Sistemul de Televiziune Digital Terestru

Sistemul de televiziune digital terestru

Capitolul 1. Televiziunea digitala

Televiziunea poate fi definita ca un sistem ce ne permite sa vedem imagini fixe si in miscare ale unor obiecte ce sunt situate la distanta. Denumirea de “televiziune” provine din alaturarea cuvantului grecesc “tele”, care inseamna “departe” si a unui cuvant latinesc “vedere” , care inseamna “a vedea”. Prin intermediul televiziunii se pot transmite imagini in miscare si in plus se transmit simultan sunetul precum si semnalele de sincronizare pe linii si cadre.

Televiziunea digitala (DTV) este un sistem de telecomunicatii prin care se receptioneaza si se emit imagini in miscari si sunete cu ajutorul semnalelor digitale ,spre deosebire de semnale analogice ce sunt folosite in sistemul de televiziune analog (traditional).

Generalitati

Televiziunea digitala foloseste metode de modulatie digitala , prin intermediul careia informatia este compresata,necesitand televizoare care realizeaza astfel de functii, adaptoare externe care pot converti semnalul TV, sau placi special care se pot insera in calculatoare .

Se disting trei tipuri de transimisii tv digitale :

Televiziune digitala terestra (DVB-T);

Televiziune digitala prin satelit (DVB-S) , fiind cea mai avansata ;

Televiziune digitala prin cablu (DVB-C);

Toate cele 4 sisteme au avantaje si dezavantaje atat pentru telespectatori, posturile de televiziune dar si pentru autoritatile guvernamentale.

Avantaje :

Televiziunea digitala contine anumite avantaje fata de cea analogica, cel mai important poate fi considerat numarul mic de banda necesar pentru a transmite semnalul TV, lucru ce permite o calitate buna imaginilor ce sunt televizate si mai multe canale TV ce pot fi pe aceeasi banda . Calitatea mai buna a imaginii, a sunetului si a receptiei semnalului sunt alte avantaje ale televiziunii digitale in comparatie cu cea analogica.

Dezavantaje :

Imaginile digitale pot avea anumite efecte care la televiziunea analogica nu apar si sunt datorate in mare parte insuficientei actuale de largime de banda si algoritmilor de compresia a imaginilor. Atunci cand se compara o imagine digitala cu sursa originala a imaginii, anumite secvente pot prezenta distorsiuni precum blocuri de imagini, culoare nepotrivita, sau zgomot de cuantizare.

Abrevieri

ASI – Interfata asincrona seriala (Asynchronous Serial Interface)

BER – Rata erorii de bit (Bit Error Ratio)

BSS – Serviciul de radiocomuatii de difuziune prin satelit ( Broadcasting Satellite Service)

COFDM – Multiplexare codificata cu divizare ortogonala in frecventa ( Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

DVB-C – Sistem al televiziunii digitale prin cablu ( Digital Video Broadcasting Cable)

DVB-H – Sistem al televiziunii digitale portabile ( Digital Video Broadcasting Handheld)

DVB-S – Sistem al televiziunii prin satelit (Digital Video Broadcasting Satellite)

DVB-T – Sistem al televiziunii digitale terestre (Digital Video Broadcasting Terrestrial)

END – Pierderi echivalente de zgomot ( Equivalent Noise Degradation)

FEC – Corectarea erorilor la avansare ( Forward Error Correction)

FDM – Multiplexare divizata pe frecventa( Frequency Division Multiplex)

FSS – Serviciul de radiocomunicatii fix prin satelit ( Fixed Satellite Service)

QAM – Modulatie de amplitudine cvadranta ( Quadrature Amplitude Modulation)

QPSK – Modulatia in faza in cuadratura ( Q uadrature Phase Shift Keying)

LSB – Bitul cel mai putin semnificativ ( Less Significant Bit)

MER – Coeficientul erorii de modulatie ( Modulation Error Ratio)

MPEG – Grupul de experti pentru imagini in miscare ( Motion Pictures Expert Group)

MSB – Bitul cel mai semnificativ (Most Significant Bit)

OFDM – Multiplexare cu divizare ortogonala in frecenta ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

SFN – Retea sincrona de monofrecventa ( Single Frequency Network)

SPI – Interfata sincrona paralela ( Synchronous Paralel Interface)

SWR – Rata undei stationare ( Standing Wave Ratio)

TS – Flux de transport (Transport Stream)

TDM – Multiplexare divizata in timp ( Time division Multiplex)

TPS – Transmiterea parametrilor de semnalizare ( Tranmission Parameter Signaling)

Sisteme de distribuire a televiziunii digitale

In cele ce urmeaza,vom analiza trei metode de distribuire a televiziunii digitale si anume:

Sistemul de distribuire terestru;

Sistemul de distribuire prin cablu;

Sistemul de distribuire prin satelit;

1.3.1 Sistemul de distribuire terestru

Sistemul este definit ca un bloc functional de echipamente, care adapteaza semnalele de televiziune de la iesirea multiplexorului de transport la caracteristicile canalului terestru si care trebuie sa functioneze in cadrul benzilor de frecvente 174 – 230 MHz si 470 – 862 MHz.

La fluxul de date trebuie sa se aplice urmatoarele procese :

Adaptarea si randomizarea multiplexorului de transport pentru dispersarea de energie;

Codificarea exterioara ( de exemplu,prin codul Reed – Solomon);

Interleavingul exterior ( interleaving convolutional);

Codificarea interioara (de exemplu , codul convolutional punctat);

Interleavingul interior ( fie native sau in adancime);

Cartografierea si modularea;

Transmisia OFDM;

Tabelul 1.3.1 Interfetele pentru sistemul DVB – T

1.3.2 Sistemul de distribuire prin cablu

Sistemul poate fi folosit impreuna cu sistemul de codare/modulatie de canal ce este folosit pentru televiziunea digitala prin satelit, acesta avand la baza modulatia in cuadratura (QAM) si permite constelatiile 16,32,64,128 sau 256-QAM.

Structura sistemului de cablu :

Sistemul de transmisie a programelor TV prin cablu se defineste ca fiind blocul functional ce apartine unui echipament si care efectueaza adaptarea semnalelor TV in banda de baza pentru caracteristicile canalului de cablu . In statia de emisie, semnalele TV sursa in banda de baza pot fi considerate ca fiind :

semnale de la satelit ;

surse de programe locale ;

Blocurile reprezentate in Fig. 1.3.2 au urmatoarele functii de baza :

Interfata fizica BB – are rolul de a realiza adaptarea structurii datelor la formatul semnalului sursa. Formarea cadrelor se face in stransa legatura cu structura fluxului de transport MPEG-2,inclusive octetii de sincronizare.

Randomizare si inversare Sync1 – realizeaza inversarea primului octet de sincronizare (Sync1) din structura fluxului de transport MPEG-2 si de asemenea realizeaza randomizarea fluxului de date in scopul obtinerii mastii specifice a spectrului.

Codor Reed-Solomon(RS) – acest etaj aplica un cod RS scurtat fiecarui pachet de transport randomizat, pentru a genera un pachet protejat la erori.

Intretesere convulutionala – rolul acestui etaj este de a realize o intretesere convulutionala de adancime I = 12 a pachetelor protejate de erori.

Conversia octet – m-tuplu – acest etaj efectueaza o conversie a octetilor generate de circuitul de intretesere in simboluri QAM.

Codarea diferentiala – se aplica o codare diferentiala asupra primilor doi biti MSB ai fiecarui simbol cu scopul obtinerii unei constelatii invariant la rotiri.

Formarea benzii de baza – acest etaj realizeaza corespondenta intre m-tuplurile codate diferential si semnalele I si Q .

Modulatia QAM si interfata fizica (IF) – acest etaj efectueaza modulatia QAM dar si interfatarea semnalului modulat cu canalul RF de cablu.

Receptorul de cablu – pentru a reconstitui semnalul in banda de baza, sistemul efectueaza prelucrarea inversa a semnalului.

Fig 1.3.2 Diagrama bloc a elementelor statiei de cablu

Codarea de canal

In cadrul DVB-C, se foloseste o corectie de tip FEC ce este bazata pe o codare de tip Reed – Solomon pentru a obtine un nivel necesar adecvat de protective la erori cu scopul transmisiei pe cablu a datelor digitale.

Corectarea eventualelor grupuri de erori se realizeaza prin intreteserea de octeti , iar pentru transmisia pe cablu nu se va aplica codare convolutionala.

Modulatia

Modulatia sistemului este de tip QAM cu 16,32,64,128 sau 256 de puncte in diagrama constelatiei. Diagramele constelatiilor pentru 16QAM, 32QAM si 64QAM sunt prezentate in Fig 1. Diagramele constelatiilor pentru 128 QAM si 256QAM sunt date in Fig 2. Aceste diagrame de constelatii reprezinta semnalul transmis in sistemul de cablu.

Punctele din cadranul 1 vor fi convertite in cadranele 2,3 si 4 prin schimbarea celor 2 biti MSB ( si ) si de asemenea prin rotirea celor q biti LSB conform urmatoarei reguli prezentate in tabelul de mai jos.

Tabel 1.3.2 Conversia punctelor din constelatie din cadranul 1 in alte cadrane ale diagramei de constelatie

Fig 1. Diagramele constelatiilor 16,32 si 64 QAM

Fig 2. Diagramele constelatiilor 128 si 256-QAM

1.3.3 Sistemul de distribuire prin satelit

Sistemul este realizat astfel incat sa ofera servicii de tip “Direct la Consumator” (DTH) pentru Decodorul Integrat in Receptor al Consumatorului (IRD) si de asemenea pentru sisteme de antene colective ( Satellite Master Antenna Television – SMATV) si pentru statii de distributie CATV, cu posibilitatea de re-modulatie.

Sistemul DVB – S foloseste modulatie QPSK ( Quaternary Phase Shift Keying ) si o tehnica de protectie la erori ce este bazata pe un cod convolutional si pe un cod Reed – Solomon (RS) scurtat si de asemenea este adaptat pentru a fi utilizat pe diferite benzi ale transponderului de satelit. Este asigurata compatibilitatea cu serviciile TV codate MPEG-2, cu o structura de transmisie sincrona cu pachetul multiplex. Exploatarea flexibilitatii semnalului multiplex permite utilizarea capacitatii de transmisie pentru o varietate de configuratii de servicii TV, audio si de date.

Sistemul este definit ca un bloc functional al unui echipament ce poate realiza adaptarea semnalelor TV in banda de baza, de la iesirea multiplexorului MPEG-2, la caracteristicile canalului de satelit. Sunt efectuate urmatoarele prelucrari asupra fluxului de date (Fig. 1) :

Adaptarea semnalului de la multiplexorul de transport MPEG si randomizarea acestuia pentru dispersia energiei;

Codarea externa ( utilizand Reed – Solomon );

Intreteserea convolutionala;

Codarea interna ( utilizand codul convolutional punctat);

Formarea semnalului in banda de baza pentru modulatie;

Modulatia.

Fig 1. Diagrama bloc functionala a sistemului DVB-S.

Fig 2. Diagrama bloc conceptual a sistemului DVB-S la emisie si receptie.

Tabelul 1.3.3 Interfetele sistemului DVB-S

1.4 Parametrii de baza ai sistemelor de televiziunea digitala ( DVB)

Specificatiile DVB ( -C, -S, -T) sunt diferentiate prin metodele si parametri utilizati in sincronizarea ciclica, in codificare si modulare si prin algoritmul de codificare al semnalului audio.

La fluxul de date trebuie sa se aplice urmatoarele procese :

Codificarea exterioara ( de exemplu, prin codul Reed – Solomon);

Codificarea interioara ( de exemplu, codul convolutional punctat);

Adaptarea si randomizarea multiplexorului de transport pentru dispersarea de energie;

Interleavingul exterior ( interleaving convolutional);

Interleavingul interior ( fie in-adancime sau nativi);

Transmisia OFDM;

Cartografierea si modularea;

1.4.1 Moduri de operare a sistemelor de televiziune digitala (DVB)

Pentru transmisiile DVB-T respectiv DVB-H, sunt definite doua moduri de operare si anume “Modul 2K” si “Modul ”8K”.

“ Modul 2K” este folosit pentru functionarea unui emitator individual cat si pentru retele SFN ( Retea Sincrona de Monofrecventa) mici cu distante limitate dintre emitatoare.

“Modul 8K” este folosit pentru operarea unui emitator individual respectiv pentru retele SFN mici si mari.

Doar pentru utilizarea in sistemele DVB-H, se permite utilizarea unui al treilea mod de transmitere si anume “Modul 4K”. Acesta ofera o optiune suplimentara dintre dimensiunea celulei de transmisie si capacitatilor de receptie, dand un grad suplimentar de flexibilitate in planificarea retelelor DVB-H.

Toate aceste specificatii pentru multiplexare folosesc sintaxa MPEG si utilizeaza codul Reed – Solomon ( 204188,t = 8), ce permite corectarea pana la 8 biti eronati aleatoriu intr-un cuvant receptionat de 204 biti.

Specificatia terestra adauga codificarea corectiei erorilor specificatiei satelit, interleavingul frecventei si bitilor, iar specificatia satelit adauga codul de corectie al erorilor interne.

Metodele de modulare sunt diferite, ele fiind adapte la caracteristicile canalelor.

1.5 Analiza comparativa a sistemelor DVB

Analiza se va face in doua etape : intr-o etapa vom prezenta asemanarile si deosebirile intre sistemele DVB-T si DVB – H, iar in cea de-a doua etapa asemanarile si deosebirile dintre DVB-T, – S, – C .

Sistemul DVB – H este conceput ca o extensie a sistemului DVB – T si de aceea analiza comparativa va consta in punerea in evidenta a functiilor suplimentare aduse de catre DVB – T.

La nivel de legatura, DVB – H are urmatoarele functii suplimentare :

corectia anticipata a erorii (FEC) pentru datele multi – protocol incapsulate (MPE – FEC), pentru a imbunatatii performantele in ceea ce priveste raportul C/N si de asemenea a frecventelor Doppler in canalele mobile, precum si pentru imbunatatirea tolerantei la interfentele de impuls.

La nivel fizic, DVB – H foloseste in plus fata de DVB – T:

modul 4k, ce realizeaza o optimizare intre mobilitare si dimensiunea unei celule SFN, lucru ce permite receptia cu o singura antenna in mediul SFN la viteze mari. Marele avantaj il constituie flexibilitatea in proiectarea retelei;

partitionarea in time ( time slicing), ce are ca scop reducerea consumului mediu de putere al terminalului cu pana la 95 %, si de a face nesezibil handover-ul;

etaj de intretesere de simbol pentru modurile 2k si 4k, cu rolul de a imbunatatii robustetea in medii mobile si conditii de zgomot de impuls.

Tabel 1.5.1. Comparatie intre sistemele DVB-T, -S, -C.

Capitolul 2. Transimisia semnalelor digitale TV

2.1 Particularitati si principii ale modulatiei digitale utilizate in televiziune

Transmisia semnalelor de televiziune este o actiune importanta si de complexitate cu ajutorul careia se asigura utilitatea informatiilor ce se transmit prin sistemele TV.

Modularea constituie un proces de prelucrare in vederea transimisiei fluxului DVB,ce consta in functie de sistemul de transmisie: local intrastudio, prin cablu, prin satelit sau terestru.Tipurile de modulatie digitala ce sunt folosite in televiziune sunt : QPSK( Quadrature Phase Shift Keying) ,QAM ( Quadrature Amplitude Modulation) si OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Modulatia QPSK – este o modulatie ce utilizeaza 2 biti pe simbol si care este folosita in televiziunea digitala standard pentru legaturi terestre in domeniul microundelor si de asemenea, pentru distributia programelor TV prin satelit.

Modulatia QAM – este o modulatie de faza si de amplitudine , ce utilizeaza 4, respectiv 8 biti pe simbol, fiind folosita in transmisiile prin cablu si in cadrul legaturilor terestre prin microunde. Aceasta modulatie detine 2 variante ce sunt mai des utilizate in televiziune : 16-QAM, respective 64 – QAM.

Modulatia OFDM – este utilizata in televiziunea terestra mobile (DVB – H), si in televiziunea digitala terestra (DVB – T). Are la baza un numar de frecvente purtatoare ce au particularitatea de a fi distante egal in frecenta si fiecare purtatoare de frecventa fiind modulata de tip QPSK sau QAM cu fluxul digital TV.

2.2 Modulatorul in cuadratura (modulator I/Q)

In cazul modulatiilor de tip QPSK si QAM, component principal o constituie modulatorul in cuadratura, care mai este cunoscut si sub denumirea de modulator I/Q ,semnificatia notatiilor fiind: I – in phase(in unghi); Q – amplitudine (distant fata de central constelatiei).

In televiziunea color analogica, modulatorul in cuadratura este folosit in sistemele PAL si NTSC la transmiterea informatiei de culoare.

Modulatorul in cuadratura este formadin doua mixere care primesc semnal de la acelasi oscillator local, mixerul I primeste semnal cu faza zero, iar mixerul Q primeste semnal defazat cu 90.

Semnalele decalate intre ele cu 90 sunt independente, deoarece sunt in cuadratura si nu se influenteaza intre ele, rezultand 2 cai independente I si Q pe care le urmeaza semnalul. Dupa procesul de mixare acestea sunt insumate, calea Q primind un semnal cosinusoidal, iar calea I primeste un semnal sinusoidal.

Fig. 2.2.1 Schema bloc a unui modulator in cuadratura I/Q

Frecventa oscilatorului este de 36 MHz sau de 70 MHz, lucrandu-se astfel pe o frecventa mica urmand ca in sistemul de emisie sa fie realizata o conversie de banda a emisiei, la frecvente ce pot ajunge de ordinal sutelor de MHz daca se foloseste transmisia terestra cu acoperire locala, sau a zecilor de GHz daca se foloseste transmisia prin radioreleu.

Modulatorul I/Q poate realiza o modulatie pura de faza, de amplitudine sau o combinative intre acestea doua, in functie de tipul acestuia. Semnalul de la iesirea modulatorului este dat de reprezentarea polara din figura 2.2.2.

Fig. 2.2.2. Reprezentarea polara a semnalului de la iesirea modulatorului

Pentru I = Q = 1; b) Pentru I = 1 si Q = 0

Vectorul ce este corespunzator semnalului modulat este caracterizat de catre amplitudinea A si faza φ a caror valori sunt determinate de relatiile:

Functionarea modulatorului in cuadratura se bazeaza pe urmatoarele situatii particulare:

Pe calea I semnalul poate avea valorile ± 1, iar pe calea Q valoarea 0. La iesire, semnalul va fi ca in figura 2.2.b;

Pe calea I semnalul poate avea valoarea 0, iar pe calea Q valoarea ± 1. La iesire, semnalul va fi ca in figura 2.2.3.a;

Pe ambele cai I si Q, semnalul poate avea valoarea ±1. Sunt posibile,in acest caz, 4 combinatii, cate una in fiecare cadran,avand denumirea de constelatii.Diagrama de constelatii este reprezentata in figura 2.2.3.b.

Acest caz este unul particular al modulatiei QPSK, situatie in care este comutata numai faza semnalului purtator . Constelatiile posibile determinate de punctele de reprezentare a pozitiilor purtatoare sunt la : 45°; 135°; 225° si 315°.

Sunt necesare doua valori pentru fiecare combinatie posibila, rezultand ca pe caile I si Q putem transmite simultan 2 biti,deci, un simbol in are o secventa alcatuita din 2 biti pentru fiecare pozitie din constelatie in cazul modulatiei QPSK.

Fig. 2.2.3 Reprezentarea polara a semnalului de la iesirea modulatorului QPSK

Pentru I = 0 si Q = 1; b) Pentru I=Q= ±1

Trebuie sa se furnizeze cailor I si Q date continute in fluxul digital de date care trebuie transmis. Un circuit de mapare numit „harta” (mapper), realizeaza impartirea datelor din fluxul digital pe cele doua cai de intrare a modulatorului.Acest circuit foloseste un tabel prin intermediul caruia furnizeaza semnalele i(t) si q(t) la intrarea modulatorului.

Fig. 2.2.4 Reprezentarea constelatiei in functie de tipul modulatiei

Cu ajutorul modulatiei de faza QPSK, se pot obtine modulatiile folosite curent in televiziune,modulatiile de tip 16 – QAM si 64 – QAM, ce sunt realizate prin modificarea in acelasi timp a amplitudinii si a fazei.Aspectul constelatiei este dat de tipul de modulatie si este obtinut de pozitiile in faza si/sau ampltitudine care pot fi luate de purtatoare.

La modulatia 16 – QAM, se pot transmite simultan patru biti pe simbol, iar in cazul 64 – QAM, se pot transimite simultan sase biti pe simbol, banda necesara transmiterii informatiei reducandu-se corespunzator cresterii numarului de biti ai unui simbol de la iesirea modulatorului.

2.3 Demodulatorul I/Q

Demodularea este necesara pentru refacerea purtatoarei la receptie, semnalul de intrare fiind multiplicat de 2 ori,in acest fel frecventa care are valoarea egala cu de patru ori frecventa purtatoare poate fi extrasa folosind un filtru trece-banda pozitionat la iesirea circuitului de refacere a purtatoarei. Purtatoarea este aplicata circuitelor de mixaj,pentru calea Q purtatoarea se aplica printr-un circuit de defazare cu 90°.

Pentru a obtine datele initiale – data (t), dupa procesul de demodulare, semnalele i(t) si q(t) sunt aplicate unui circuit de mapare.

Fig 2.3.1 Schema bloc a demodulatorului I/Q

Formele de unda ale semnalelor in diferite puncte ale demodulatorlui I/Q sunt prezentate in figura 2.3.2.

Fig. 2.3.2 Formele de unda ale demodulatorului I/Q

Semnalele demodulate i(t) si q(t) au suprapuse semnale ce sunt de frecventa dubla fata de semnalul de baza, aceasta situatie fiind remediata prin introducerea unor filtre de tip trece-jos pana in circuitul de asociere.

Un aspect important este acela ca tabelele dupa care lucreaza circuitele de mapare si demapare sa fie de acelasi tip si de asemenea frecventa de esantionare sa fie in sincronism cu purtatoarea.

Demodularea semnalelor modulate in cuadratura este realizata cu circuite de demodulare care au ca principiu esantionarea semnalului de baza cu o frecventa de patru ori mai mare ca cea a semnalului modulat (Fig 2.3.3).

Fig. 2.3.3 Demodulator in cuadratura cu frecventa de esantionare mai mare decat frecventa purtatoare

2.4 Transmisia semnalelor TV digitale

Transmisia semnalelor digitale de televiziune (semnal de imagine, semnal de sunet insotitor si informatii auxiliare) poate fi realizata prin intermediul unor console digitale special organizate, sau prin canale digitale de radiocomunicatii cu utilizare generala, alegand pentru fiecare tip de transmisie metoda de modulatie si demodulatie.

Transformarea semnalului modulator se poate realiza cu transpunere de spectru a informatiei video/audio/date in regiunea frecventelor inalte, sau fara transpunere, semnalul video TV moduland un semnal de frecventa intermediara. Semnalul TV poate fi transmis sub forma de semnal video cu ajutorul cablurilor de transmisie si a interfetelor de tip serial sau paralel.

Exista trei metode de transmisie a semnalelor digitale catre punctele de utilizare:

Transmisie prin cablu (optic sau coaxial);

Transmisia prin satelit;

Transmisia cu emisie terestra ( cu acoperire locala sau prin radioreleu).

Atunci cand transmisia se face pe distante mici, semnalele video de televiziune pot fi transmise direct ca semnale video in interiorul studiourilor TV sau intre echipamente ce pot fi conectate prin cabluri,de obicei, pentru transmisii in reportaj.

Daca transmisiile au loc pe distante mari, transmisiile se fac prin folosirea undelor radio, prin utilizarea unor purtatoare de radiofrecventa, cum este in cazul transmisiilor efectuate de catre serviciile specializate de televiziune:

Serviciu de televiziune prin cablu DVB – C;

Serviciu de televiziune prin satelit DVB – S;

Serviciu de televiziune terestra DVB – T.

Transmisia semnalelor TV ce au au fost obtinute in format digital in cadrul studioului de televiziune, poate fi transmis intrastudio prin intermediul unor cabluri paralele pe distante scurte de la un aparat la altul pentru diferite prelucari si utilizari. Daca este necesar ca semnalul digital sa fie transmis la distante mari, se foloseste cablul cu fibra optica sau cablul coaxial. Pentru acest caz, semnalele video digitale TV ale tuturor programelor multiplexate intr-un flux DVB sunt prelucrate conform unor algoritmi stabiliti prin intermediul unor standarde.

Transmisia in radiofrecventa presupune modularea digitala de catre fluxul digital TV a uneia sau mai multor purtatoare cu frecvente stabilite in benzile de frecventa alocate transmisiilor de televiziune.

Capitolul 3. Televiziunea digitala terestra

Televiziunea digitala terestra ( Digital Video Broadcasting – Terrestrial) (DVB-T), este un sistem de televiziune digitala ce utilizeaza normele DVB – T, ISDB si ATSC in benzile de unde VHF- III / UHF – V, ce sunt deja folosite la transmisiile terestre analogice.

Aceasta tehnologie a aparut in prima data in anul 1997, ca o necesitate de a transmite mai multe posturi de televiziune intr-o calitate superioara, in acelasi spatiu spectral necesar unui singur program transmis analogic.

Figura 3.1 Schema unui sistem de transmisie DVB – T

Avantaje :

Se pot transmite pana la 8 programe digitale in cadrul unui singur canal TV analog;

O calitate a imaginii superioara, permitand formate 3/4, 16/9 sau inalta definitie (HD);

Sunet de inalta calitate ( Dolby, 5.1,etc);

Vizionarea programelor Pay-per-view (PPV), ce reprezenta vizionarea la cerere a unor filme sau evenimente programate;

Permite adaugarea altor tipuri de servicii de mare viteza ( Internet, comert electronic) alaturi de transmisiile TV.

Fig. 3.2 Sistemele DVB – T din intreaga lume. Tarile ce folosesc sistemele DVB – T sau DVB – T2 sunt reprezentate de culoarea albastra

In transmisia digitala terestra se foloseste modulatia OFDM, deoarece are principalul avantaj ca permite receptia simultana din mai multe directii. In cazul unei receptii analogice odata cu semnalul direct sunt receptionate si o serie de reflexii cu produc degradarea calitatii semnalului si totodata aparitia unor dubluri ale imaginii TV. In cazul utilizarii modulatiei OFDM imunitatea la reflexii este maxima putandu-se face o receptie simultana din mai multe directii pe aceeasi frecventa fara aparitia de perturbatii ale imaginii. Acest tip de modulatie poarta numele de Single Frequency Network (SFN).

OFDM este tipul de modulatie ales pentru transmisii terestre DVB – T, deoarece este sistemul care este in cea mai mica masura influentat de reflexiile datorate cladirilor inalte sau reliefului.

Folosind modularea OFDM, semnalul digital este modulat nu doar intr-o purtatoare, ci in foarte multe purtatoarea avand spatiu foarte redus intre ele, toate subpurtatoarele fiind cuprinse intr-un interval de 7 sau 8 MHz, cat este alocat pentru un canal analogic.

Fiecare subpurtatoare este modulata in functie de schema de modulatie: QPSK, 16 QAM, 64 QAM (sau 128 respectiv 256 QAM).Daca se folosesc atat de multe subpurtatoare intr-un spatiu restrans, va rezulta o rata de transmisie a datelor foarte scazuta.

In functie de de numarul de purtatoare folosite, exista doua moduri de operare :

Modul 2K cu un numar de 1604 purtatoare;

Modul 8K cu un numar de 6817 purtatoare;

In transmisiile digitale pot aparea erori de transmisie (bit errors) fiind necesara utilizarea unor metode de corectare a informatiei (FEC – Forward Error Corection). Pentru a corecta erorile aparute, se introduc in sirurile de date coduri de corectare (Reed Solomon, Inner Coder, etc). De la emitator spre receptor semnalul sufera erori de faza si amplitudine din cauza reflexiilor. Receptorul trebuie sa demoduleze corect informatia transmisa si sa compenseze aceste erori,lucru ce poate fi realizat datorita utilizarii in transmisiile DVB – T a codurilor de corectie a erorilor.

3.1 Modulatorul DVB – T

Transmisia DVB – T prevede folosirea optionala a modului ierarhic de transmisie a informatiei, adica posibilitatea de a transmite informatiile pe doua cai in raport in raport de conditiile reale de asigurare a legaturii de radiocomunicatie.

Cele doua cai, HP – High Priority si LP – Low priority, pot transporta acelasi program.Pe calea HP de inalta prioritate, calitatea imaginii va fi mai scazuta de imaginea transmisa pe calea LP,fapt ce se datoreaza protectiei mai puternice la erori si compresii mai ridicate.

Tinand cont de conditiile de receptie a semnalelor radio, poate fi aleasa una dintre cele doua cai LP sau HP de prelucrare la emisie a semnalelor TV.

Fig 3.1.1 Schema modulatorului DVB – T din statia de emisie terestra

Primul etaj al modulatorului DVB – T este interfata in banda de baza a semnalului (baseband input modul). La acest etaj se realizeaza sincronizarea semnalului cu fluxul MPEG – 2 (Transport Stream – TS). Fluxul digital TS este format din pachete de 188 bytes care au header-ul compus din 4 bytes, iar restul de 184 bytes fiind reprezentati de informatia utila. Primul byte al header-ului are rolul de sincronizare SYNC care are aceeasi valoare 47Hex pentru toate pachetele. La receptie sincronizarea are loc dupa receptionare a 5 pachete consecutive cu byte-ul 47Hex, dupa care toate semnalele de ceas necesare in interiorul demodulatorului deriva din acest semnal de sincronizare.

In aceasta etapa se afla si blocul de inversare a byte-ului de dispersie si sincronizare a energiei. Inversand byte-ul de sincronizare, acesta va deveni B8Hex in loc de 47Hex. Inversarea se produce la fiecare 8 pachete (cadre) si se realizeaza cu scopul de resetare a proceselor de dispersare a energiei nu numai la emisie cat si la receptie. In cadrul semnalului de date pot apare accidental secvente lungi de „0” sau de „1”, ceea ce duce din punct de vedere al spectrului, la aparitia de linii spectrale nedorite. Pentru a elimina apariatia acestor linii spectrale nedorite, inainte de procesul de modulare se face o dispersie a energiei semnalului prin mixarea acestuia cu o secventa pseudo – aleatoare PRBS – Pseudo Random Bit Sequence care are ca rezultat rupere secventelor lungi de „0” si „1”. Circuitul de generare a secventei pseudo – aleatoare este realizat cu un registru de deplasare ce contine 15 etaje cu reactie.

In cadrul DVB – T, informatia transmisa este protejata la erori prin folosirea de coduri corectoare de erori. Aceste coduri asigura corectia erorilor in avans FEC – Forward Error Correction. In functie de pozitia in raport cu antena emitatorului etajului respectiv, cele doua codoare sunt denumite outer coder ( realizeaza FEC1) si inner coder ( realizeaza FEC2).

Dupa primul bloc din schema urmeaza blocul de codare externa (outer coder) ce realizeaza protectia la erori prin utlizarea unui cod Reed Solomon. La acest etaj, celor 188 bytes ai pachetului TS le sunt adaugati 204 bytes (fig 3.1.2). Pachetele de date obtinute sunt grupate si randomizate in structuri de 8 pachete a cate 8×204 bytes = 1832 bytes, fiecare astfel de structura purtand numele de superframe, fiind urmata de un byte de sincronizare SYNC care inlocuieste byte-ul de SYNC al primului pachet (frame) din sirul de 8 pachete TS aleatoare.

Fig 3.1.2 Structura unui TPS corectat RS

Apar in mod frecvent in timpul transmisiei erori sub forma de pachete de biti eronati, lucru ce face imposibil corectarea lor. Luand in considerare acest aspect, putem rezolva acest fapt prin intreteserea informatiei unui pachet cu informatia continuta in pachetele vecine. Acest lucru este realizat in urmatorul etaj al modulatorului. Intreteserea este realizata cu ajutorul unui circuit de intretesere convolutional Forney.

Intreteserea se poate realiza asupra a maxim 11 puncte consecutive si consta in intreteserea a 12 bytes ai unui pachet printre bitii pachetelor vecine.

Circuitul Forney este realizat din doua comutatoare cu cate 12 pozitii ce permit trecerea directa a informatiei de sincronizare in pozitia 0, iar in celelalte 11 pozitii informatia este trecuta prin registre de deplasare. Cele doua comutatoare sunt sincronizate cu MPEG – 2 TS.

Urmatorul etaj este cel de-al doilea codor „inner coder” ( realizeaza FEC2). Codorul este realizat din mai multe etaje cu intarzieri diferite, in practica fiind folosite registre de deplasare si porti SAU-Exclusiv. Acesta prezinta doua cai de semnal ceea ce face debitul informatiei la iesire sa fie dublu fata de cel de la intrare.

Reducerea redundantei semnalului de la iesirea codorului convolutional se face prin „perforarea” (puncturing) sirului de biti ceea ce duce la eliminarea selectiva a unei parti dintre acestia. In functie de cat de puternica dorim sa fie protectia la eori, se pot alege diferite rate de codare (code rate) : 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 (rata de codare 1/2 reprezinta cea mai puternica iar 7/8 cea mai slaba protectie). In functie de conditiile de teren si tipul urban sau rural al zonei de serviciu se poate alege o rata de codare sau alta.

Dupa codorul convolutional urmeaza inca un etaj de intretesere ce are rolul asigurarii imprastierii informatiei in spectrul OFDM. Fluxul de date este impartit in pachete ce au lungimea de 126 de biti si care sunt intretesate in asa fel inca sa fie distribuite uniform in canalul DVB – T. Pentru modul 2k sunt procesate cate 12 blocuri de 126 biti pe doua,patru sau sase cai de intretesere, iar pentru modul de transmisie 8k, 48 de blocuri de 126 biti sunt prelucrate pe doua, patru sau sase cai de intretesere utilizand formule definite pentru fiecare cale (numarul de cai fiind in functie de tipul de modulatie folosit).

Receptorul DVB – T

Schema bloc a receptorului DVB – T ( mai putin decodorul MPEG – 2 si partea de control) este prezentata in figura 3.2.1.

Figura 3.2.1 Schema bloc a receptorului DVB – T

Primul etaj este tuner-ul care spre deosebire de tuner-ul din receptoarele TV analogice, trebuie sa prezinta o caracteristica de zgomot de faza mult mai buna din cauza modulatiei folosite in DVB – T.

Prima frecventa intermediara obtinuta in cadrul tuner-ului este de 36 MHz. In cazul televiziunii digitale frecventa de 36 MHz reprezinta centrul benzii de frecventa, centrul benzii fiind luat ca referinta in acest caz, spre deosebire de televiziunea analogica unde purtatoarea de imagine era considerata ca referinta. Semnalul este filtrat prin intermediul unui filtru trece – banda cu unda acustica de suprafata ( SAW – Surface acoustic Wave). In urma filtrarii, semnalele corespunzatoare canalelor alaturate sunt reduse pana la un nivel acceptabil. Conditiile impuse acestui filtru tin de caracteristica de faza, nefiind permise distorsiuni ale caracteristicii timpului de intarziere de grup. Pot fi admise doar ripluri ale caracteristicilor de amplitudine s de timp de intarziere de grup. In continuare semnalul va suferi o noua schimbare de frecventa , avand valoarea de aproximativ 5 MHz. Acesta va fi convertit din semnal analogic in semnal digital cu frecventa de esantionare = 4×32/7 MHz, dupa cel de-al doilea mixer toate componentele cu frecventa mai mare de 2×32/7 MHz vor fi suprimate prin intermediul unui filtru trece – jos. Dupa filtrare semnalul este aplicat unui convertor A/D, a caruit frecventa de esantionare este de 4×32/7 MHz. Fluxul de date rezultat dupa conversia analog – digitala este aplicat mai intai etajului de sincronizare.

In cadrul acestui etaj, prin folosirea functiei de autocorelatiei este obtinuta informatia de sincronizare prin detecarea componentelor semnalului care exista de mai multe ori sunt de acelasi fel. Functia de autocorelatie va furniza un semnal de identificare in aria intervalului de garda si in aria simbolului OFDM datorita repetarii in intervalul de garda a unei portiuni din sfarsitul urmatorului simbol dupa fiecare simbol curent.

Semnalul dat de functia de autocorelatie va fi utilizat de blocul FFT pentru pozitionarea ferestrei de esantionare pe durata simbolului. Blocul FFT este utilizat pentru aducerea semnalelor din domeniul timp in domeniul frecventa. Deoarece blocul FFT necesita la intrare un semnal de la iesirea convertorului D/A este aplicat unui mixer complex prin intermediul unui comutator actionat cu frecventa /2. De exemplu, esantioanele impare trec spre ramura superioara iar cele pare spre ramura inferioara. Cele doua fluxuri rezultante au debitul de informatie la jumatate si sunt decalate intre ele cu jumatate din perioada ceasului semnalului de esantionare. Pentru a elimina acest offset valorile intermediare sunt interpolate cu ajutorul unui filtru digital FIR, introdus pe ramura inferioara. Intarzierea introdusa de acest filtru este compensata pe ramura superioara prin introducerea unui circuit de intarziere realizat cu registre de deplasare.

Purtatoarele furnizate mixerului provin de la un oscilator comandat digital NCO – Numerically Controlled Oscillator. Prin intermediul acestuia receptorul se caleaza pe frecventa emitatorului. Aceasta calare se face automat prin intermediul blocului de control al frecventei AFC.

In cadrul blocului FFT semnalul OFDM este adus iar in domeniul frecventa, rezultand , in functie de modul de transmisie 2k sau 8k, 1705 sau 6817 de parti reale si imaginare. Exista posibilitatea ca fereastra de esantionare sa nu fie pozitionata precis asupra simbolului actual ceea ce face ca diagramele constelatiilor sa fie rotite datorita decalajului de faza ce apare la subpurtatoarele OFDM. In acest caz pozitiile purtatoarelor pilot ( fixe si variabile) pe diagramele constelatiilor nu se mai afla pe axa reala, ci pe cercuri cu razele egale cu amplitudinile acestora.

In acelasi timp pot apare distorsiuni ale canalului de transmisie datorate ecourilor, intarzierilor de timp, de grup si a raspunsului amplitudine – frecventa, distorsiuni care se traduc, pe langa rotirea diagramelor, si prin expandarea sau comprimarea acestora. Pozitionarea