lotili so se razvoja digitalne televizije v Evropi. V tem času je bila pripravljena
študija o pričakovanjih in možnostih za digitalno prizemno televizijo v Evropi, kjer so bili
predstavljeni novi koncepti in predlogi.
V DVB Project se razvijajo in določajo specifikacije, ki pa morajo biti s strani evropskega
organa za standardizacijo (EBU/CENELEC/ETSI Joint Technical Committee) odobrene. S
tem so specifikacije s strani Evropskega komiteja za elektrotehniško standardizacijo
(CENELEC) ali Evropskega telekomunikacijskega inštituta za standarde (ETSI) formalno
standardizirane. DVB Project upravlja projektna pisarna, katere osebje so uslužbenci
Evropske zveze za radiodifuzijo v Ženevi in deluje izključno v interesu članov DVB
Project. [16]
2.2 DVB-T
Leta 1993, ko je DVB Project začel z razvojem standardov za kabelske in satelitske
sisteme, so le-ti bili prioritetni pred digitalno prizemno televizijo (DTT), saj je bilo na vidiku
manj tehničnih težav in delo za regulatorje je bilo preprostejše. Razvoj sistema za DTT pa
4
je bil v tistem trenutku preveč nepredvidljiv in potrebno je bilo raziskati možnosti glede
šuma, okolja, pasovne širine in večpotne interference.
Prva različica DVB-T standarda je bila objavljena marca 1997 in je v dvanajstih letih postal
najbolj razširjen DTT standard na svetu. Ker je prilagodljiv, omogoča, da je omrežje
zasnovano za zagotavljanje široke palete storitev od HDTV do večkanalnega sprejema
standardne ločljivosti (SDTV), fiksnega ter mobilnega sprejema. [16]
2.2.1 Lastnosti DVB-T
V DVB-T lahko prenos digitalnih TV programov poteka s pasovno širino 8, 7 ali 6 MHz.
Obstajata dva različna načina delovanja: 2K in 8K način, kjer 2K pomeni 2046 točk
inverzne Fourierjeve transformacije (IFFT) in 8K pomeni 8192 točk IFFT. Za DVB-T velja,
da se uporabljajo nosilci dolžine približno 250 µs za 2K način in 1 ms za 8K način.
Odvisno od zahtev lahko izberemo enega ali drugega. V načinu 2K je razmik med
podnosilci večji – približno 4 kHz, vendar je trajanje simbola veliko krajše, v primerjavi z
8K načinom z razmikom podnosilcev 1 kHz, ki je veliko manj dovzeten za širjenje v
frekvenčnem prostoru zaradi Dopplerjevega efekta in odbojev. Je pa zato slednji veliko
bolj dovzeten za večje zamude odboja. V enofrekvenčnih omrežjih (SFN) bo vedno izbran
8K način, ker omogoča večje razdalje med oddajniki. DVB-T standard omogoča tudi
fleksibilni nadzor prenosa parametrov. Poleg simbolne dolžine, ki je posledica izbire
načina 2K ali 8K, lahko znotraj območja od
do
nastavljamo zaščitni interval simbolne
dolžine. Izbiramo lahko tudi tip modulacije (kvadraturna modulacija s faznim pomikom
(QPSK), 16-kvadraturna amplitudna modulacija (16-QAM), 64-kvadraturna amplitudna
modulacija (64-QAM)). DVB-T oddajanje je lahko prilagojeno posameznim zahtevam
glede robustnosti ali kodirnega razmerja (
do
). Poleg tega DVB-T standard kot
možnost omogoča hierarhično kodiranje. V tem primeru ima modulator dva vhoda za
transportni tok in dva posamično nastavljiva, vendar enaka, vhoda za vnaprejšnje
popravljanje napak (FEC). Ideja pri tem je, da se uporabi velika zaščita pred napakami
npr. z izbiro kodirnega razmerja
, in sicer z nizko podatkovno hitrostjo, nato pa se
prenaša z zelo robustno vrsto modulacije. Ta pot transportnega niza se potem imenuje
visoko prioritetna (HP) pot. Drugi transportni tok ima višjo podatkovno hitrost, uporabi se
nižja zaščita pred napakami (kodirno razmerje
) in se prenaša npr. z 64-QAM modulacijo.
5
To je nizko prioritetna (LP) pot. Na sprejemni strani se visoko prioritetni signal lažje
demodulira kot nizko prioritetni. Glede na sprejemne pogoje se na sprejemni strani izbere
LP ali HP. [3]
DVB-T parametri, ki so na izbiro:
- modulacija nosilcev (QPSK – 2 bita na nosilec, 16-QAM – 4 bite na nosilec, 64-
QAM – 6 bitov na nosilec)
- kodirno razmerje (CR) notranje zaščite pred napakami 1 2 3 5 7
, , , ,2 3 4 6 8
- dolžina zaščitnega intervala (GI) 1 1 1 1
, , ,4 8 16 32
- FFT dolžina – število nosilcev (2k – 1705 nosilcev, 8k – 6817 nosilcev)
- parameter modulacije (1 – enonivojska, 2, 4 – hierarhična)
Glede na izbiro parametrov dobimo različne lastnosti signala in različne podatkovne
hitrosti, kar je razvidno v tabeli 2.1.
Tabela 2.1: Kapaciteta kanala (Mbit/s) glede na izbrano modulacijo, kodirno razmerje in zaščitni interval
1/4 1/8 1/16 1/32
2 1/2 4.976 5.529 5.855 6.032
2 2/3 6.635 7.373 7.806 8.043
2 3/4 7.465 8.294 8.782 9.048
2 5/6 8.294 9.216 9.758 10.053
2 7/8 8.709 9.676 10.246 10.556
4 1/2 9.953 11.059 11.709 12.064
4 2/3 13.271 14.745 15.612 16.086
4 3/4 14.929 16.588 17.564 18.096
4 5/6 16.588 18.431 19.516 20.107
4 7/8 17.418 19.353 20.491 21.112
6 1/2 14.929 16.588 17.564 18.096
6 2/3 19.906 22.118 23.419 24.128
6 3/4 22.394 24.882 26.346 27.144
6 5/6 24.882 27.647 29.273 30.160
6 7/8 26.126 29.029 30.737 31.668
64-QAM
modulacijabitov na
nosilec
kodirno
razmerje
zaščitni interval
QPSK
16-QAM
Učinek in delovanje sistema sta odvisna od izbrane kombinacije modulacije in kodirnega
razmerja. Načeloma se lahko kombinirata kateri koli vrednosti, vendar pa je za dobro
6
delovanje sistema pomembno, da se izbira teh parametrov upošteva kot celota. Z izbiro
višjega kodirnega razmerja se povečuje tudi razmerje nosilec/šum (C/N) ter razpoložljiva
kapaciteta kanala.
Zaščitni interval se uporablja za zaščito pred odboji. Dolžina zaščitnega intervala je
definirana glede na razmerje s koristnim intervalom. Za 8K način delovanja je največji
zaščitni interval 224 µs in za 2K način je največji interval 56 µs. Izbira ustreznega
zaščitnega intervala je odvisna predvsem od razdalje med oddajniki, ko gre za
enofrekvenčna omrežja, in od naravnega okolja (odboji), ko gre za večfrekvenčna
omrežja. Več o tem v poglavju 2.2.5.
2.2.2 COFDM
V zgodnjih 60-ih je ameriško podjetje Bell Laboratories odkrilo tehnike z razpršenim
spektrom, ki so bile uporabljane v vojaške namene. V začetku 80-ih pa je francoski
raziskovalni laboratorij Centra za študij televizijskega oddajanja in telekomunikacij
(CCETT) proučeval, kako to tehniko uporabiti v namene oddajanja. Določili so
modulacijski sistem, ki je dovolj robusten in učinkovit za prenos digitalnih podatkov:
kodiran ortogonalni frekvenčni multipleks (COFDM).
Načeloma si modulator COFDM lahko predstavljamo, kot je vidno na sliki 2.1, da je
sestavljen iz več sto QAM modulatorjev in pripadajočih preslikovalnikov (angl.:mapper).
7
Slika 2.1: Teoretični blok diagram modulatorja COFDM [3]
Dejansko pa je ortogonalni frekvenčni multipleks simbol (OFDM) ustvarjen s postopkom
večkratnega procesa preslikovanja, v katerem nastaneta dve tabeli, čemur sledi hitra
inverzna Fourierjeva transformacija (IFFT) – slika 2.2.
Slika 2.2: Praktična implementacija modulatorja COFDM z IFFT [3]
8
2.2.3 Razdelitev kanala
Značilnosti prenosnega kanala niso konstantne v časovni domeni, vendar pa v kratkem
času karakteristika razširjanja prizemnega kanala postane stabilna. Da bi se izkoristile te
lastnosti, COFDM izvaja delitev prizemnega prenosnega kanala po časovni in frekvenčni
domeni. Posledično je radio frekvenčni (RF) kanal organiziran kot ozek frekvenčni pod-
pas in kot sklop majhnih sosednjih časovnih segmentov, kot je prikazano na sliki 2.3.
Slika 2.3: Razdelitev kanala
9
2.2.4 Vstavljanje podnosilcev
Vsaka časovnofrekvenčna celica je opremljena z namenskim podnosilcem. Skupina
podnosilcev v časovnem segmentu se imenuje OFDM simbol. Da bi se izognili motnjam
notranjih nosilcev, je oddaljenost podnosilcev nastavljena enako, kot je inverzno trajanje
nosilca in zato so podnosilci pravokotni – slika 2.4.
Slika 2.4: Vstavljanje podnosilcev
10
2.2.5 Vstavljanje zaščitnega intervala
Nastanek odboja je kot zakasnjen odgovor prvotnega signala. Tako je začetek danega
OFDM signala predmet onesnaženja od zakasnjenega konca prejšnjega. Da bi se izognili
temu efektu, je med vsak OFDM simbol vstavljen zaščitni interval, kot prikazuje slika 2.5.
V času trajanja zaščitnega intervala naj bi sprejemnik ignoriral sprejeti signal in ta lastnost
ima za posledico izgubo zmogljivosti prenosnega kanala.
Slika 2.5: Vstavljanje zaščitnega intervala
11
2.2.6 Kanalna sinhronizacija
Da bi sprejemnik pravilno demoduliral signal, mora opraviti vzorčenje znotraj uporabne
periode OFDM simbola (in ne znotraj zaščitnega intervala). Nato se mora časovno okno
natančno postaviti v trenutku, kjer se vsak OFDM simbol pojavi v zraku. DVB-T uporablja
pilotne podnosilce, razširjene znotraj prenosnega kanala, kot markerje za sinhronizacijo,
kot nam prikazuje slika 2.6.
Slika 2.6: Markerji za sinhronizacijo
Te opisane funkcije sestavljajo osnovne karakteristike modulacije COFDM. Čeprav vse te
funkcije vplivajo na izgubo kapacitete ali zmanjšanje bitne hitrosti, pa nasprotno
omogočajo obvladovanje pokrivanja na račun kompromisa med kanalno robustnostjo in
kapaciteto kanala.
Za izboljšanje modulacije COFDM je potrebna ublažitev nekaterih stranskih učinkov. Ker
prihaja do frekvenčnega popuščanja na sosednjih frekvenčnih podpasovih, so sosednji
podatkovni biti porazdeljeni čez oddaljene podnosilce znotraj vsakega OFDM simbola. To
funkcijo poznamo kot frekvenčno prepletanje. Digitalni podatki so najprej kodirani z
zaščitno kodo. Potem je vstavljen zaščitni interval (s podvajanjem bitov) med ponovitvami
12
zaščitenih podatkov. Na koncu se uporabi algoritem frekvenčnega prepletanja (slika 2.7),
ki je sinhroniziran s prenosnim okvirjem, in se izvede preslikava podatkovnega plaza na
tesno razporejene podnosilce.
Slika 2.7: Preslikovanje podatkov na OFDM simbole – frekvenčno prepletanje
2.2.7 Osnovna konstelacija
Preslikava podatkov na OFDM simbole pomeni posamično modulacijo vsakega
podnosilca glede na eno od treh osnovnih DVB-T kompleksnih konstelacij. Odvisno od
izbranih konstelacij, ki so prikazane na sliki 2.8 (2 bita (QPSK), 4 biti (16-QAM) ali 6 bitov
(64-QAM)), se vsaka izmed njih v trenutku prenese na svoj podnosilec. Vsaka konstelacija
ima posebno robustnost, glede na minimalno razmerje C/N pa tolerira uspešnost
demodulacije. Konstelacija QPSK je 4- do 5-krat bolj popustljiva glede šuma kot pa 64-
QAM.
13
Slika 2.8: Vrste modulacije – konstelacije [3]
Iz tega lahko povzamemo, da je COFDM postopek za prenos, ki namesto enega nosilca
uporablja veliko podnosilcev v enem prenosnem kanalu. Je posebej ustvarjen za lastnosti
prizemnega oddajnega kanala, ki vsebuje več odbojev. Informacije, ki se posredujejo, so
opremljene z zaščito pred napakami in so porazdeljene po vseh podnosilcih. Podnosilci so
vektorsko modulirani in vsakokrat prenesejo del informacije. S COFDM se izdelajo daljši
simboli kot v primeru prenosa z enim nosilcem, iz česar sledi, da lahko s pomočjo
zaščitnega intervala odpravimo medsimbolne interference zaradi odbojev. Zaradi zaščite
pred napakami in dejstva, da se podatki prenašajo preko mnogo podnosilcev, obstaja
možnost za obnovo originalnega podatkovnega niza brez napak, kljub izgubi delčka
podatkov, in odboja.
Kot že omenjeno, ima DVB-T sposobnost hierarhične modulacije. To pomeni, da sta dva
popolnoma ločena podatkovna tokova modulirana v en signal. Visoko prioritetni HP niz je
integriran znotraj nizko prioritetnega LP niza. Operaterji lahko tako ciljajo na dve različni
vrsti sprejemnikov z dvema popolnoma različnima storitvama. Tako so zaradi težavnosti
sprejema mobilne TV storitve v visoko prioritetnem nizu, storitvam, ki se sprejemajo na
fiksnih antenah, pa je namenjen nizko prioritetni niz.
Med največje prednosti, ki jih je omogočil DVB-T, pa štejemo enofrekvenčna omrežja.
Enofrekvenčno omrežje (SFN) je omogočeno z uporabo OFDM modulacije z ustreznim
zaščitnim intervalom. SFN je omrežje več oddajnikov, ki delujejo na isti frekvenci. Več o
tem bomo navedli v poglavju 3.1.
14
2.3 DVB-T2
Digitalno prizemno oddajanje 2 (DVB-T2) je druga generacija sistema za digitalno
prizemno televizijo, ki je trenutno najnaprednejši, saj ponuja večjo robustnost,
prilagodljivost in najmanj 50 % večjo učinkovitost kot kateri koli drugi digitalni prizemni
televizijski (DTT) sistem. V DVB-T2 je omogočena distribucija programov SDTV, HDTV,
televizija ultra visoke ločljivosti (UHDTV), mobilna televizija in kombinacije le-teh.
DVB-T2 izpolnjuje vse nove zahteve, vključno s povečano kapaciteto, robustnostjo in
možnostjo uporabe obstoječe sprejemne antene. Prva verzija DVB-T2 standarda je bila
objavljena leta 2009 (EN 302 755) in posodobljena leta 2011 s podskupino T2-Lite za
mobilni in prenosni sprejem.
Nove tehnologije, uporabljene v DVB-T2 so:
- večkratni fizični nivo nam omogoča ločeno nastavljanje robustnosti vsakega
dostavljenega programa znotraj kanala za izpolnjevanje zahtevanih pogojev za sprejem,
kot npr. s sobno ali s strešno anteno, prav tako pa tudi sprejemniku varčevati z energijo
tako, da dekodira samo en program namesto celotnega multipleksa programov;
- alamouti kodiranje je metoda za izboljšanje pokritosti s signalom v majhnih eno-
frekvenčnih omrežjih;
- rotirana konstelacija zagotavlja dodatno stabilnost;
- razširjeno prepletanje vključuje bitno, celično, časovno in frekvenčno prepletanje;
- razširitveni okvirji za prihodnost – FEF omogočajo standardu ustreznost tudi v
prihodnosti, npr. uporaba novih modulacij.
Digitalno prizemno oddajanje 2 Lite (DVB-T2 Lite) je bilo predstavljeno v juliju 2011 in je
prva oblika dodatnega profila, ki omogoča uporabo FEF pristopa. Predstavljeno je bilo kot
dodatek k DVB-T2 z dvema dodatnima stopnjama kodiranja s paritetno kodo nizke
gostote (LDPC), in sicer z namenom podpore za mobilno in prenosno televizijo ter
zmanjšanja stroškov izvajanja. Ker so bili v DVB-T2 Lite vključeni samo elementi za
mobilni ter prenosni sprejem in je podatkovna hitrost znižana na 4 Mbit/s po enem vodniku
fizičnega nivoja (PLP), je zato izvedba čipovja (angl.:chipsets) poenostavljena za 50 %.
FEF mehanizem omogoča, da sta DVB-T2 Lite in DVB-T2 Base poslana po enem RF
15
kanalu tudi, kadar dva profila uporabljata različne velikosti razširitvenih okvirjev za
prihodnost ali zaščitni interval.
V državah, kjer poteka oddajanje v DVB-T, obstaja možnost hkratnega oddajanja DVB-T2.
Zaradi masovne proizvodnje pa so sprejemniki za DVB-T2 cenovno že zelo primerljivi s
sprejemniki DVB-T. Prva država, kjer so začeli oddajanje po standardu DVB-T2, je bila
Velika Britanija, in sicer marca 2010 vzporedno z DVB-T. V letih 2010 in 2011 je DVB-T2
bil zagnan tudi v Italiji, na Švedskem in Finskem, zunaj Evrope pa v Zambiji, Namibiji,
Nigeriji, Keniji, Ugandi itd.
2.4 DVB-T ali DVB-T2
Nekatere države že nekaj let uspešno oddajajo v DVB-T tehniki, nekatere izmed njih pa
se že odločajo tudi za prehod na DVB-T2. Tiste, ki še niso izvedle prehoda z analogne
televizije, imajo tako na izbiro DVB-T ali DVB-T2, kar je vsekakor zelo ugodna rešitev. V
primeru obstoječih DVB-T storitev je prehod na DVB-T2 zahtevnejši, ker morajo
uporabniki, ki bi želeli sprejemati DVB-T2 zamenjati televizijski komunikator (STB) ali
televizijski sprejemnik. S takim sprejemnikom pa lahko seveda sprejemajo tud DVB-T
signal. Značilnosti spektra DVB-T in DVB-T2 so podobne, saj si delita isti frekvenčni pas
in oba temeljita na OFDM prenosu z zaščitnim intervalom.
Z oddajanjem v DVB-T2 ter zmanjševanjem razmerja med maksimalno in povprečno
močjo (PAPR) se pri istem izhodnem signalu (MER=34) poveča pokritost za 0,4 dB v
primerjavi z DVB-T.
Za doseganje večje kapacitete so v DVB-T2 razširjeni naslednji parametri:
- nova generacija FEC in višja konstelacija (256-QAM) rezultirata s 25–30 %
povečanjem zmogljivosti, približujoč se Shannonovi meji;
- povečanje OFDM nosilcev z 8K na 32K; znotraj SFN omrežij je zaščitni interval
1/16 namesto 1/4, kar rezultira z do 18 % povečanjem;
- optimiziranje razpršenih pilotov glede na zaščitni interval in minimiziranje trajnih
nosilcev, kar rezultira s približno 10 % zmanjšanjem;
- povečanje pasovne širine (za 8 MHz se uporabi pasovna širina 7,77 MHz namesto
7,61 MHz) nakazuje povečanje za 2 % in
- razširjeno prepletanje, vključno s celičnim, časovnim in frekvenčnim prepletanjem.
16
Z razširjenim področjem COFDM parametrov se DVB-T2 zelo približa fizikalnim mejam v
primerjavi z DVB-T, kot je to razvidno s slik 2.9 in 2.10, saj skupaj z izboljšano bitno
korekcijo napak omogoča povečanje kapacitete do skoraj 50 % v večfrekvenčnih omrežjih
(MFN) in še več v SFN omrežjih.
Slika 2.9: Bitne hitrosti glede na razmerje C/N
17
Slika 2.10: Primerjava bitnih hitrosti med DVB-T in DVB-T2
V DVB-T2 sistemu je prav tako na voljo več funkcij za večjo vsestranskost in grobost pri
sprejemu pod kritičnimi pogoji:
- rotirana konstelacija (slika 2.11), ki zagotavlja obliko raznolikosti modulacije za
pomoč pri sprejemu višjega kodirnega razmerja v zahtevnih prenosnih kanalih;
- posebne tehnike zmanjševanja razmerja maksimalne in povprečne moči (PAPR)
oddajnega signala, ki ima vpliv na boljši izkoristek močnostnih ojačevalnikov;
- več vhodov, en izhod (MISO) – način prenosa, ki uporablja modificirano obliko
Alamouti kodiranja;
- na fizičnem nivoju časovno rezanje vključuje varčevanje energije in omogoča
različne fizične nivoje tako, da imajo različne nivoje robustnosti.
18
Slika 2.11: Konstelacija DVB-T in DVB-T2
V tabeli 2.2 je prikazana primerjava (v SFN) med DVB-T in DVB-T2 glede na kapaciteto,
in sicer za velike zaščitne intervale. Razvidno je 67 % povečanje kapacitete, ki pa jo je z
uporabo še večjih zaščitnih intervalov mogoče povečati še za 20 % na račun izgube
pokritosti s signalom za 3 %.
Tabela 2.2: Primerjava DVB-T in DVB-T2
DVB-T DVB-T2
Modulacija 64-QAM 256-QAM
Velikost FFT 8K 32K
Zaščitni interval 1/4 1/16
Napredno popravljanje napak - FEC 2/3CC + RS 3/5 ldpc + BCH
Razpršeni nosilci 8,30% 4,20%
Trajni nosilci (opomba 1) 2,00% 0,39%
L1 overhead 1,00% 0,65%
Način nosilca razširjen razširjen
Kapaciteta 19,9Mbit/s 33,2 Mbit/s
opomba 1: vključeni samo trajni nosilci, brez razpršenih nosilcev
19
2.5 DVB-H
Digitalno ročno oddajanje (DVB-H) je tehnična specifikacija za prenos digitalne televizije
do ročnih oz. prenosnih sprejemnikov, kot so mobilni telefoni in dlančniki. DVB-H je bil
objavljen novembra 2004 kot uradni standard s strani ETSI. Je specifikacija fizičnega
sloja, ki je zasnovana tako, da omogoča učinkovito dostavo IP– vstavljenih podatkov
preko prizemnih omrežij. DVB-H je tesno povezan z DVB-T in tudi z izpeljanimi
spremembami nekaterih drugih DVB standardov. Pri razvoju so upoštevali dobre rezultate
mobilnega sprejema DVB-T in poskušali doseči pomembne prilagoditve za mobilni
sprejem, to je prihranek energije, odlično zmogljivost in robustnost v celičnem okolju in
okrepljeno podporo za sprejem z eno anteno v enofrekvenčnih omrežjih. [16]
Ker je DVB-H razširitev DVB-T z omejeno združljivostjo, lahko uporabljata oba isti
multipleks. Z mehanizmom večprotokolnega vstavljanja (MPE) je omogočen prenos
podatkovnih omrežnih protokolov na vrhu transportnega toka skupine ekspertov za gibljive
slike 2 (MPEG2). Uporablja se vnaprejšnje popravljanje napak in s tem se izboljša tudi
robustnost ter mobilnost signala. Poleg načina 2K in 8K, ki je na voljo v DVB-T, je dodan
še 4K, ki omogoča boljšo prilagodljivost pri načrtovanju omrežij.
2.6 DVB-S in DVB-S2
Za začetek digitalnih satelitskih storitev se šteje konec leta 1994 v Južni Afriki in na
Tajskem. Prva komercialna uporaba sistema je bila leta 1994 v Franciji. Sčasoma je
digitalno satelitsko oddajanje (DVB-S) postalo najbolj priljubljen standard za digitalno
satelitsko televizijo z več kot 100 milijoni sprejemnikov po celem svetu. Kljub vsemu pa ni
presenetljivo, da so se po desetih letih odločili za prenovo sistema. Tako je DVB razvil nov
sistem DVB-S2, ki naj bi izkoristil prednosti naprednih tehnik kodiranja, modulacije in
sistemov za odpravo napak. Sistem omogoča vrsto novih storitev, med katerimi je z
uvedbo najnovejše tehnologije video stiskanja prisotna tudi HDTV za široko komercialno
uporabo. [16]
DVB-S uporablja QPSK modulacijo skupaj z različnimi orodji za kanalno kodiranje in
odpravo napak. Več dodatkov se je pojavilo z digitalnim satelitskim zbiranjem novic (DVB-
DSNG), kot je npr. uporaba 8-PSK in 16-QAM modulacije. Digitalno satelitsko oddajanje 2
(DVB-S2) ima sledeče ključne tehnične karakteristike:
20
- Na voljo so štirje načini modulacije s QPSK in 8-PSK, namenjene oddajanju
aplikacij v nelinearnih satelitskih transponderjih, ki so krmiljeni blizu nasičenja. 16-
amplitudno fazna modulacija (16-APSK) in 32-APSK zahtevata višji nivo C/N in
ciljata predvsem na profesionalne aplikacije, kot sta zbiranje novic in interaktivne
storitve.
- DVB-S2 uporablja sistem za zelo zmogljivo vnaprejšnje popravljanje napak (FEC),
ki je ključnega pomena, da se omogoči doseganje odličnih rezultatov v prisotnosti
velikega nivoja šuma in motenj. Sistem za vnaprejšnje popravljanje napak temelji
na združevanju Bose-Chaudhuri-Hcquengham (BCH) kode z nizko občutljivim
preverjanjem paritete LDPC na notranjem kodiranju.
- Adaptivno kodiranje in modulacija (ACM) omogoča spreminjanje oddajnih
parametrov na osnovi korak po korak, odvisno od posebnih pogojev glede na
dostavne poti za vsakega posameznega uporabnika. Usmerjena je k ciljanim
interaktivnim storitvam in k profesionalnim aplikacijam točka-do-točke.
- DVB-S2 omogoča pogojno združljivost z DVB-S sprejemniki, ki omogočajo
hierarhično modulacijo, tako da le-ti še naprej delujejo, hkrati pa zagotavlja
dodatne zmogljivosti in storitve za nove sprejemnike.
Tabela 2.3: Primerjava med DVB-S in DVB-S2 sistemom
EIRP Satelita (dBW)
Sistem DVB-S DVB-S2 DVB-S DVB-S2
Modulacija in kodiranje QPSK 2/3 QPSK 3/4 QPSK 7/8 8PSK 2/3
Simbolno razmerje 27,5 (a = 0,35) 30,9 (a = 0,2) 27,5 (a = 0,35) 29,7 (a = 0,25)
C/N (v 27,5 Mhz) (dB) 5,1 5,1 7,8 7,8
Uporabna pod. hitrost (Mbit/s) 33,8 46 (gain = 36%) 44,4 58,8 (gain = 32%)
Število SDTV programov 7 MPEG-2
15 AVC
10 MPEG-2
21 AVC
10 MPEG-2
20AVC
13 MPEG-2
26AVC
Število HDTV programov 1-2 MPEG-2
3-4 AVC
2 MPEG-2
5 AVC
2 MPEG-2
5 AVC
3 MPEG-2
6 AVC
51 53,7
DVB-S2 je bil uradno predstavljen marca 2005 in je bil zelo dobro sprejet. Tako je bilo
mogoče npr. svetovno prvenstvo v nogometu leta 2006 že gledati preko DVB-S2. V
Evropi in ZDA večje število ponudnikov uporablja DVB-S2 v povezavi s MPEG4
naprednim video kodiranjem, z namenom dostave HDTV storitev. Po svetu je tako že več
kot 250 milijonov DVB-S/S2 sprejemnikov.
21
2.7 DVB-C in DVB-C2
Standard za digitalno kabelsko oddajanje (DVB-C) je ETSI prvič objavil decembra 1994,
kmalu za tem pa postal najbolj pogosto uporabljan prenosni sistem za digitalni kabelsko
televizijo po celem svetu v sistemih, ki segajo od večjih omrežij kabelske televizije CATV,
do manjših sistemov z eno glavno anteno (SMATV).
Več faktorjev je vplivalo na odločitev DVB, da podobno kot prizemni in satelitski tudi
kabelski standard potrebuje drugo generacijo. Kot vsi DVB standardi je tudi digitalno
kabelsko oddajanje 2 (DVB-C2) nastalo na osnovi komercialnih zahtev, kot so: vsaj 30 %
povečanje kapacitete, podpora različnim vhodnim protokolom in izboljšave na področju
odprave napak. V novem standardu ni bilo zahteve za združljivost z DVB-C, vendar pa so
vsi DVB-C2 sprejemniki sposobni sprejemati tudi DVB-C storitve. [16]
DVB-C in DVB-C2 ponujata številne možnosti izbire načinov (tabela 2.4), ki so optimizirani
za različne lastnosti in zahteve omrežij glede na različne planirane storitve za dostavo
kabelskih storitev do strank.
Tabela 2.4: Pregled načinov in funkcij v DVB-C in DVB-C2
DVB-C DVB-C2
Vhodni vmesnik Enojni transportni niz (TS)Večkratni transportni niz in transportni
niz s splošno enkapsulacijo (GSE)
Način Konstantno kodiranje in modulacijaSpremenljivo kodiranje in modulacija,
Adaptivno kodiranje in modulacija
Napredno popravljanje napak Reed Salomon LDPC + BCH
Prepletanje Bitno prepletanje Bitno, časovno in frekvenčno prepletanje
Modulacija Enojni nosilec QAM COFDM
Nosilci ni na voljo Razpršeni ali trajni nosilci
Zaščitni interval ni na voljo 1/64 ali 1/128
modulacijska shema 16 do 256 QAM 16 do 4096 QAM
DVB-C2 omogoča uporabo inovativnih storitev, kot so video na zahtevo (VOD), televizija
visoke ločljivosti (HDTV), s čimer je omogočeno, da so operaterji še naprej konkurenčni in
tako lahko planirajo selitev storitev iz DVB-C v DVB-C2. Pokazale so se tudi odlične
lastnosti glede šuma, kjer se približa Shanonovim mejam maksimalne teoretične hitrosti
prenosa v kanalu za določen nivo šuma. Izbrana modulacijska shema COFDM je
22
neobčutljiva na odboje, ki se pojavljajo v tipičnih hišnih koaksialnih omrežjih ter zelo
robustna glede na impulzne šumne odboje. DVB-C2 omogoča tudi oddajanje zelo širokih
kanalov (32 MHz), kar bo operaterjem omogočalo zelo učinkovito deljenje razpoložljivih
sredstev med posamezne stranke in storitve.
Prva komercialna dostopnost do demodulacijskega čipa DVB-C2 je bila januarja 2012,
tako da so prve naprave imele vgrajene DVB-C2 sprejemnike že aprila 2012.
23
3 LASTNOSTI OMREŽIJ DVB-T IN KOMPONENTE
ODDAJNIŠKEGA SISTEMA DVB-T
3.1 Enofrekvenčno omrežje
Enofrekvenčno omrežje (SFN) deluje kot takšno, kadar oddajniki tega omrežja oddajajo
enak signal v vsakem trenutku. Povzeta pravila za SFN so, da vsak oddajnik, povezan v
SFN, mora oddajati:
- na isti frekvenci
- ob istem trenutku
- enake bitne podatke
Ta pravila predstavljajo osnove, ko potem z vzpostavitvijo distribucijskega omrežja mora
priti do sinhronizacije vseh SFN oddajnikov v časovni (slika 3.3) in frekvenčni (slika 3.1)
domeni. V enofrekvenčnem načinu vsi oddajniki delujejo na isti frekvenci, kar je z
ekonomskega vidika zelo ugodno glede na frekvenčne vire, saj se upravljalci omrežij in
operaterji dandanes srečujejo z zmanjševanjem razpoložljivega frekvenčnega spektra.
Slika 3.1: Sinhronizacija v frekvenčni domeni
24
Vsi oddajniki oddajajo identični signal in morajo delovati popolnoma sinhrono med sabo,
za razliko od MFN, kjer vsi oddajniki oddajajo na drugi frekvenci. Na sliki 3.2 se vidi, da v
MFN oddajniki uporabljajo vsak svojo frekvenco, kar predstavlja 24 MHz spektra za 3
oddajnike, v SFN pa le 8 MHz.
Slika 3.2: MFN in SFN topologija
Za namen sinhronizacije je signal v DVB-T zaklenjen na najboljši mogoč referenčni signal.
To je signal iz globalnega sistema pozicioniranja (GPS), ki je na voljo po vsem svetu. GPS
satelit oddaja en impulz na sekundo (PPS), na katerega je zaklenjen 10 MHz oscilator v
GPS sprejemnikih in ta predstavlja referenčni signal za DVB-T oddajnike. Upoštevana pa
mora biti tudi razdalja med oddajniki, ki je povezana z zaščitnim intervalom in svetlobno
hitrostjo, tj. z zakasnitvijo signala. Če v večpotnem sprejemu zakasnitev med točkami ni
večja od dolžine zaščitnega intervala, se je možno izogniti tudi medsimbolnim motnjam.
Signale iz oddajnikov večjih razdalj je potrebno dovolj zmanjšati. Prag za navidezno
delovanje brez napak je nastal iz enakih pogojev kot za šum. Zato je še posebej
pomembno, da so nivoji znotraj SFN pravilno umerjeni. Ni vedno maksimalna moč
oddajnika tista, ki je najboljša, ampak tista, ki je pravilna. Zato planiranje omrežja zahteva
tudi topografske podatke.
Program, ki se oddaja, je distribuiran preko optičnega, satelitskega ali mikrovalovnega
omrežja iz procesnega centra, kjer so locirani tudi MPEG2/MPEG4 multiplekserji. Zaradi
različnih dolžin poti prihaja do različnih zakasnitev transportnega niza. Kljub temu pa je
potrebno, da vsak modulator v SFN omrežju enake pakete transportnega toka procesira v
25
COFDM simbole popolnoma sinhrono z vsemi ostalimi modulatorji v omrežju, kar pomeni,
da morajo biti vsi enaki paketi, enaki biti in enaki bajti procesirani ob enakem času. Tako
potem lahko vsak DVB-T oddajnik v SFN omrežju oddaja popolnoma enake COFDM
simbole točno ob istem času.
Slika 3.3: Sinhronizacija časovne domene
DVB-T modulacija je sestavljena iz okvirjev, ti pa iz 68 DVB-T COFDM simbolov. Znotraj
okvirja se prenašajo informacije o signalizaciji prenosnega parametra (TPS) in razpršeni
piloti s celotnega DVB-T kanala. Štirje okvirji tvorijo en super okvir.
Tabela 3.1: Število paketov transportnega toka na en super okvir
kodirno razmerje
QPSK 2K QPSK 8K 16QAM 2K
16QAM 8K
64QAM 2K
64QAM 8K
1/2 252 1008 504 2016 756 3024
2/3 336 1344 672 2688 1008 4032
3/4 378 1512 756 3024 1134 4536
5/6 420 1680 840 3360 1260 5040
7/8 441 1764 882 3528 1323 5292
Pomembno je torej, da je super okvir v SFN omrežju sestavljen iz popolnoma enakih
paketov transportnega niza in da vsak modulator v tem omrežju ustvari in oddaja super
okvir v enakem času – sinhronizirano. V SFN omrežjih imajo GPS sprejemniki na izhodu
26
10 MHz referenčni signal, kakor tudi 1 PPS, in sicer na oddajniški lokaciji in v procesnem
centru, kjer je multipleksiran transportni tok sestavljen. 1 PPS in 10 MHz referenčni signal
se prav tako lahko prenašata iz procesnega centra preko distribucijskega omrežja, kot
prikazuje Slika 3.4. V takem primeru na oddajniški lokaciji ni potreben GPS sprejemnik.
Slika 3.4: Shema “end to end” omrežja s prenosom referenčnega signala
Ob multiplekserjih so tudi vstavljalniki paketov, ki v transportni tok vstavljajo posebne
pakete transportnega toka v en mega okvir. Zato so ti paketi poimenovani s paketi
inicializacije mega okvirja (MIP). MIP ima poseben identifikator paketa (PID) =0x15, tako
da je lahko identificiran in vsebuje podatke o časovni referenci, ter kontrolne informacije
DVB-T modulatorjev. Med drugim vsebuje tudi štetje časa nazaj do časa, kjer je bil zadnji
1 PPS impulz sprejet na MIP vstavljalniku. Ta časovni žig z ločljivostjo 100 ns na korak je
uporabljen za avtomatsko meritev razdalje.
To informacijo sprejme in obdela SFN adapter, ki lahko avtomatsko popravi zakasnitev
signala iz predvajalnega centra do oddajnika s pomočjo hranilnika. Zahtevana informacija
je tudi največja zakasnitev v omrežju. Te informacije se vnese ročno v oddajnik ali pa se
prenaša v MIP paketu in tako se vsak SFN vmesnik nastavi na ta čas. MIP paketi
vsebujejo tudi kazalec o začetku naslednjega mega okvirja v številu paketov
transportnega toka. Trajanje mega okvirja je podano v tabeli 3.2. [3]
27
Tabela 3.2: Trajanje mega okvirja
Zaščitni interval 8 MHz 7 MHz 6 MHz 5 MHz
∆ / Tu = 1/32 0,5026560 s 0,5744640 s 0,6702080 s 0,8042496 s
∆ / Tu = 1/16 0,5178880 s 0,5918720 s 0,6905173 s 0,8286208 s
∆ / Tu = 1/8 0,5483520 s 0,6266880 s 0,7311360 s 0,8773632 s
∆ / Tu = 1/4 0,6092800 s 0,6963200 s 0,8123733 s 0,9748480 s
Pasovna širina kanala
Podane so približne vrednosti!
Uporaba tega kazalca omogoči vsem modulatorjem začetek mega okvirja ob istem času.
MIP se lahko uporabi tudi za oddajanje dodatnih informacij, kot so parametri za DVB-T
oddajanje, kar omogoči kontrolo in konfiguracijo celotnega SFN omrežja iz enega centra,
vendar pa ni nujno, da vsi modulatorji to možnost podpirajo.
3.2 Oddajniški sistem DVB-T
Slika 3.5: Blokovni diagram oddajniškega sistema digitalne televizije (DTV)
28
3.2.1 Vzbujalnik
Vzbujalnik (angl.:exciter) pripravi oz. obdela RF signal tako, da je pripravljen za oddajanje.
Vhodni signal (MPEG-2 ali MPEG-4 transportni tok), v večini primerov iz asinhronega
serijskega vmesnika (ASI), je moduliran na nosilni signal na določeni frekvenci, tj. na
frekvenci kanala.
Na sliki 3.6 je primer vzbujalnika, ki je sestavljen iz naslednjih modulov: vhodni del,
matična plošča z mikro kontrolerjem, kodirnikom, predkorektorjem, sistemom fazno
zaključene zanke (PLL) in enosmerno enosmernim pretvornikom (DC/DC), RF vmesnik z
modulatorjem, sintetizatorjem in demodulatorjem, usmernik in ostali opcijski deli.
Slika 3.6: Blok diagram vzbujalnika R&S SX800
3.2.2 Ojačevalnik
Z uporabo vzporednih bočno razpršenih kovinsko oksidnih polprevodniških (LDMOS)
ojačevalnikov se RF signal, ki ga je generiral vzbujalnik, močnostno ojači. Ker je za
prenos signala na velike razdalje potrebna velika moč, je signal razdeljen na več
ojačevalnih poti. Ojačevalnemu procesu sledi seštevanje signala iz posamičnih
29
ojačevalnih poti s pravilnimi fazami, ko na izhodu dobimo signal visoke moči, kot je
prikazano na sliki 3.7.
Slika 3.7: Pot RF signal od delilnika signala preko polja šestih ojačevalnikov do združenega izhoda
3.2.3 Harmonski filter
Podobno kot kanalni filter je tudi harmonski filter (slika 3.8) namenjen preprečevanju
motenj drugih kanalov, le da tu ne gre za sosednje kanale, ampak kanale, ki so
večkratniki izbrane oddajne frekvence. Oddajani signal mora biti sestavljen izključno iz
koristnega osnovnega signala, brez višjih harmonskih komponent.
30
Slika 3.8: Smerni sklopnik in harmonski filter v oddajniku
3.2.4 Smerni sklopnik
Smerni sklopnik, ki ga vidimo na sliki 3.8 levo od harmonskega filtra, se uporablja za
ločitev dela izhodne moči (od 30 do 60 dB) za testne namene – meritve. To je potrebno za
zaščito merilnih in testnih instrumentov, ki bi jih velike moči poškodovale oziroma uničile.
3.2.5 Kanalni filter
Ena izmed osnovnih zahtev TV oddajnikov je, da mora izhodni signal biti moduliran samo
na enem (izbranem) kanalu. Ta kanal ne sme imeti vpliva oz. motiti sosednjih kanalov. Da
se zagotovi skladnost s to zahtevo, se uporabi kanalni filter, ki je pasovno prepustni filter
(slika 3.9) in se uporablja za dušenje signala zunaj ozkega pasu. Koristni signal pa bi naj
prepuščal s čim manjšim slabljenjem. Običajno se ti filtri uporabljajo kot komponente
združevalnikov za slabljenje stranskih kanalov, da se dosežejo dodatne ločitve bližnjih
oddajnikov, ki so povezani na isti antenski sistem. Obstajajo različne konstrukcijske
izvedbe kakor tudi izvedbe s kritično in nekritično masko. Karakteristiko odbojnega
slabljenja pasovno prepustnega filtra vidimo na sliki 3.10.
31
Slika 3.9: Pasovno prepustni filter
Slika 3.10: Meritev odbojnega slabljenja 8-pasovnega prepustnega filtra
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0
1
Pwr 0 dBm Ch1 Center 842 MHz Span 10 MHz
Trc1 S11 dB Mag 10 dB / Ref 0 dB Cal int
S11
Date: 22.DEC.2010 08:56:08
32
3.2.6 RF toge cevi
Za večje oddajniške moči so RF toge cevi v večini primerov izdelane iz kvalitetnega bakra
z majhnimi izgubami, da se zagotovi visoka prevodnost. Zunanji del je lahko izdelan tudi iz
aluminija. Cevi so povezane s posrebrenimi kontakti znotraj medeninastih spojk in
pritrjene s cevnimi objemkami. Notranji vodniki pa so povezani brez objemk in so spojeni s
pomočjo posrebrenih natičnih kontaktov. Standardne dimenzije so:
, 1
, 3
, 4
,
5”, 6
. Slika 3.11 prikazuje sestavne dele RF toge cevi, slika 3.12 pa karakteristiko
odbojnega slabljenja takšne cevi.
Slika 3.11: Primer RF toge cevi s prirobnico in kolenom
33
Slika 3.12: Meritev odbojnega slabljenja 3
toge cevi
3.2.7 Koaksialni kabli
Za prenos manjših moči, se namesto togih cevi uporabljajo RF kabli. Narejeni so v
različnih dimenzijah in z različnimi lastnostmi (fleksibilnost, dušenje) za različne primere
uporabe. V večini sta zunanji in notranji vodnik izdelana iz bakra, kot dielektrik pa je
uporabljena pena ali zrak (slika 3.13)
Slika 3.13: RF kabel
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
01
Pwr 0 dBm Ch1 Center 842 MHz Span 12 MHz
Trc1 S11 dB Mag 5 dB / Ref 0 dB Cal int
Δ
Δ
•Δ
Δ
R
1
2
3
4
842.00000
-4.200000
4.200000
3.805000
-3.805000
MHz
MHz
MHz
MHz
MHz
-35.229
0.353
-3.944
-3.169
-0.013
dB
dB
dB
dB
dB
S11
RΔ1
Δ2Δ3
Δ4
Date: 25.JAN.2011 10:26:12
34
Slika 3.14: Meritev odbojnega slabljenja
RF kabla
3.2.8 Združevalnik
Združevalnik se uporablja za združevanje signalov iz več oddajnikov v en oddajni antenski
sistem. Združevalniki (slika 3.15) za digitalna omrežja v večini primerov uporabljajo 3-, 4-,
6- in tudi 8-krožne filtre za zagotavljanje delovanja brez motenj sosednjih kanalov,
uglašene po kritični maski. Skladni morajo biti s standardi EN 300 744 (DVB-T) in EN 302
755 (DVB-T2), prav tako pa morajo omogočati hkratno delovanje analognih in digitalnih
oddajniških sistemov. Grajeni so glede na maksimalne izhodne moči in morajo omogočati
nastavitev moči na širokopasovnem vhodu.
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0 0
1
Pwr -10 dBm Ch1 Center 818 MHz Span 20 MHz
Trc1 S11 dB Mag 10 dB / Ref 0 dB Cal int
Δ
Δ
Δ
•Δ
R
1
2
3
4
818.00000
-4.200000
4.200000
-3.805000
3.805000
MHz
MHz
MHz
MHz
MHz
-36.945
0.781
-11.678
1.684
-15.505
dB
dB
dB
dB
dB
S11
Δ1R
Δ2
Δ3
Δ4
Date: 13.DEC.2010 11:36:25
35
Slika 3.15: Združevalnik
Slika 3.16: Meritev vnešenaga slabljenja za kanal 69 – širokopasovni vhod
in kanal 64 –ozkopasovni vhod
36
3.2.9 Oddajne antene
Smerni širokopasovni ultra visokofrekvenčni (UHF) paneli (slika 3.17) so namenjeni za
uporabo v vertikalno in horizontalno polariziranih oddajnih televizijskih sistemih. Lahko se
uporabijo za vsesmerne sisteme, za horizontalne neusmerjene sisteme ali za prilagojene
vzorce sevanja. Od števila vgrajenih panelov je odvisna maksimalna oddajna moč
sistema. Na sliki 3.18 je viden primer uporabe panelov v antenskem sistemu.
Slika 3.17: UHF panel
Slika 3.18: UHF antenski sistem dve nadstropji, tri smeri
37
4 MERILNI PARAMETRI
V standardu ETSI 101290 [6] so podane smernice za meritev DVB-T oddajnikov.
Predstavljeni so merilni parametri z opisom namena meritve:
Meritev natančnosti frekvence
Za uspešno obdelavo OFDM signalov je potrebno ohraniti določeno natančnost nosilne
frekvence v oddajniku, saj je ta zelo pomembna za delovanje SFN omrežja.
Meritev pasovne širine kanala
Z meritvijo širine kanala se lahko prepričamo, če je natančnost frekvence vzorčenja
ohranjena na strani modulatorja. Meritev je primerna za preverjanje točnosti frekvence
vzorčenja na strani modulatorja.
Meritev simbolne dolžine
Preverjanje zaščitnega intervala se lahko izvede s previdno oz. natančno meritvijo
frekvence. Ta meritev velja za primere, kjer obstaja negotovost, če modulator deluje
pravilno in proizvaja signal s pričakovanim ali določenim zaščitnim intervalom.
Fazni šum lokalnega oscilatorja
Fazni šum se lahko pojavi v oddajniku, frekvenčnem pretvorniku ali sprejemniku zaradi
naključnih motenj v fazi oscilatorjev. V OFDM sistemih lahko fazni šum povzroči skupno
fazno napako (CPE), ki vpliva na vse nosilce hkrati, in je lahko zmanjšan ali popravljen z
uporabo trajnih nosilcev.
38
RF signalna moč
Meritev signalne moči ali želene moči je priporočena za nastavitev in preverjanje
izhodnega nivoja signala iz oddajnika.
RF spekter
Da bi preprečili motnje drugih kanalov, mora oddajni spekter biti v skladu s spektralno
masko, ki je definirana za prizemna omrežja.
Ramensko slabljenje (Linearity characterization)
Ramensko slabljenje se lahko uporablja za ovrednotenje linearnosti OFDM signala brez
sklicevanja na spektralno masko.
Učinkovitost (izkoristek)
Uporablja se za primerjavo splošne učinkovitosti oddajnikov DVB.
Skladna motnja (Coherent interferer)
Z meritvijo se identificira skladno motnjo, ki lahko vpliva na zanesljivost I/Q analize ali
meritve BER.
BER proti razmerju C/N v odvisnosti od izhodne moči oddajnika
Ovrednoti se razmerje bitne napake (BER) oddajnika, ker se C/N spreminja s
ponavljajočimi meritvami v območju srednje vrednosti izhodne moči oddajnika. Meritev se
lahko uporablja za primerjanje rezultatov oddajnikov s teorijo ali za primerjavo z drugimi
oddajniki.
39
BER pred Viterbi dekoderjem
Ta meritev podaja kodirno uspešnost delovanja oddajnika, kanala in sprejemnika.
BER pred Red Salomon dekoderjem
BER je primarni parameter, ki podaja kvaliteto digitalne prenosne povezave (linka).
BER za Red Salomon dekoderjem
Meritev se opravlja z namenom, da pridobimo informacije o vzorcu, s katerim se pojavljajo
bitne napake.
Napaka modulacijskega razmerja (MER)
Meritev nam podaja rezultat analize K nosilcev in je eden od najpomembnejših merilnih
rezultatov (angl.:figure of merit) pri meritvah oddajnikov.
Zadušitev nosilca (Carrier Suppression)
Preostali nosilec je neželen signal, ki je dodan centralnemu nosilcu OFDM signala. Lahko
nastane z enosmerno izravnavo napetosti moduliranega I in Q signala ali s presluhom
moduliranega nosilca znotraj modulatorja.
Amplitudno neravnovesje
Namen meritve je ločiti QAM popačenja, ki izhajajo iz amplitudnega neravnovesja I in Q
signala od ostalih popačenj.
40
Kvadraturna napaka
Faza dveh nosilcev, ki dovajata I in Q signal v modulatorja mora biti pravokotna. Če njuna
fazna razlika ni 90 stopinj, se kot tipičen rezultat pojavi popačenje konstelacijskega
diagrama.
Trepetanje faze
Trepetanje faze oscilatorja povzročijo nihanja v fazi ali v frekvenci. Uporaba takšnega
oscilatorja za modulacijo digitalnih signalov se rezultira kot nezanesljivo vzorčenje v
sprejemniku, ker obnova nosilcev ne more slediti nihanju faze.
Splošna zakasnitev signala
Meritev in nastavitev zakasnitve signala v OFDM oddajnikih na določeno vrednost nam
omogoči sinhronizacijo oddajnikov znotraj SFN omrežja.
SFN sinhronizacija
Nujen predpogoj za SFN sinhronizacijo je, da je sinhronizacijski časovni žig (STS)
pravilno vstavljen v MIP. Ta test preveri, če so zaporedne STS vrednosti samodosledne.
Uspešnost sistemske napake
Uspešnost sistemske napake opisuje delovanje digitalnih prenosov od vhodnega MPEG-2
transportnega toka v osnovni sistem DVB do MPEG-2 transportnega toka kot izhoda iz
sistema DVB.
41
5 OPIS MERILNIH PARAMETROV
5.1 Ramensko slabljenje
Sistem DVB-T ne izkorišča celotne pasovne širine kanala, kar pomeni, da je nekaterim
podnosilcem vrednost postavljena na 0 z namenom, da ne povzroča motenj v sosednjem
kanalu. Vendar pa se zaradi nelinearnosti še vedno pojavljajo komponente zunaj kanala z
vplivom na spekter ter njegovo obliko in iz le-te izhaja izraz ramensko slabljenje.
Na sliki 5.1 je prikazana metoda za meritev ramenske razdalje. Zahteva zajem slike
spektra, kotomer in ravnilo. Navodilo: Zaznajte maksimalni nivo spektra. Narišite premico
med točko na spektru, ki je oddaljena 300 Hz od prvega (zadnjega) nosilca v DVB-T
spektru, in točko, ki je oddaljena 700 Hz od prvega (zadnjega) nosilca. Narišite
vzporednico tej premici tako, da poteka skozi maksimum DVB-T spektra med označenima
točkama pri 300 Hz in 700 Hz.
Slika 5.1: Meritev ramenske razdalje
42
Izmerite razdaljo med maksimalnim nivojem spektra in narisano vzporednico pri
oddaljenosti točke 500 Hz od prvega (zadnjega) nosilca. Izmerjena vrednost predstavlja
ramensko razdaljo.
Na ta način meri vrednosti instrument R&S ETL v TV analizator načinu (metoda
“tangenta”).
Za dodatno znižanje ramen se lahko uporabi izhodni filter s kritično ali nekritično masko.
Na sliki 5.2 je na karakteristiki prikazana razlika med obema tipoma filtrov, v tabeli 5.1 pa
so prikazane mejne vrednosti za oba primera.
Slika 5.2: Kritična maska (spodnja krivulja) in nekritična maska (zgornja krivulja) izhodnega signala, frekvenca glede na središče 8 MHz DVB-T kanala
Power level measured in a 4 kHz bandwidth, where 0 dB corresponds
to the total output power
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
[dB]
43
Tabela 5.1: Mejne vrednosti DVB-T kanala za kritično in nekritično masko
nekritični primer kritični primer
frekvenca (MHz) relativni nivo
(dB)
relativni nivo
(dB)
-12.0 -110.0 -120.0
-6.0 -85.0 -95.0
-4.2 -73.0 -83.0
-3.9 -32.8 -32.8
+3.9 -32.8 -32.8
+4.2 -73.0 -83.0
+6.0 -85.0 -95.0
+12.0 -110.0 -120.0
5.2 Konstelacija
Konstelacijski diagram je grafični prikaz fazne in kvadraturne komponente kvadraturno-
amplitudne modulacije (QAM) signala v X in Y osi. V primeru modulacije z več nosilci
konstalacijski diagram običajno predstavlja vsoto signalnih stanj vseh nosilcev. Signal, ki
je moten ali vsebuje šum, bo prikazan z efektom, podobnim oblaku. Čim manjše so
rezultirajoče konstelacijske točke, boljša je kakovost signala. Če izvajamo meritve direktno
na izhodu oddajnika, morajo biti vidne samo majhne konstelacijske točke.
S konstelacijsko analizo se lahko zaznajo naslednje merilne vrednosti:
- razmerje signal/šum
- fazno trepetanje – nihanje
- I/Q amplitudno neravnovesje
- I/Q fazna napaka
- napaka modulacijskega razmerja – MER
Beli šum
Vpliv dodatnega belega Gaussovega šuma (AWGN) se kaže v oblakasti obliki
konstelacijskih točk. Večja je točka, večji je efekt šuma. Parameter signal/šum (S/N) se
lahko določi z analizo distribucijske krivulje. Efektivna vrednost komponente šuma ustreza
44
standardni deviaciji. Vpliv šuma je viden na vsakem podnosilcu DVB-T. Na sliki 5.3 je
konstelacijski diagram, kjer je viden vpliv šuma.
Slika 5.3: Vpliv belega šuma [3]
Fazno trepetanje se kaže v progastem popačenju na konstelacijskem diagramu.
Povzroča ga oscilator v modulatorju in ima vpliv na vsak nosilec DVB-T. Na sliki 5.4 je
prikazan konstelacijski diagram, kjer je viden vpliv trepetanja faze.
45
Slika 5.4: Fazno trepetanje/nihanje (Phase jitter) [3]
I/Q napake modulatroja
Signalne veje Re(t) in Im(t) modulatorja s slike 2.2 morajo nakazovati pravo razmerje
nivojev eden glede na drugega. Prav tako mora biti pravilno nastavljen fazni zamik za 90
stopinj in ne sme biti nobenega prekrivanja Re(t) in Im(t) signalov z enosmerno
komponento. Če ti pogoji niso pravilno izpolnjeni, pride do I/Q napak. Primer takšnih
napak vidimo na sliki 5.5, kjer je prikazan konstelacijski diagram z I/Q amplitudnim
neravnovesjem v I/Q mešalniku modulatorja. Vzorec je pravokotno popačen oz. stisnjen v
eni smeri (horizontalni ali vertikalni).
46
Slika 5.5: I/Q napake modulatorja [3]
I/Q fazna napaka povzroči romboidno obliko konstelacijskega diagrama, kot ga vidimo na
sliki 5.6. Ta učinek lahko preverimo le na centralnem (sredinskem) nosilcu, kjer tudi vsi
ostali nosilci prikazujejo šumu podobne motnje zaradi tega efekta.
Slika 5.6: I/Q fazna napaka [3]
47
Preostali nosilec, prisoten v I/Q mešalniku, premakne konstelacijski diagram iz centra v
eno smer. Sam vzorec ostane nepoškodovan, je pa učinek mogoče opazovati le na
centralnem nosilcu in vpliva samo na ta nosilec ali njegovo bližino. Pomanjkanje dušenja
za nosilec je opazno kot padec MER v srednjem pasu DVB-T spektra. Do pa tega pride
zaradi enosmerne komponente v Re(t) in Im(t) za IFFT v modulatorju. Poglavje 5.2 je
povzeto po [3].
Slika 5.7: Efekt preostalega nosilca [3]
5.3 Meritev nivoja
Vrednost nivoja signala prikazuje povprečno moč digitalno moduliranega signala na vhod
merilnega instrumenta. Potrebno je upoštevati, da prikazana moč odraža le zmanjšano
moč na smernem sklopniku. Merilna negotovost je <1,0 dB. Za bolj natančne meritve
moči se priporoča uporaba natančnejšega instrumenta, in sicer toplotnega senzorja, ki ga
prikazuje slika 5.8.
48
Slika 5.8: NRP-Z51, toplotni senzor – merilnik moči
5.4 Razmerje napake bitov
V DVB-T poznamo tri razmerja za napake bitov BER zaradi notranje in zunanje zaščite
pred napakami:
- BER pred Viterbi
- BER pred Red Salomon
- BER za Red Salomon
Najpomembnejši med temi je BER pred Viterbi, saj zagotavlja največ informacij. Lahko je
določen z uporabo po Viterbi podatkovnega toka v drugem konvolucijskem koderju z
enako konfiguracijo kot na koncu oddajnika. Če je podatkovni tok pred Viterbi primerjan s
tem za konvolucijskim koderjem (z upoštevanjem zakasnitve konvolucijskega koderja) in
sta enaka, potem ni napak. Razlike, in s tem bitne napake, se potem določi s
primerjalnikom za I in Q vejo. Štetje bitnih napak je povezano s številom bitov, prenesenih
znotraj določenega obdobja, in tako zagotovi BER= bitne napake/preneseni biti.
49
Slika 5.9: Shema za določanje BER pred Viterbi
5.5 Razmerje modulacijske napake
MER je meritev vsote vseh motenj, ki se pojavijo na prenosni liniji. Podaja se v dB,
podobno kot razmerje signal/šum (S/N), in če je prisoten le Gaussov šum, sta MER ter
S/N enaka.
Ob meritvah MER se predpostavlja, da so dejanski zadetki v področju konstelacije
potisnjeni iz središča zaradi motilcev. Motilci so razporejeni vektorji napake, ki kažejo od
sredine konstelacijskega polja v točko dejanskega zadetka. Dolžine teh vektorjev so
merjene glede na čas in oblikovana je efektivna vrednost ali pa je merjena maksimalna
vrednost v časovnem oknu.
50
Slika 5.10: Vektor napake za določanje MER [3]
Za kvantitativno oceno konstelacijskih točk v konstelacijskem diagramu glede na njihovo
odstopanje od teoretične lokacije se lahko uporabita razmerje modulacijske napake in
napaka vektorske velikosti (EVM). Lahko izberemo MER ali EVM kot merilni parameter.
Večja, kot je vrednost teh dveh parametrov, večja je kakovost signala.
12
0RMS(dB)
1| vektor_napake|
MER = 20 log
N
n
RMS
NdB
U
(5.1)
12
0RMS(dB)
1| vektor_napake|
EVM = 20 log
N
n
MAX
NdB
U
(5.2)
51
MAX
max |vektor napake|MER = 100%
RMSU
(5.3)
Kot referenca za URMS nam v zgornjih enačbah služi vrednost QAM signala. Najpogosteje
pa je za podajanje MER uporabljeno logaritmično merilo:
dB
%MER = 20 log
100
MER
(5.4)
Vrednost MER je torej združena količina, ki vsebuje vse morebitne posamezne napake.
Predstavitev MER v odvisnosti od števila podnosilcev [MER (f)] je v DVB-T še posebej
pomembna, ker omogoča celotno opazovanje v kanalu. Z lahkoto se opazijo območja z
motenimi nosilci. Pogosto se v povezavi z DVB-T meritvami poda le ena vrednost MER,
vendar ta vrednost ne vsebuje veliko praktičnih informacij. [3]
5.6 Faktor oblike
Zaradi pravilnega dimenzioniranja pasivnih komponent oddajniškega sistema glede na
moč je pomembna meritev faktorja oblike (CF). Faktor oblike je razmerje med maksimalno
izhodno napetostjo in efektivno napetostjo:
20 logMAX
RMS
UCF
U (5.5)
V izjemnih primerih so lahko trenutne maksimalne vrednosti izhodne napetosti tudi do 20
dB nad vrednostjo efektivne napetosti in ob takih napetostih lahko hitro pride do poškodb
močnostnih delov sistema. Te vrednosti so bile v analognem načinu oddajanja precej
nižje.
Obstajata dve merilni metodi za CF. Glede na različen pristop so tudi rezultati različni.
Merjenje visokih vrednosti CF je lahko zelo problematično. Statistično se pojavlja efekt
znotraj omejenega dinamičnega območja in vrhovi lahko nastopijo le enkrat na teden ali
enkrat na mesec, mogoče celo enkrat na leto.
52
Za sinusni signal je CF vrednost povečana za oz. 3.01 dB. Za prenos informacij v
brezžičnih telekomunikacijskih sistemih je sinusni signal oz. nosilec moduliran s signalom
osnovnega pasu, ki vsebuje želene podatke. Če modulacija povzroči spremembo
amplitude nosilca, se poveča tudi CF. Razlika v odvisnosti od časa tega nosilca amplitude
je znana pod imenom ovojnica moduliranih signalov.
Prva možnost določanja CF temelji na najvišjem amplitudnem vrhu, ki se pojavi v
moduliranem signalu in efektivni vrednosti signala. Poimenovanje tega načina je “pristop
nosilec“, saj poleg ovojnice upošteva tudi RF nosilec. To je pomembno pri
dimenzioniranju oddajniških komponent, saj se kritične maksimalne (temenske) vrednosti
pojavljajo, ko gre za določanje dielektrične moči.
Druga možnost za določanje CF vključuje razmerje najvišje vrednosti modulirane ovojnice
in njene efektivne vrednosti. Poimenovanje tega načina je “pristop ovojnica“. Analogna
obravnava je tudi za osnovni pas signala. Faktor oblike, ki je določen na ta način, nam
poda rezultat, ki je za 3,01 dB nižji od rezultata, dobljenega po načinu “pristop nosilec“. Ta
pristop je pomemben, ko razmišljamo o delovanju ojačevalnika v RF območju ali pa D/A
pretvornika v osnovnem pasu.
Enakovredno razmerju maksimalne/temenske in efektivne napetosti lahko CF izražamo
tudi z razmerjem moči. To je razmerje maksimalne moči PPEP in povprečne moči PAVG.
Ob podajanju vrednosti CF moramo vedno povedati, kateri pristop smo uporabili (nosilec
ali ovojnica), da lahko določimo ekvivalentno vrednost.
5.7 Meritve na kanalu – merjenje amplitude, faze in časovnega
zamika
V analognem načinu oddajanja je bila meritev na kanalu zelo pomembna. V DVB-T pa je
zaradi kanalne korekcije v sprejemnikih postala manj pomembna, saj so tolerance večje in
zato ne pride do opaznega zmanjšanja kvalitete. Kljub temu pa moramo biti pozorni na
obliko merjenega signala. Na sliki 5.11 je meritev amplitude in skupinske zakasnitve, na
sliki 5.12 pa amplitude in faznega zamika.
53
Slika 5.11: Amplituda in skupinska zakasnitev (problem s preostalimi nosilci) [10]
Slika 5.12: Meritev amplitude in faze (problem s preostalimi nosilci) [10]
54
6 MERITVE IN REZULTATI
Merilno okolje vzpostavimo z dvema ali tremi instrumenti. V primeru, da imamo zunanji vir
referenčne frekvence, sta dovolj le dva instrumenta, da kvalitetno opravimo vse
pomembne meritve oddajniškega sistema. Tako je minimalna konfiguracija sestavljena iz
TV analizatorja R&S ETL in termalnega merilca moči R&S NRP-Z51. Blokovna shema
instrumenta ETL je prikazana na sliki 6.2.
Slika 6.1: Merilno okolje
Za opravljanje meritev na TV oddajnikih lahko obstajajo specifične nacionalne direktive
kakor tudi specifične zahteve upravljalcev omrežja, lahko pa se meritve opravijo po
priporočenih specifikacijah, ki so pogosto uporabljene za ugotavljanje skladnosti na sami
lokaciji ali pri proizvajalcu opreme.
55
Slika 6.2: Blokovna shema merilnega instrumenta R&S ETL
Meritve oddajnika se lahko opravljajo, če je v oddajnem sistemu na voljo merilno mesto
(smerni sklopnik) in sicer med oddajanjem. Prav tako pa lahko opravimo meritve med tem,
ko oddajnik ne oddaja v zrak oz. izhodni signal ni speljan na oddajno anteno, temveč na
umetno anteno – breme. V tem primeru je po potrebi omogočena tudi prekinitev
oddajanja, kar pa ni zaželjeno, če se meritve izvajajo med tem, ko je signal speljan na
oddajno anteno.
Meritve so se opravljale z merilnim instrumentom R&S ETL katerega blokovno shemo
vidimo na sliki 6.2. S tem instrumentom lahko opravimo vse meritve, ki so opisane v
nadaljevanju. Omogoča nam opravljanje kvalitetnih meritev saj ima dovolj velik dinamični
razpon in občutljivost. Tehnični podatki so dosegljivi na povezavi http://cdn.rohde-
schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/
ETL_dat-sw_en_5213-7748-22_V1600.pdf
Uporabljen je bil tudi R&S NRP-Z51 katerega tehnični podatki so dosegljivi na povezavi
http://cdn.rohde-
schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/
NRP-Family_dat-sw_en_5213-5539-22_v1000.pdf
56
6.1 Ramensko slabljenje
Meritev se izvaja po določilih ETSI TR 101 290 [6], in sicer na merilni točki med
ojačevalno stopnjo in izhodnim filtrom. S pomočjo merilnega instrumenta R&S ETL se
lahko ramensko slabljenje izmeri s kazalčnimi meritvami (markerji) v načinu spektralni
analizator ali z uporabo metode “tangenta” v TV analizator načinu (slika 6.3).
Slika 6.3: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po metodi tangenta
Za meritev v načinu spektralni analizator postavimo kazalce na +- 4,2 MHz od centralne
frekvence in odčitamo rezultate (slika 6.4).
Nesimetrična ramena in vpliv na sosednji kanal sta pokazatelja za slabo kvaliteto signala,
vendar pa v primeru, da imamo signal na sosednjem kanalu, moramo upoštevati, da
sosednji kanal lahko vpliva tudi na našo meritev.
57
Izboljšanje merilnega rezultata: če ne dosegamo zahtevane vrednosti, lahko rezultat
poskusimo popraviti z linearno predkorekcijo (opis v poglavju 7), kljub temu da
ojačevalniki v oddajnikih delujejo v precej linearnem AB razredu. Vpliv na merilni rezultat
ima tudi izhodna moč oz. lahko na meritev ramenskega slabljenja vplivamo s
spreminjanjem enosmerne napajalne napetosti ojačevalnih stopenj.
.
Slika 6.4: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po kazalčni metodi
Za meritve ramenskega slabljenja se uporabljata obe metodi, vendar pa zaradi različnih
definicij prihaja do odstopanj v merilnih rezultatih, kar je razvidno s slike 6.5.
58
Slika 6.5: Ramensko slabljenje z rezultati metode tangenta in kazalčne metode
6.2 Konstelacija
S pomočjo konstelacijskega diagrama znotraj modulacijske analize dobimo prikaz stanja
signalov, ki se zgodi v kvadraturni modulaciji v diskretnih časovnih intervalih. Po
priporočilih mora biti pri meritvah dokumentiran tudi konstelacijski diagram. Meritev se
izvaja na FULL SPAN in v srednjem območju (3408 za 8K način). Iz nepravilnega
diagrama s posebnostmi v srednjem pasu je razvidna nepravilna I/Q prilagoditev.
Na sliki 6.6 vidimo konstelacijski diagram 64-QAM modulacije. Na I osi zunaj konstelacije
na levi in desni strani so lepo vidni razpršeni in trajni piloti. Razpršeni piloti se uporabijo za
oceno kanala ter korekcijo in s tem predstavljajo kontrolno točko v diagramu konstelacije,
ki je vedno poravnan na isto mesto.
59
Slika 6.6: Konstelacijski diagram (EFA merilni instrument) [3]
Prav tako so vidni TPS nosilci znotraj konstelacije na I osi. TPS nosilci služijo kot hitra
informacija o kanalu od oddajnika do sprejemnika.
Slika 6.7: TPS informacije v meniju Overview na R&S ETL
Pri meritvi konstelacije mora biti območje nosilcev na izbiro. V interesu je prikazovanje
vseh diagramov, eden nad drugim, za nosilce od 0 do 6817 (za 8K). Območje nosilcev
izbiramo s start/stop številom nosilcev ali pa s center/span številom nosilcev. Ob
podatkovnih nosilcih se lahko upoštevajo tudi pilotni nosilci in TPS nosilci, vendar se na
njih ne bo izvajala matematična konstelacija.
60
Slika 6.8: Konstelacijski diagram (ETL merilni instrument)
6.3 Meritev nivoja
»Pri definiciji izhodnega nivoja oddajnika je velika razlika med analognim in digitalnim
oddajnikom. V DVB-T imamo brezšumni signal, v nasprotju z AM moduliranim analognim
signalom, kjer se uporablja impulzna maksimalna moč kot definicija moči. Pri digitalnem
oddajanju se uporablja povprečna izmerjena moč. Pri digitalni televiziji je povprečna moč
konstantna in ni odvisna od prisotnosti vsebine kot pri analogni televiziji. Na izhod iz
oddajnika je lahko priključen pasovni filter, in sicer s kritično ali nekritično masko. Sam
filter ima dušenje med 0,1 dB in 0,8 dB, odvisno od tehnologije izdelave, zato se izhodna
moč meri pred filtrom in prav tako za filtrom.
Za te meritve se uporabi termalni senzor, saj le-ta zagotavlja največjo natančnost meritve.
Alternativno lahko uporabimo tudi R&S ETL TV analyzer v načinu TV Analyzer /
Receiver.« [11]
61
Enak senzor se uporabi tudi za meritev odbite moči, ki se meri na istih merilnih sklopnikih.
Slika 6.9: Odčitek izhodne moči, merjen z NRP-Z51
Slika 6.10: Izhodni nivo, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu
6.4 Razmerje napake bitov
Merimo tri razmerja za napake bitov:
- BER pred Viterbi
- BER pred Red Salomon
- BER za Red Salomon
Za vse meritve je merilni postopek enak oz. dobimo vse tri rezultate hkrati prikazane na
R&S ETL (slika 6.11)
62
Slika 6.11: BER, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu
BER pred Viterbi je v območju 10-9 za izhod iz oddajnika in 10-2 za vhod sprejemnika v
slabih sprejemnih pogojih. Viterbi dekoder je sposoben popraviti le nekaj bitnih napak,
preostale pa prepusti BER pred Red Salomon. Štetje popravkov Red Salomon dekoderja
in primerjava le-teh s prenesenimi biti nam poda BER pred Red Salomon. Tudi Red
Salomon dekoder ne more popraviti vseh bitnih napak, in to ima za posledico pakete
transportnega toka z napakami. Ti so označeni (angl.:flagged) v glavi transportnega niza z
indikatorjem napake transporta, ko je bit=1. Štetje paketov transportnega niza z napako
omogoča izračun BER za Red Salomon.
BER je zelo pomemben merilni rezultat. To še posebej velja za izvajanje meritev na
sprejemni strani kakor tudi za zgodnje ugotavljanje nepravilnosti v delovanju oddajnika.
6.5 Razmerje modulacijske napake
MER je ključni parameter za kakovost signalov digitalne televizije. Na vhodu v DTV
sprejemnik MER »določa«, ali bo sprejeti signal lahko dekodiran v uporabno sliko ali ne.
Vrednost MER na izhodu iz oddajnika pa je seveda povezana z vrednostjo MER na
sprejemni strani. Pojavlja se vprašanje, kako visoka naj bo vrednost MER na oddajniški
strani, da bo imel pozitiven vpliv na pokritost oz. sprejem.
63
Slika 6.12: MER
Slika 6.13: MER (potrebna korekcija)
64
Frekvenčno odvisna krivulja za MER se izračuna iz parametrov in se prikazuje na
merilnem instrumentu brez nosilcev (TPS, trajni in razpršeni), ki so avtomatsko
odstranjeni. Običajno krivulja za MER ne sme imeti nobenih vrhov. Vrh v območju
centralnega nosilca nam nakazuje težave s preostankom nosilcev, kot je to vidno na sliki
6.14. Pomanjkanje dušenja za nosilec je opazno kot padec MER. S fino nastavitvijo
nagiba za I in Q na enostaven način zmanjšamo in zožimo vrh v območju centralnega
nosilca, za lažje opazovanje pa si nastavimo območje opazovanja na 200 nosilcev.
Slika 6.14: MER s Span = 200
»Odvisno od koncepta omrežja in predvidenih situacij sprejema se lahko opredelijo
minimalne zahteve za MER na sprejemni strani. Ob predpostavki Gaussovega
prenosnega kanala so sledeče zahteve globalno sprejete kot veljavna podlaga za
načrtovanje omrežij:
65
- DTV omrežja za stacionarni sprejem z zunanjo anteno (npr. DVB-T s 64-QAM in
kodirnim razmerjem 2/3), z visokim pretokom podatkov ter nizko robustnostjo
signala: sprejemni MER pribl. > 18 dB;
- DTV omrežja za stacionarni sprejem z notranjo anteno (npr. DVB-T s 16-QAM in
kodirnim razmerjem 2/3), s povprečnim pretokom podatkov ter srednjo
robustnostjo signala: sprejemni MER pribl. > 12 dB.
Če opisane približne minimalne vrednosti niso dosežene, nastopi prelom t. i. cliff oz.
brickwall efekt. V takih primerih nenadoma sprejem TV signala ni več mogoč.
Slika 6.15: Cliff (brickwall) efekt
Pokritost je opredeljena s padcem prenosnega signala na raven šuma. S tem je določena
RF pokritost. Znižanje MER vpliva na COFDM signal in zato se pokritost konča tam, kjer
je dosežena minimalna vrednost MER za sprejemnik. Ker je RF pokritost prevladujoča
fizikalna lastnost, povečevanje MER na oddajniku omogoča povečanje COFDM pokritosti,
vendar pa le do RF pokritosti. Če se MER na oddajniku zviša nad minimalno zahtevano
vrednost za sprejemni MER, ima nadaljnje večanje vedno manjši vpliv. Vpliv MER se
približuje mejni vrednosti, saj od določenega nivoja naprej MER na oddajniški strani le
malo vpliva na »sprejemni MER«.
66
Če je na izhodu iz oddajnika vrednost MER 16 dB nad mejno točko preloma, ima to vpliv
na sprejemni MER, ki je za 0,1 dB manjši, kot pa, če je MER 26 dB nad točko preloma
(slika 6.16). Glede na RF pokritost ta vpliv ustreza približno 97,5 % oddajne moči. Če pa
je signal iz oddajnika 20 dB nad vrednostjo preloma, je vpliv na sprejemni MER -0,04 dB.
To ustreza približno 99 % oddajne moči. Z drugimi besedami pomeni izboljšanje MER za
6 dB na oddajni strani le 0,06 dB izboljšanja sprejemnih pogojev. Preračunano je razlike
nivoja na sprejemni strani le 1,5 %.
Slika 6.16: Vpliv MER na pokritost
Za DVB-T signal, 64-QAM in s kodirnim razmerjem 2/3, z veliko kapaciteto in majhno
robustnostjo mora biti MER na sprejemni strani vsaj 18 dB. Za dva proučena scenarija
ima to za posledico zahtevan MER na oddajniku 34 dB in 38 dB. Slika 6.17 nam prikazuje
poenostavljeno razlago korelacije: MER na oddajniku 34 dB in 38 dB je za COFDM
pokritost zelo blizu teoretično dosegljivi vrednosti 100 %. S povečanjem MER iz 34 dB na
38 dB dosežemo le približno 1,5 % razlike v pokritosti.
67
Slika 6.17: Razlika v pokritosti za različne MER
Obstajajo pa tudi primeri, v katerih je velik MER na izhodu iz oddajnika pomemben za
večjo pokritost. To velja, kadar se uporabljajo pooddajniki v verigi, kot je prikazano na sliki
6.18. Na vsakem izmed teh je MER degradiran za nekaj dB. Zadnja postaja v taki
oddajniški verigi lahko ima že občutno manjši MER od 34 dB, zato je v takem primeru
koristno, če je MER na glavnem oddajniku dovolj velik.« [9]
Slika 6.18: Zmanjšanje MER v primeru uporabe pooddajnika
68
6.6 Faktor oblike
»Na periodičnih signalih je možno faktor oblike (CF) določiti z merjenjem maksimalne in
efektivne (ali povprečne) vrednosti napetosti ali pa z merjenjem moči z uporabo
toplotnega senzorja ali osciloskopa. To pa ne velja za merjenje signalov, kot je npr.
moduliran OFDM signal. Medtem ko je lahko povprečna vrednost natančno določena le v
nekaj sekundah z uporabo toplotnega senzorja za merjenje moči, pa je magnituda
maksimalne moči zelo odvisna od trajanja meritve.
Dopolnilna kumulativna porazdelitvena funkcija (CCDF) je statistična verjetnost pojavljanja
vrhov signala, ki so večji za faktor »K« (v dB) od povprečne vrednosti (slika 6.19). Tudi v
tem primeru je pomembno razlikovanje med pristopom: nosilec ali ovojnica.
V praksi je visoke vrednosti CF, ki so višje od 12 dB za pristop ovojnica in 15 dB za
pristop nosilec, navidezno nemogoče izmeriti kljub zelo sofistični merilni opremi.
Verjetnost nivojev merilnega signala, ki so za 1 dB višji, je nižja za faktor 60, ko se
uporabi pristop ovojnica. Z drugimi besedami moramo čas merjenja pomnožiti s 60, da
posnamemo vrhove signala, ki so 13 dB nad povprečno ali RMS vrednostjo. Da
posnamemo vrednosti pri 14 dB, moramo pomnožiti čas merjenja z 10.000, pri 15 dB pa s
sedem milijoni. Glede na čas trajanja vrha signala približno 110 ns za DVB-T signal pri 8
MHz leži vrednost amplitude 12 dB nad povprečno vrednostjo in se v povprečju pojavi na
vsako sekundo ob pristopu ovojnica. Pri 15 dB ti vrhovi nastopijo enkrat na vsakih 60 dni.
Z drugimi besedami vrh signala, ki je 12 dB nad povprečno ali RMS vrednostjo, nastopi
vsakih 7,6 milijonov vzorcev med signalno analizo.« [12]
69
Slika 6.19: CCDF meritev
Če se ne zavedamo zahtev glede verjetnosti, zlahka dobimo občutek, da so merilne
vrednosti realistične, saj so stabilne kljub povečanju merilnega intervala za 2 ali celo 10.
Merjena vrednost je potem sprejeta kot CF (čeprav napačno pod določenimi pogoji). Prav
tako je pomembno zagotoviti, da ima merilni instrument zadostno dinamično območje in
da ni pretvornika ali IF ojačevalnika, ki bi omejeval CF.
70
Slika 6.20: Meritev CCDF za beli šum in DVB-T signal (pristop ovojnica), merjeno z instrumentom R&S FSU
6.7 Merjenje amplitude, faze in časovnega zamika
Z meritvami na kanalu pridobimo informacije o linearnem popačenju v prenosnem kanalu
na podlagi amplitude in faznega zamika (slika 6.21). Merimo lahko amplitudo
frekvenčnega odziva s fazo frekvenčnega odziva ali pa amplitudo frekvenčnega odziva s
skupinsko zakasnitvijo (slika 6.22).
Meritev izvajamo za kanalnim filtrom in združevalnikom, ki povzročata linearna popačenja
izhodnega signala. Ta popačenja lahko kompenziramo z izenačevalnikom, ki je vgrajen v
oddajnik (predkorektor v vzbujalniku), opisan v poglavju 7.
71
Slika 6.21: Meritev amplitude in faze
Slika 6.22: Meritev amplitude in časovnega zamika
72
7 PREDKOREKCIJA
Močnostni ojačevalniki zaradi njihove nelinearne karakteristike proizvajajo motnje znotraj
in zunaj kanala. Ta nelinearna popačenja so praktično konstantna skozi celo življenjsko
dobo polprevodniških oddajnikov, za razliko od starejših cevnih modelov.
Kanalni filter za ojačevalnikom odpravlja motnje zunaj kanala. Strmi robovi oz. strma
karakteristika proizvaja nelinearna popačenja (amplituda, frekvenčni odziv, skupinska
zakasnitev) v prepustnem pasu in na robovih kanala. Te napake se lahko spreminjajo kot
posledica spremembe karakteristike filtra zaradi vpliva okolice. V teh primerih je potrebna
adaptivna nastavitev linearnega predkorektorja, da se lahko zagotovi zadostna kakovost
signala iz oddajnika.
73
Slika 7.1: Grafični vmesnik linearnega predkorektorja v R&S SX800
Linearna popačenja, ki niso zaznana z avtomatično nadzorno funkcijo, se lahko pojavijo v
RF antenskih dovodnih kablih in drugih vstavljenih komponentah, npr. v kanalnih
združevalnikih.
Na sliki 7.2 je prikazan blokovni diagram predkorektorja, ki med drugim omogoča tudi
avtomatsko predkorekcijo. Digitalni osnovni pas (digital baseband) signala najprej prehaja
skozi linearni frekvenčno odzivni predkorektor. Ta popravi vsa linearna popačenja, ki
nastanejo v in za kanalnim filtrom s pomočjo učinkovitega digitalnega končnega impulzno
odzivnega (FIR) filtra. Sledi nelinearni predkorektor, ki popravlja trenutno amplitudo in
popačenje faze, ki se pojavlja v izhodnih močnostnih ojačevalnikih.
74
Slika 7.2: Blok diagram modula za predkorekcijo v vzbujalniku
Signal, vrnjen iz merilnih točk, je na voljo na vhodu predkorektorja preko izbirnega stikala,
kjer je ta signal demoduliran, digitaliziran in posnet skupaj z nepopačenim osnovnim
signalom. Digitalni signalni procesor (DSP) izračunava popačenje iz signalnih krivulj,
izračuna karakteristiko in jo nastavi. Omogočena je zamenjava karakteristike iz spomina
brez izklopa signala ali predkorekcije.
Poleg adaptivnega načina predkorekcije je možen tudi ročni vnos. Nastavitve in
upravljanje se izvaja preko grafičnega vmesnika.
75
Slika 7.3: Grafični vmesnik linearnega prekorektorja v R&S SX800
V ročnem načinu se karakteristika vnese oz. ustvari postopoma in sicer se v polju med
začetno in končno točko postavijo vmesne točke. Skozi te točke potem poteka krivulja, ki
se jo pošlje v predkorektor. V adaptivnem načinu se kvaliteta signala nenehno spremlja na
izhodu in se takoj avtomatsko izvajajo popravki. Odstopanja in meje se prav tako nastavijo
preko uporabniškega vmesnika in, če so presežene, se karakteristika popravi brez
prekinitve oddajanja.
76
Slika 7.4: Grafični vmesnik za frekvenčno korekcijo v R&S SX800
77
8 ENERGETSKI IZKORISTEK ODDAJNIKOV DVB
Izkoristek oddajnikov je definiran kot razmerje povprečne oddane RF moči in sprejete
električne moči. Pri samih meritvah oddajnikov nismo merili sprejete električne moči in na
ta način računali izkoristka, ampak smo se na podlagi izkušenj ter dobre prakse posvetili
nastavitvam ojačevalnikov, in sicer na način, da smo pri minimalni možni napajalni
napetosti poskušali doseči zahtevane merilne rezultate. Pri tem postopku je pomembno
spremljati MER in ramensko slabljenje ter s pomočjo predkorektorja doseči zahtevane
rezultate.
Za operaterje in upravljalce oddajniških omrežij je vse bolj pomemben podatek o stroških
porabljene energije oddajnikov. Pomembno je, da se doseže optimalno razmerje (slika
8.1) med stroški, MER in učinkovitostjo.
Slika 8.1: Cilj – optimalno razmerje med MER, stroški in učinkovitostjo
Nekateri proizvajalci so se tem zahtevam prilagodili z novimi generacijami oddajnikov. V
teh uporabljajo različne tehnologije, s pomočjo katerih se lahko ob nastavitvah
izenačevalnika doseže optimalni nivo energijske učinkovitosti za opredeljene MER
vrednosti oddajnika. Vrednosti MER lahko dosegajo 38 dB in več, vendar pa so vrednosti
78
energetske učinkovitosti lahko tudi do 38 % večje (v standardu COFDM), če je MER
nastavljen na 33 dB (podatek velja za UHF področje).
Večji MER na izhodu iz oddajnika pomeni tudi, da moramo imeti tudi večje ramensko
slabljenje. Običajno to lahko dosežemo z uporabo visoke napajalne napetosti
ojačevalnika, kar povečuje maksimalni dovoljeni nepopačeni nivo (angl.:headroom),
poveča porabo energije in s tem zmanjša energetsko učinkovitost. Povečanje headroom-a
pomeni dvig kvalitete signala, obenem pa povečanje neuporabljene energije.
Za zmanjšanje porabe energije se zdi smiselno znižati headroom v največjem možnem
obsegu, vendar pa ob tem ne sme biti kompromisov pri zahtevah glede kakovosti signala.
Presežki od zahtev kakovosti signala avtomatično vodijo v zmanjšanje učinkovitosti. Nižji
je MER na izhodu iz oddajnika, boljša je možnost, da se z nižanjem headroom-a doseže
povečanje učinkovitosti oddajnika. To pomeni, da ne glede na pokritost s signalom obstaja
direktna povezava med nivojem MER in porabo energije oddajnika, posledično torej tudi
med MER in stroški obratovanja omrežja.
Slika 8.2: Doseganje višje učinkovitosti z nižanjem napetosti
8.1 Tehnologije za povečanje učinkovitosti delovanja oddajnikov
Ojačevalna tehnologija Doherty ni novost, saj jo je razvil Wiliam H. Doherty v Bell Labs
že leta 1936. Takrat so bile modulacije preprostejše, večinoma amplitudne modulacije
(AM). V zadnjem času pa se je opravil prehod iz analogne frekvenčne modulacije (FM) v
kompleksne enonosilne ali večnosilne digitalne modulacije. S tem prehodom je tehnologija
Doherty dobila novo uporabnost v želji operaterjev in upravljalcev omrežij po znižanju
79
porabe električne energije in stroškov.[8] Tehnologije se prej ni dalo tako koristno
uporabiti zaradi velike pasovne širine (npr.: IV/V od 470 MHz do 862 MHz) in pasovne
širine posameznega kanala (od 6 MHz do >20 MHz).
Ojačevalnik Doherty je sestavljen iz dveh ojačevalnikov. Prvi, glavni (v nadaljevanju:
Main) ojačevalnik, deluje v AB razredu in ojačuje srednje moči signala z majhnim
popačenjem. Delovna točka je nastavljena tako, da takrat, ko ojačevalnik doseže
nastavljeno moč, gre v nasičenje in se poraba ne poveča. Drugi, vrhovni (v nadaljevanju:
Peak) ojačevalnik, ki je namenjen za ojačevanje vrhov signala, pa deluje v razredu C, ki
ima sicer najboljši izkoristek, vendar pa ustvarja velike motnje pri majhnih amplitudah.
Tako dobimo dober izkoristek z delovanjem prvega ojačevalnika pri nižjih tokovih in z
delovanjem drugega ojačevalnika, ki črpa električni tok le za vrhove signala, da se
zagotovi maksimalna moč.
Slika 8.3: Arhitektura Doherty
Ojačevalnik doseže optimalno učinkovitost, ko deluje v kompresiji. Ker pa je impedanca
bremena konstantna v AB razredu ojačevalnikov, se to zgodi le redko (ko je modulacija
maksimalna). Metoda Doherty uporablja »bremensko« modulacijo. V primeru simetričnih
ojačevalnikov Doherty (enaka Main in Peak pot) deluje samo Main ojačevalnik, ko je
modulacija nizka. Impedanca bremena je izbrana tako, da Main ojačevalnik deluje z
visoko učinkovitostjo pri nizki modulaciji in gre v kompenzacijo že pri četrtini izhodne moči.
Če se nivo vhodnega signala dodatno poveča, bo tudi Peak ojačevalnik ojačal vhodni
80
signal in s tem se bo impedanca bremena Main ojačevalnika dinamično zmanjšala. Od
tega trenutka naprej Main ojačevalnik obratuje z maksimalno učinkovitostjo in na izhodu je
lahko celo več moči zaradi zmanjšanja impedance bremena. Na sliki 8.4 lahko vidimo
krivuljo impedance bremena za Main in Peak ojačevalnik. Na sliki 8.5 je prikazana krivulja
učinkovitosti.
Slika 8.4: Impedančne krivulje glavnega ojačevalnika in ojačevalnika vrhov
Kljub temu da tranzistorji v Main ojačevalniku dajejo na izhodu bistveno večjo povprečno
moč kot ojačevalniki v AB razredu, pa je temperatura spoja bistveno nižja zaradi dobre
učinkovitosti, kar povzroči višji srednji čas med odpovedima (MTBF). Pomanjkljivost
klasične Dohery arhitekture pa je zelo ozkopasovni združilnik, ki temelji na λ/4 linijski
transformaciji. Rezultat tega je povečanje stroškov izdelave zaradi potrebe po večih
ozkopasovnih ojačevalnikih.
Prednost tehnologije Doherty v primerjavi s klasičnimi oddajniškimi sistemi je predvsem
ta, da niso potrebne nobene spremembe v arhitekturi sistema oddajnika. Edina razlika je v
strukturi ojačevalnika.
81
Slika 8.5: Krivulja učinkovitosti ojačevalnika z uporabo tehnologije Doherty [15]
Kompleksnost ojačevalnikov Doherty je v samem združevanju dveh ojačevalnikov, zato
nastavitve delovne točke, vhodnih nivojev, izhodne impedance ter združevanje nikakor
niso enostavni. Zaradi teh in drugih dejstev je tudi proizvodnja takšnih ojačevalnikov
dražja, vendar pa moramo na zmanjševanje stroškov gledati skozi celo življenjsko dobo
oddajnika.
Močnostni ojačevalniki v stikalnem načinu (SMPA): s to tehnologijo izdelave
oddajnikov se dosegajo še boljši izkoristki, vendar pa ima ta način velik vpliv na celoten
oddajniški sistem, ker vpliva na vse komponente oddajnika, vključno z modulatorjem,
vzbujalnikom, ojačevalnikom in filtrom. V ojačevalnikih, ki temeljijo na tej tehnologiji, se
uporabljajo visokofrekvenčni polprevodniki tipa GaN. Tehnologija izdelave teh komponent
še ni tako razvita in množična ter zato ni cenovno sprejemljiva za izdelavo komercialnih
oddajnikov velikih moči.
Modulacija ovojnice: pri tej metodi je napetost za napajanje izhodnih tranzistorjev
modulirana z ovojnico RF signala. Da bi zagotovili visoko kakovosten OFDM moduliran
signal, mora napajalna napetost slediti ovojnici z odgovarjajočo hitrostjo in ovojnica mora
ostati sinhronizirana z moduliranim RF krmiljenjem tranzistorjev. V primeru neusklajenosti
je potrebno popraviti MER z adaptivno predkorekcijo. Uporaba kompleksne modulacije
82
ovojnice zahteva precej večje število močnostnih elementov (posledično nižji MTBF) in
zato so tudi stroški bistveno večji v primerjavi z AB razredom ojačevalnikov. Učinkovitost
izhodne stopnje je zelo odvisna od učinkovitosti modulatorja ovojnice. Ker napajalna
napetost tranzistorjev ni konstantna, se delovna točka premika (še posebej pri nizkih
napetostih). Ta dejstva kažejo na prednost uporabe tehnologije Doherty v oddajnikih.
Slika 8.6: Modulacija ovojnice
83
9 SKLEP
Diplomsko delo se osredotoča na meritve in nastavitve parametrov DVB-T oddajnikov, ne
pa tudi detajlov montaže sprejemne opreme pri končnem uporabniku ali meritev pokritosti.
Vsekakor je ustrezna oprema in montaža le-te ključnega pomena za kakovosten sprejem
DVB-T signala brez motenj.
Merjeni oddajniki so na oddajniških lokacijah nameščeni tako, da so meritve lahko
izvedene le na določenem oddajnem kanalu. Meritve na oddajnikih so bile izvajane glede
na priporočila standarda in na podlagi dobre prakse. Rezultati opravljenih meritev se
dokumentirajo v poročilu o opravljenih meritvah, vendar to poročilo ni del diplomskega
dela. Zahtevane ali želene vrednosti rezultatov so bile dosežene brez posebnih težav, kar
potrjuje, da so komponente merjenih oddajniških sistemov kvalitetne.
Ob izvajanju meritev so bila opazovana odstopanja od zahtevanih ali želenih vrednosti. Z
nastavitvami v oddajniškem sistemu je bil opravljen vpliv na ustrezno izboljšanje
rezultatov. Pri rezultatih meritev bi lahko opazovali odstopanja med meritvami istih
parametrov na različnih kanalih, saj so komponente oddajniškega sistema frekvenčno
odvisne, razlike pa bi opazili tudi pri merjenju oddajniških sistemov različnih proizvajalcev.
Kljub temu pa ravno z opisanimi meritvami in nastavitvami želimo doseči optimalen signal
na izhodu, da zagotovimo čim večjo pokritost prebivalstva s signalom. Kot je opisano v
poglavjih 6.5 in 8 pa je potrebno upoštevati tudi druge dejavnike in odvisnosti, ki imajo
dandanes vse večji pomen (učinkovitost).
Kakovostno opravljene meritve pomenijo tudi kakovosten signal, ki ga sprejemajo gledalci.
Z enim oddajnikom ali z eno celico se lahko s signalom oskrbuje več tisoč ljudi in če
oddajnik ali en oddajnik v celici ne deluje pravilno, je lahko teh več tisoč gledalcev brez
kakovostnega signala, ki bi omogočal sprejem programov. Zaradi tega je priporočljivo tudi
izvajanje nadzora delovanja oddajnikov in opravljanje polletnih ali letnih servisnih
pregledov, da se potrdi ali z manjšimi popravki zagotovi pričakovana kakovost signala, ki
je bila dosežena z začetnimi meritvami ob zagonu oddajnika.
Vsa ta dejstva kažejo na pomembnost izvajanja meritev in to je tudi razlog za predstavitev
le-teh v tem diplomskem delu.
84
LITERATURA IN VIRI
[1] Agilent technologies, DVB-T and DVB-T2 Transmitter Test Challenges, USA,
2013
[2] Benoit, H., Digital Television, Satellite, Cable, Terrestrial, IPTV, Mobile TV in the
DVB Framework, Elsevier, 2008, str. 115-142
[3] Fischer, W., Digital Video and Audio Broadcasting Technology, A Practical
Engineering Guide, Second Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008, str.
311-413
[4] Enensis Technologies, Technical overview of single frequency network, White
paper
[5] ETSI TS 101 191 V1.4.1, Digital Video Broadcasting (DVB); DVB mega-frame for
Single Frequency Network (SFN) synchronization, ETSI, 2004-06
[6] ETSI TR 101 290 V1.2.1, Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement
guidelines for DVB systems, ETSI, 2001-05
[7] EN 300 744 V1.6.1, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel
coding and modulation for digital terrestrial television, ETSI, 2009-01
[8] Lung, D., Higher Efficiency for Higher-Power Amplifiers, 2012, dostopno na
http://www.tvtechnology.com/distribution/0099/coming-higher-efficiency-for-higher-
power-amplifiers/213948, [junij 2014]
[9] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, MER and coverage in broadcast network
planning
[10] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, Quality Measurements on Digital and Analog
TV Transmitters Using the R&S®ET
85
[11] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, DVB-T/H Transmitter Measurements for
Acceptance, Operation and Monitoring
[12] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, The Crest Factor in DVB-T (OFDM) Transmitter
Systems and its Influence on the Dimensioning of Power Components
[13] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, Measurements on MPEG2 and DVB-T signals
[14] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, Automatic and adaptive precorrection of digital
TV transmitters
[15] Rohde&Schwarz GmbH & Co. KG, Optimizing efficiency of high-power TV
transmitters
[16] https://www.dvb.org/ [april 2014]
[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page [maj 2014
86
87
88
Recommended
