Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Σαραντίδη Ιωάννη του Σωτηρίου Αριθμός Μητρώου: 6629 Θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΕΩΝ» Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 Πάτρα, Ιούλιος

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΕΩΝ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Σαραντίδη Ιωάννη του Σωτηρίου Αριθμός Μητρώου: 6629 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα 3

4 4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 Θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΕΩΝ» Φοιτητής: Σαραντίδης Ιωάννης του Σωτηρίου Επιβλέπων: Κωτσόπουλος Σταύρος 5

6 6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ H παρούσα πτυχιακή εργασία επικεντρώνεται αρχικά, στη μελέτη των προτύπων της επίγειας και φορητής ψηφιακής τηλεοράσης (DVB-T και DVB- H). Το DVB-T αποτελεί τo πρότυπο της επίγειας µετάδοσης που έχει αναπτυχθεί µε ιδιαίτερα πολύπλοκο τρόπο από ότι τα προηγούµενα πρότυπα για δορυφορική και καλωδιακή µετάδοση. Με το DVB-T επιτυγχάνονται καλύτερες επιδόσεις απ ότι µε την αναλογική μετάδοση και προσφέρει πολλά πλεονεκτήµατα στην επίγεια µετάδοση αλλά και λήψη του σήµατος. Επειδή αποδείχθηκε σχετικά νωρίς ότι το DVB-T έχει μειονεκτήματα σε ότι αφορά το broadcasting τηλεοπτικού σήματος σε κινητά τηλέφωνα, γεννήθηκε η ιδέα για ένα σύστημα αποκλειστικά για φορητές συσκευές βασισμένο στο DVB-T. Καλείται DVB-H (DVB-Handheld). Δεδομένου ότι τα συστήματα ψηφιακής μετάδοσης DVB-T και DVB-H χρησιμοποιούν για τη διάδοσή τους το επίγειο και δορυφορικό κανάλι, γίνεται εκτενής ανάλυση των παραμέτρων που επηρεάζουν την επίγεια και δορυφορική μετάδοση, κυρίως από την οπτική των απωλειών. Στη συνέχεια, γίνεται ανάλυση όλων των σταδίων που λαμβάνουν χώρα κατά την εκπομπή και λήψη ενός OFDM σήματος μέσω ενός φυσικού καναλιού, διαμόρφωση η οποία χρησιμοποιείται κατά κόρον στα πρότυπα DVB-T και DVB-H. Έπειτα, προσομοιώνουμε μέσω του MATLAB όλη τη διαδικασία της OFDM μετάδοσης και λήψης, εξάγοντας τις γραφικές παραστάσεις με τη μορφή του OFDM σήματος σε κάθε στάδιο. Τέλος, θα μελετήσουμε την επίδραση του ασύρματου καναλιού (δορυφορικού και επίγειου) στην εξασθένηση του OFDM σήματος, στο σταθμό λήψης και θα εξάγουμε τις γραφικές παραστάσεις, επιβεβαιώνοντας την εξασθένηση αυτή. 7

8 ABSTRACT This project focuses initially on the study of patterns of terrestrial and mobile digital television (DVB-T and DVB-H). The DVB-T standard is the terrestrial broadcasting standard that has been developed in a very complex way than previous standards for satellite and cable broadcasting. By implementing DVB-T we can achieve much better performance than analog transmission as it offers many advantages for terrestrial transmission and reception. Since it has been proved early on that the DVB-T has disadvantages in terms of the broadcasting of television signals to mobile phones, there has been created an idea for a system that exclusively focuses on mobile devices, based on DVB-T. It is called DVB-H (DVB-Handheld). Since the digital broadcasting systems of DVB-T and DVB-H use the terrestrial and satellite channel to transmit information, an extensive analysis of parameters affecting the terrestrial and satellite transmission takes place, mainly from the perspective of losses. Then, there takes place an analysis of all stages that occur when transmitting and receiving an OFDM signal through a natural channel, modulation which is widely used in DVB-T and DVB-H. Then, we run a MATLAB simulation for the whole process of OFDM transmission and reception, exporting graphs of the form of the OFDM signal at each stage. Finally, we will study the effect of wireless channel (satellite and terrestrial) as far as the weakening of the OFDM signal is concerned at the receiving station and we will export the graphs, confirming the aforementioned attenuation.. 8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 9 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ.12 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ.. 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΕΝΑΡΞΗ ΤΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΕΠΟΧΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ Ψηφιοποίηση και Συμπίεση σημάτων Το πρότυπο συµπίεσης MPEG Αρχές λειτουργίας MPEG ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΤΑ ΤΑ ΠΡΟΤΥΠΑ DVB Γενικά DVB Project DVB - Βασικές Αρχές DVB - Το Πρότυπο DVB - Στόχοι DVB - Προσδοκίες και Πορεία ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗΣ.35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ DVB-T KAI DVB-H 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ DVB-T DVB-T - ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Επιλογές σχετικά με τη μορφή και τον τρόπο λειτουργίας ενός DVB-T δικτύου Κωδικοποίηση πηγής και πολυπλεξία Προσαρµογή πολυπλεξίας και διασπορά ενέργειας Εξωτερική κωδικοποίηση και συνελικτική διεµπλοκή Εσωτερική κωδικοποίηση και διεµπλοκή Διαμόρφωση και μετάδοση Pilot TPS signals Χαρτογραφητής Mapper Προσαρµογή πλαισίου ( Frame Adaptation ).54 9

10 Εισαγωγή χρόνου guard interval Μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) Ιεραρχικός και µη-ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας Μη-ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας Ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ DVB-H Σύντομη περιγραφή Βασικά χαρακτηριστικά Γενική άποψη του συστήματος Μέγεθος μονάδας FFT (Fast Fourier Transform) Τμηματοποίηση χρόνου (time slicing) Μεταπομπή Προστασία άνισων λαθών (Unequal Error Protection UEP) Ενθυλάκωση πολλαπλών πρωτοκόλλων Πρόσθια διόρθωση λαθών (multi protocol encapsulation forward error correction MPE- FCE) Παράμετροι φυσικού στρώματος Παράμετροι στρώματος ζεύξης Χρόνος συγχρονισμού του δέκτη Κατανάλωση ισχύος Περίοδος τμηματοποίησης χρόνου και εξισώσεις MPE-FEC μεγέθους ρίπης Κάλυψη του συστήματος DVB-H Εισαγωγή Σταθερή κάλυψη Κινητή κάλυψη Περιοχή κάλυψης Αρχιτεκτονική λειτουργίας του συστήματος DVB-H ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΠΙΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Mηχανισμοί διάδοσης Η/Μ ακτινοβολίας Πολυοδική διάδοση (multipath fading) ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Δορυφορικό Σύστημα

11 3.3.2 Βασικές σχέσεις δορυφορικής ζεύξης Περιγραφή Δορυφορικού Καναλιού Ατμοσφαιρική εξασθένηση (atmospheric losses) ΕΠΙΓΕΙΑ ΔΙΑΔΟΣΗ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Κατανομή Rayleigh Κατανομή Rice ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ OFDM ΣΤΟΥΣ ΣΤΑΘΜΟΥΣ ΠΟΜΠΟΥ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ OFDM ΜΕΤΑΔΟΣΗ DVB-T Παράδειγμα FFT Εκτέλεση OFDM ΛΗΨΗ ΚΩΔΙΚΑΣ MATLAB ΓΙΑ OFDM ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ OFDM μετάδοση OFDM Λήψη ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΣΤΟ ΣΗΜΑ OFDM ΣΤΟ ΣΤΑΘΜΟ ΛΗΨΗΣ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΙΑΔΟΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΕΠΑΦΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗ ΜΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΕΠΑΦΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΔΕΚΤΗ ΣΕ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΚΑΝΑΛΙ ΜΕΛΕΤΗ ΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΔΕΚΤΗ ΣΕ ΕΠΙΓΕΙΟ ΚΑΝΑΛΙ ΕΠΙΔΟΣΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΣΤΟ ΣΗΜΑ ΟFDM ΣΤΟ ΣΤΑΘΜΟ ΛΗΨΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..126 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..127 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..128 ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ

12 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχήμα 1.1: Σχήμα 1.2: Σχήμα 1.3: Σχήμα 1.4: Σχήμα 1.5: Σχήμα 1.6: Σχήμα 1.7: Σχήμα 1.8: Σχήμα 1.9: Αναλογικό και ψηφιακό κανάλι.21 Τύποι συμπίεσης του προτύπου MPEG-2 22 Πολυπλεξία του προτύπου MPEG Πολυπλέκτης MPEG-2 TS.25 Δομή ροής MPEG-2 TS.. 25 Πολυπλεξία δύο δομών μεταφοράς 26 Το επίσημο λογότυπο του DVB 28 Σχηματική απεικόνιση του DVB..31 Χρονική εξέλιξη των προτύπων DVB.33 2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχήμα 2.1: Ο Παγκόσμιος Χάρτης επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (2009) 39 Σχήμα 2.2: Δομικό διάγραμμα ενός συστήματος εκπομπής DVB-T. 40 Σχήμα 2.3: Δίκτυα πολλαπλών συχνοτήτων - Multi Frequency Networks (MFNs). 41 Σχήμα 2.4: Δίκτυα Μοναδικής Συχνότητας-Single Frequency Networks (SFNs)..42 Σχήμα 2.5: Η τεχνική της πολυπλεξίας.43 Σχήμα 2.6: Πακέτο προστατευμένο με κωδικοποίηση Reed Solomon..45 Σχήμα 2.7: Μορφή δεδομένων μετά την διαδικασία προσαρμογής, τυχαιοποίησης, κωδικοποίησης και διεμπλοκής.. 46 Σχήμα 2.8: Τα διαγράμματα αστερισμού (constellation maps) για κάθε τύπο διαμόρφωσης...48 Σχήμα 2.9: Διάταξη των φερόντων κατά την διάρκεια διαμόρφωσης ενός σήματος...49 Σχήμα 2.10: Κυκλική επανάληψη του ωφέλιμου τμήματος (Guard Interval).49 Σχήμα 2.11: Αρχιτεκτονική ενός OFDM super-frame 50 Σχήμα 2.12: Διαχωρισμός του καναλιού στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας 51 Σχήμα 2.13: Εισαγωγή sub-carrier 51 Σχήμα 2.14: Εισαγωγή Guard Interval..51 Σχήμα 2.15: Δείκτες συγχρονισμού.52 Σχήμα 2.16: Σχηματική αναπαράσταση ενός DVB-H δέκτη.59 Σχήμα 2.17: Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας ενός DVB-H συστήματος.59 Σχήμα 2.18: Αρχή του time slicing

13 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχήμα 3.1: Σχήμα 3.2: Σχήμα 3.3: Σχήμα 3.4: Σχήμα 3.5: Τρόποι διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος 74 Άφιξη πολλών αντιγράφων του σήματος.75 Παράδειγμα καναλιού πολυόδευσης.76 Προς τα άνω ζεύξη ( uplink ) και προς τα κάτω ζεύξη ( downlink ).77 Διάδοση Η/Μ κυμάτων στις δορυφορικές μεταδόσεις - περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν το σήμα.78 Σχήμα 3.6: Σχήμα 3.7: Σχήμα 3.8: Σχήμα 3.9: Σχήμα 3.10: Βασική δομή ασύρματης ζεύξης 79 ιάγραµµα δοµής δορυφορικού συστήματος.82 ορυφορικό κανάλι...83 Το φαινόμενο της περίθλασης 89 Η pdf κατανομή των Rice και Rayleigh ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχήμα 4.1: Σχήμα 4.2: Σχήμα 4.3: Σχήμα 4.4: Σχήμα 4.5: Σχήμα 4.6: Σχήμα 4.7: Σχήμα 4.8: Σχήμα 4.9: Σχήμα 4.10: Σχήμα 4.11: Σχήμα 4.12: Σχήμα 4.13: Σχήμα 4.14: Σχήμα 4.15: Σχήμα 4.16: Σχήμα 4.17: Σχήμα 4.18: Σχήμα 4.19: Σχήμα 4.20: Σχήμα 4.21: Σχήμα 4.22: Σχήμα 4.23: DVB-T Transmitter 94 Προσομοίωση OFDM εκπομπής.97 Χρονική απόκριση του σήματος carriers στο (Β) 98 Απόκριση συχνότητας του σήματος carriers στο (Β).98 Παλμικό σχήμα g(t).98 D/A απόκριση φίλτρου.98 Χρονική Απόκριση του σήματος U στο (C)..99 Απόκριση συχνότητας του σήματος U στο (C).99 Χρονική Απόκριση του σήματος UOFT στο (D).100 Απόκριση συχνότητας του σήματος UOFT στο (D).100 uoft I (t) cos(2πf c t) απόκριση συχνότητας.101 uoft Q (t) sin(2πf c t) απόκριση συχνότητας.101 Χρονική απόκριση του σήματος s(t) στο (Ε).101 Απόκριση συχνότητας του σήματος s(t) στο (Ε) 101 Χρονική απόκριση της άμεσης προσομοίωσης της ( )..102 Απόκριση συχνότητας της άμεσης προσομοίωσης της ( ) και IFFT..102 Προσομοίωση OFDM λήψης.102 Χρονική απόκριση του σήματος r_tilde στο (F).103 Απόκριση συχνότητας του σήματος r_tilde στο (F)..103 Χρονική απόκριση του σήματος r_info στο (G).103 Απόκριση συχνότητας του σήματος r_info στο (G)..103 Χρονική απόκριση του σήματος r_data στο (H)..103 Απόκριση συχνότητας του σήματος r_data στο (H)

14 Σχήμα 4.24: Σχήμα 4.25: info_h αστερισμός..104 a_hat αστερισμός ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σχήμα 5.1: Σχήμα 5.2: Σχήμα 5.3: Σχήμα 5.4: Σχήμα 5.5: Γραφική παράσταση P r d για τρεις κατηγορίες δορυφόρων (GEO,MEO,LEO) 115 Γραφική παράσταση P r d στο επίγειο κανάλι για κατανομή Rice.118 Γραφική παράσταση P r d στο επίγειο κανάλι για κατανομή Rayleigh..121 OFDM σήμα στο δέκτη μέσω φυσικού καναλιού 125 OFDM σήμα στο δέκτη υπό την παρουσία ασύρματου καναλιού κανάλι

15 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ 2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πίνακας 2.1: Εκτιμώμενες ημερομηνίες μετάβασης για τις χώρες της Ε.Ε.38 Πίνακας 2.2: Οι έξοδοι Χ και Υ του συνελικτικού κωδικοποιητή επιλέγονται από ένα προσχέδιο διάτρησης (Puncturing pattern).47 Πίνακας 2.3: Διαθέσιμοι ρυθμοί μετάδοσης για σύστημα DVB-T σε κανάλι 8 MHz...54 Πίνακας 2.4: Επίπεδα ισχύος DVB-H δέκτη.. 66 Πίνακας 2.5: Παράμετροι λειτουργίας του DVB-H Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πίνακας 4.1: Αριθμητικές τιμές των OFDM παραμέτρων στη 2k λειτουργία 96 5 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ Πίνακας 5.1: Τιμές της παραμέτρου n ανάλογα το περιβάλλον διαδοσης

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Έναρξη της Ψηφιακής Εποχής Η ψηφιακή τηλεόραση αναπτύσσεται και βγαίνει από τα επιστηµονικά εργαστήρια το Μία νέα τεχνολογία που θα έφερνε καταιγιστικές αλλαγές στο τηλεοπτικό πεδίο, είχε ήδη δηµιουργηθεί. Από τότε µέχρι σήµερα, η τεχνολογική πρόοδος ήταν ραγδαία και η ψηφιακή τηλεόραση έχει αρχίσει να αναπτύσσεται σε πολύ γοργούς ρυθµούς και να εισέρχεται δυναµικά στην παγκόσµια αγορά και στα τηλεοπτικά δρώµενα, υποσχόμενη να παγιωθεί σε κάθε τηλεοπτικό δέκτη και να µεταµορφώσει τη µικρή οθόνη αλλά και τον ίδιο το χρήστη. Έτσι από παθητικός δέκτης τηλεοπτικών προγραµµάτων που ήταν στο παρελθόν, ο χρήστης αλληλεπιδρά άμεσα με τα τηλεοπτικά προγράμματα έχοντας στη διάθεση του, ταυτόχρονα, πληθώρα υπηρεσιών. Η ψηφιακή ραδιοτηλεοπτική µετάδοση (Digital Video Broadcasting - DVB) είναι το νέο αγγλοσαξονικό αρκτικόλεξο που φιλοδοξεί να µπει στη ζωή µας. Τα αρχικά θυµίζουν, όχι τυχαία, το DVD - Digital Versatile Disc ή κατά ελεύθερη µετάφραση Ψηφιακός Πολυµορφικός Δίσκος. Αν και το ένα αποτελεί υλικό αγαθό ενώ το άλλο οπτικό αγαθό, εντούτοις το κοινό σηµείο ανάµεσα σε αυτές τις δύο τεχνολογίες είναι ότι και οι δύο στοχεύουν στο να µεταφέρουν στις οθόνες µας αρίστης ποιότητας εικόνα, που θα συνοδεύεται από κρυστάλλινο στερεοφωνικό ήχο. Το DVB όµως, φιλοδοξεί να µας προσφέρει ακόµα περισσότερες καινοτοµίες και να αλλάξει ριζικά τις τηλεοπτικές µας συνήθειες. Προκειµένου να γίνει πιο κατανοητή η ανάγκη της εφαρµογής της, είναι σηµαντικό να αναφερθούν τα πλεονεκτήµατα της ψηφιακής τηλεόρασης: Απόλυτη ευκρίνεια και άριστη ποιότητα ήχου Με την MPEG-2 συµπίεση και το στερεοφωνικό ή πολυκαναλικό ψηφιακό ήχο δεν υπάρχουν θόρυβοι, παράσιτα αλλά και θολή εικόνα. 16

17 Βελτιωµένη λήψη Το µειονέκτηµα στην αναλογική τηλεόραση των ανακλάσεων του σήµατος, γνωστό στους τηλεθεατές και ως «είδωλο», που δηµιουργεί παραµόρφωση της εικόνας, στην ψηφιακή τηλεόραση µετατρέπεται σε πλεονέκτηµα. Τα ανακλώµενα σήµατα προστίθενται στο αρχικό σήµα και λειτουργούν µε αθροιστικό τρόπο εξαλείφοντας έτσι το φαινόµενο του «ειδώλου». Αντιθέτως, στην αναλογική τηλεόραση όσο µεγαλύτερη είναι η απόσταση του ποµπού από το δέκτη τόσο το σήµα αποδυναµώνεται, µε αποτέλεσµα να εµφανίζονται τα γνωστά «χιόνια» στην οθόνη της τηλεόρασης. Υποστήριξη πολλών προγραµµάτων από µία συχνότητα ανά κανάλι. Λόγω της συµπίεσης του σήµατος, στην επίγεια ψηφιακή µετάδοση γίνεται καλύτερη αξιοποίηση του φάσµατος συχνοτήτων. Στην αναλογική δεν συµβαίνει το ίδιο, στην περίπτωση αυτή µόνο ένα πρόγραµµα µπορεί να εκπέµπεται από κάθε ένα κανάλι, ενώ η επίγεια ψηφιακή µπορεί να υποστηρίξει αρκετά περισσότερα. Επί παραδείγµατι, στο κανάλι 48, όπου µέχρι πρότινος λαµβάναµε το πρόγραµµα της ΕΤ1 µε αναλογικό τρόπο, σήµερα µε την ψηφιοποίηση του σήµατος βλέπουµε τέσσερα διαφορετικά κανάλια (pris, sport+, cine+ και ΡΙΚ) στην ίδια ακριβώς συχνότητα. Αµφίδροµες και διαδραστικές υπηρεσίες Η ψηφιακή τηλεόραση δίνει τη δυνατότητα στον τηλεθεατή να παρεµβαίνει στη διαµόρφωση του προγράµµατος, µε κύρια τεχνολογικά χαρακτηριστικά την διαδραστικότητα και τον ετεροχρονισµό. Σταδιακά, θα µπορούµε να παρεµβαίνουµε σε αυτό που βλέπουµε, όπως µε το να ψηφίσουµε σε κάποια ζωντανή εκποµπή, να επιλέγουµε το πρόγραµµα που θέλουµε να δούµε την ώρα που θέλουµε να το δούµε, ή και ακόµα να προγραµµατίζουµε τις διάφορες αγορές µας. 17

18 Επίσης, ο τηλεθεατής θα έχει τη δυνατότητα να παραλάβει κυριολεκτικά την καρέκλα του σκηνοθέτη και να επιλέξει, για παράδειγµα, την κάµερα από την οποία θα παρακολουθήσει το στιγµιότυπο ενός ποδοσφαιρικού αγώνα ή να δει το σκορ, τα στατιστικά, ένα replay, ακόµα και να «παγώσει» την εικόνα! Ο τοµέας προγραµµατισµού των καναλιών θα εξασθενήσει, καθώς ο τηλεθεατής θα είναι εκείνος πλέον που θα επιλέγει το «πως» αλλά και το «πότε» θα δει µία εκποµπή. Οι επιλογές του θεατή θα γίνονται µε τη βοήθεια ενός τηλεχειριστηρίου που θα θυµίζει σε κάποιο βαθµό το σηµερινό τηλεχειριστήριο αλλά θα έχει πολλές επιπλέον δυνατότητες. Τον ρόλο του βοηθού σε κάθε επιλογή θα παίζει ο Ηλεκτρονικός Οδηγός Προγράµµατος (Electronic program guide - ΕΡG), ένα είδος εξελιγµένηςτηλεκειµενογραφίας (Teletext) µε εικόνες και πολλές δυνατότητες αµφίδροµων λειτουργιών. Ουσιαστικά πρόκειται για µια εφαρµογή µε σκοπό την παροχή πληροφοριών για το τηλεοπτικό πρόγραµµα του κάθε ψηφιακού καναλιού. Προσφέρει σύντοµη περιγραφή του προγράµµατος που παρακολουθεί ο τηλεθεατής όπως τίτλο, είδος εκποµπής, περίληψη, διάρκεια, συντελεστές αλλά και πληροφορίες για το πρόγραµµα των επόµενων ωρών και ηµερών. Επιπλέον, παρέχει τη δυνατότητα προγραµµατισµού εγγραφής για εκποµπές που επιθυµεί να παρακολουθήσει ο τηλεθεατής σε µεταγενέστερο χρόνο, όπως επίσης και ενεργοποίησης άλλων υπηρεσιών όπως υποτιτλισµού, περιορισµού πρόσβασης µε βάση το περιεχόµενο εκποµπών, κ.λπ. Επιλογή του εξελιγµένου τηλεκειµενογράφου, Teletext Το Teletext εκπέµπεται κωδικοποιηµένα στο σήµα του τηλεοπτικού σταθµού µεταδίδοντας διάφορες πληροφορίες όπως ειδήσεις, µετεωρολογικές προβλέψεις, χρήσιµα τηλέφωνα, ανακοινώσεις καναλιών, το πρόγραµµα του εκάστοτε σταθµού, αποτελέσµατα τυχερών παιχνιδιών κ.λ.π. Με την υπηρεσία αυτή ο χρήστης επιλέγει τη σελίδα που θέλει να διαβάσει πληκτρολογώντας τον τριψήφιο αριθµό στο τηλεχειριστήριο της τηλεόρασής του και αφού γίνει η ανίχνευση από την συσκευή της επιλεγµένης σελίδας, είναι σε θέση να το δει. 18

19 1.2 Ψηφιακή τηλεόραση Ψηφιοποίηση και Συμπίεση σημάτων Τα συστήµατα έγχρωµης τηλεοράσεως PAL, SECAM και NTSC µε συχνότητα πεδίου 50 και 60 Hz έχουν παραµείνει σε αναλογική µορφή από την ανάπτυξη τους εδώ και περίπου 40 χρόνια. Η ψηφιακή τεχνολογία αν και έχει κατακλύσει όλους τους τοµείς της βιοµηχανίας των ηλεκτρονικών, εντούτοις δεν µπόρεσε να εισέλθει όλα αυτά τα χρόνια δυναµικά στο χώρο της τηλεοπτικής τεχνικής. Η καθυστέρηση αυτή οφείλεται κυρίως στους εξής λόγους : Η τεχνολογία των ηµιαγωγών πρόσφατα κατάφερε να ικανοποιεί τις απαιτήσεις της επεξεργασίας σήµατος στην τηλεόραση. Στις περισσότερες εφαρµογές των τηλεοπτικών συστηµάτων τα αναλογικά ηλεκτρονικά κάνουν καλά την δουλειά τους. Στην τηλεόραση κάθε καινοτοµική αλλαγή έχει απαιτήσεις συµβατότητας µε το υπάρχον τηλεοπτικό σύστηµα. Στο τέλος της δεκαετίας του 1980 η σύγκλιση των τεχνολογιών της πληροφορικής, των τηλεπικοινωνιών, της ψηφιοποίησης του σήµατος βίντεο, καθώς επίσης και η ανάπτυξη των δικτύων Η/Υ σε αποµακρυσµένες περιοχές, έχουν ωθήσει τις επικοινωνιακές εταιρείες να βρουν τρόπους ώστε να επιτευχθεί η µετάδοση του ψηφιακού σήµατος βίντεο από τα υπάρχοντα δίκτυα δεδοµένων. οποίων είναι : Η ψηφιοποίηση του σήµατος video έχει πολλά πλεονεκτήµατα, τα κυριότερα εκ των Η µικρή ευαισθησία των ψηφιακών σηµάτων στο θόρυβο. Τα αναλογικά σήµατα σε αντίθεση µε τα ψηφιακά επηρεάζονται από κάθε θόρυβο που µεταβάλλει το πλάτος, τη συχνότητα και τη φάση τους. 19

20 Σήµερα, µε τα ψηφιακά σήµατα παρέχονται περισσότερες δυνατότητες για την επεξεργασία τους σε αντίθεση µε τα αναλογικά, όπως για παράδειγµα η αποθήκευση τους. Υψηλή ποιότητα εικόνας και ήχου. Δυνατότητα λήψης πολλών καναλιών, που αυτό έχει ως αποτέλεσµα το χαµηλότερο κόστος διανοµής ανά πρόγραµµα. Αυξηµένη δυνατότητα επιλογής τόσο των προγραµµάτων όσο και των υπηρεσιών. Όµως, η ψηφιοποίηση του σήµατος video έχει και κάποια µειονεκτήµατα, τα οποία επισημαίνονται παρακάτω: Απαίτηση για µεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων από το κανάλι µετάδοσης. Το ψηφιοποιηµένο οπτικό σήµα απαιτεί, χωρίς συµπίεση, ρυθµό µετάδοσης της τάξεως των 250 Mbit/s για τη συµβατική τηλεόραση, και 1200 Mbit/s για την τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας. Τα µεταδιδόµενα αναλογικά σήµατα πρέπει πρώτα να µετατραπούν σε ψηφιακά στον ποµπό και στη συνέχεια να µετατραπούν σε αναλογικά από την πλευρά του δέκτη. Με τη ψηφιακή µετάδοση δεν υπάρχει συµβατότητα µε τις ήδη αναλογικές εγκαταστάσεις που είναι σε λειτουργία. Στις µέρες µας, η ύπαρξη αποτελεσµατικών λόγων συµπιέσης του ψηφιακού σήµατος σε λόγους που είναι δυνατόν να ξεπεράσουν το 100:1, ανάλογα µε την επιθυµητή ποιότητα της εικόνας, παρέχει τη δυνατότητα να χρησιµοποιηθεί αποτελεσµατικά και οικονοµικά η ψηφιακή τεχνολογία στην επεξεργασία της εικόνας. Η εισαγωγή καλύτερων αλγόριθµων συµπίεσης επιτρέπει την πιο αποτελεσµατική αλλά και οικονοµική χρήση του φάσµατος των συχνοτήτων. 20

21 Σχήμα 1.1: Αναλογικό και ψηφιακό κανάλι, αντίστοιχα Το πρότυπο συµπίεσης MPEG-2 Η Οµάδα Ειδικών Κινούµενης Εικόνας ή MPEG - Moving Picture Experts Group είναι µια οµάδα εργασίας ISO / IEC, η οποία είναι υπεύθυνη για την ανάπτυξη των τηλεοπτικών και ακουστικών προτύπων κωδικοποίησης. Ένα από τα πρότυπα της οικογένειας MPEG το οποίο αξιοποιείται για τη δηµιουργία τηλεοπτικών σηµάτων είναι το MPEG-2. Το πρότυπο αυτό υποστηρίζει εφαρµογές µε µεγάλες απαιτήσεις στην ποιότητα του video και προσφέρει µεταβλητούς ρυθµούς µετάδοσης από τη στιγµή που ο βαθµός συµπίεσης µεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα µε την πολυπλοκότητα των πλαισίων που κωδικοποιούνται. Έχει καθιερωθεί σε παγκόσµιο επίπεδο ως το πρότυπο για συµπίεση της ψηφιακής τηλεόρασης αφού παρέχει υψηλό βαθµό συµπίεσης διατηρώντας την εικόνα σε υψηλό επίπεδο ποιότητας. Το πρότυπο MPEG-2 σε συνδυασµό µε το πρότυπο Multi Protocol Encapsulation - MPE ενθυλακώνει τα IP δεδοµένα σε ροές µεταφοράς οι οποίες αποστέλλονται µέσω δικτυακών πλατφόρµων DVB. Εκτός από την επίγεια ψηφιακή τηλεόραση το πρότυπο MPEG- 2 αξιοποιείται ακόµα στην δορυφορική τηλεόραση (Satellite Digital TV), στην καλωδιακή τηλεόραση (Cable TV) και στους δίσκους DVD - Digital Video Disk. 21

22 Αρχές λειτουργίας MPEG-2 Συµπίεση Η συµπίεση των δεδοµένων ήχου και video είναι απαραίτητη. Όταν σε ένα αναλογικό σήµα γίνεται δειγµατοληψία, το µέγεθος της ψηφιακής πληροφορίας που δηµιουργείται είναι πολύ µεγάλο. Με τη σωστή χρήση τεχνικών συµπίεσης µειώνεται το µέγεθος, κάτι που έχει σαν αποτέλεσµα τη γρηγορότερη μετάδοση του ψηφιοποιηµένου σήµατος ήχου και video. Υπάρχουν δύο τύποι τεχνικών συµπίεσης: η απωλεστική (Lossy) και η µη απωλεστική (Lossless). Με την απωλεστική συµπίεση αποβάλλεται η πληροφορία που δεν είναι απαραίτητη. Με αυτή την τεχνική επιτυγχάνουµε βαθµό συµπίεσης από 2 µέχρι και 250 φορές. Αντιθέτως, µε την µη απωλεστική τεχνική συµπίεσης γίνεται προσαρµογή της πληροφορίας µε διάφορους αλγόριθµους. Ο βαθµός συµπίεσης σε αυτή την τεχνική είναι πολύ µικρότερος, περίπου από 2 µέχρι και 5 φορές. Σχήμα 1.2: Τύποι συμπίεσης του προτύπου MPEG-2 22

23 Σήµα βασικής ζώνης (baseband signal) Μέχρι και την προηγούµενη δεκαετία η έννοια της ψηφιακής µετάδοσης περιοριζόταν στην απλή ψηφιοποίηση του τηλεοπτικού σήµατος σε ασυµπίεστη παλµοσειρά PCM. Αυτή η µετατροπή κατέληγε σε ένα ψηφιακό σήµα µε ρυθµό µεταφοράς περίπου 270 Mbps. Το ψηφιακό σήµα περιοριζόταν µόνο σε ενσύρµατες υποδοµές καθώς κάθε έννοια ασύρµατης µετάδοσης δεν είχε κανένα πρακτικό αντίκρισµα Με την εισαγωγή των αλγόριθµων συµπίεσης εικόνας MPEG-2 πετυχαίνουµε συµπίεση του σήµατος σε ποσοστά 1:30 ή και ακόµα περισσότερο. Αυτό επιτυγχάνεται µε τον χωρισµό της εικόνας σε blocks, διακριτό µετασχηµατισµό συνηµίτονου και κβάντιση των συντελεστών. Επίσης χρησιµοποιούνται αλγόριθµοι ανίχνευσης και αντιστάθµισης κίνησης ( motion detection / compensation) για να περιγραφούν οι αλλαγές και οι µετακινήσεις των αντικειµένων µεταξύ διαδοχικών καρέ. Το συµπιεσµένο οπτικοακουστικό σήµα φέρει την ονοµασία Βασική Ροή (Elementary Stream - ES). Αυτό µαζί µε τις Βασικές Ροές άλλων προγραµµάτων αλλά και οποιουδήποτε είδους άλλη ψηφιακή πληροφορία (π.χ. δεδοµένα TCP/IP), πολυπλέκεται σε µία ροή µεταφοράς (MPEG-2 Transport Stream) που αποτελεί και το σήµα βασικής ζώνης. Η ροή µεταφοράς περιέχει, εκτός από τις βασικές ροές, πληροφορίες για τις διάφορες υπηρεσίες, έλεγχο περιορισµένης πρόσβασης (Conditional Access), σηµατοδοσία συγχρονισµού και ιδιωτικά δεδοµένα (private data), στα οποία εντάσσονται και τα δεδοµένα IP και περιγράφεται στο παρακάτω σχήµα: Σχήμα 1.3: Πολυπλεξία του προτύπου MPEG 2 23

24 Ροή µεταφοράς MPEG-2 Το πρότυπο MPEG-2 αποτελεί τη βάση για τη δηµιουργία ροών µεταφοράς MPEG-2 (MPEG-2 TS) οι οποίες περιέχουν πολλαπλές βασικές ροές πακέτων video, ήχου και δεδοµένων. Οι ροές µεταφοράς θα πρέπει να χρησιµοποιούν ηλεκτρικές διεπαφές που να είναι συµβατές µε συστήµατα µετάδοσης για εκποµπή σε επίγεια ευρυεκποµπή. Το πρότυπο MPEG-2 δεν αναφέρεται µόνο στη διαδικασία συµπίεσης του ψηφιακού video και ήχου αλλά και στη διαδικασία συνένωσης αυτών των σηµάτων µαζί µε άλλες πηγές. Το πρότυπο ορίζει τη ροή που προέρχεται από την κωδικοποίηση και την πολυπλεξία και όχι από τη βασική διαδικασία δηµιουργίας της ροής. Το επίπεδο συστήµατος MPEG-2 περιλαµβάνει ένα µηχανισµό που συνενώνει τον κωδικοποιηµένο ήχο και video µε άλλα σήµατα δεδοµένων σε ροές µεταφοράς. Επίσης, επιτρέπει το συνδυασµό (µε την τεχνική της πολυπλεξίας) διαφορετικού αριθµού προγραµµάτων σε µία κοινή ροή µεταφοράς MPEG-2. Η πληροφορία αναφοράς ρολογιού χρησιµοποιείται για να επιτρέψει την ανάκτηση των ρολογιών video και ήχου. Έτσι εξασφαλίζεται ότι ο ήχος, το video και τα δεδοµένα διατηρούνται συγχρονισµένα ακόµα και όταν τα σήµατα µετατρέπονται σε πακέτα. Το επίπεδο συστήµατος επίσης παρέχει πληροφορίες σχετικά µε το πραγµατικό δίκτυο µετάδοσης Network Information Table - ΝIΤ, σχετικά µε τα προγράµµατα που µεταφέρονται Program Allocation Tables - PAT και τους πίνακες Conditional Access Tables - CAT οι οποίοι δίνουν πληροφορίες σχετικά µε τις κωδικοποιηµένες υπηρεσίες. Με αυτές τις δυνατότητες επιτρέπεται σε έναν αποκωδικοποιητή να επιλέξει µια συγκεκριµένη τηλεοπτική υπηρεσία από αυτές που παρέχεται στους τελικούς χρήστες. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται ένας πολυπλέκτης MPEG-2 TS µιας υπηρεσίας όπου τα στοιχεία του ήχου, του video και αυτά των δεδοµένων κωδικοποιούνται και δηµιουργούνται σε ξεχωριστά πακέτα. Τα πακέτα που προκύπτουν είναι πολυπλεγµένα µεταξύ τους και σχηµατίζουν µια τελική ροή µεταφοράς MPEG-2. 24

25 Σχήμα 1.4: Πολυπλέκτης MPEG-2 TS Οι βασικές ροές (ES) δηµιουργούνται από τον κωδικοποιητή και είναι ξεχωριστές για τα σήµατα του video, του ήχου και των δεδοµένων. Οι βασικές ροές πακέτων (PES) αποτελούνται από πακέτα µεταβλητού µήκους και περιέχουν χαρακτηριστικά και πληροφορίες κεφαλίδας. Οι PES είναι ξεχωριστές για το video, τον ήχο και τα δεδοµένα και η δοµή τους παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήµα: Σχήμα 1.5: Δομή ροής MPEG-2 TS 25

26 Η ροή προγράµµατος αποτελεί τη σύνθεση των βασικών ροών πακέτων (PES) ήχου, video και δεδοµένων χρησιµοποιώντας το ίδιο ρολόι αναφοράς. Προορίζεται για εγγραφή και µετάδοση σε ασφαλή κανάλια στα οποία δεν δηµιουργούνται λάθη. Επίσης η ροή προγράµµατος αποτελείται από πακέτα µεταβλητού µήκους. Η ροή µεταφοράς µπορεί να περιέχει µία ή και περισσότερες τηλεοπτικές υπηρεσίες πολυπλεγµένες µαζί µε ανεξάρτητα ρολόγια. Περιέχουν επίσης πακέτα σταθερού µήκους τα οποία προορίζονται για µετάδοση σε κανάλια που επηρεάζονται από λάθη. Στο πακέτο MPEG-2 TS περιέχεται µία κεφαλίδα που έχει µέγεθος 4 bytes στην αρχή του πακέτου µέσα στην οποία περιέχονται τα απαραίτητα δεδοµένα (PID) από τον αποκωδικοποιητή για την αναγνώριση των προγραµµάτων µέσα σε µια συνεχή ροή µεταφοράς. Με την εισαγωγή κενών πακέτων µέσα στη ροή µεταφοράς εξασφαλίζεται ο σταθερός ρυθµός µεταφοράς ακόµα και αν δηµιουργείται από ροές προγράµµατος µεταβλητού ρυθµού. Πολυπλεξία ψηφιακών τηλεοπτικών προγραµµάτων Κατά την πολυπλεξία, ένας απεριόριστος αριθµός ροών µεταφοράς video, ήχου και δεδοµένων πρέπει να συγχρονιστούν µεταξύ τους για να έρθει το επιθυµητό αποτέλεσµα, π.χ. οι υπότιτλοι σε ξένες γλώσσες. Κάθε ροή µεταφοράς τεµαχίζεται σε πακέτα µε χρονικές σφραγίδες. Με την πολυπλεξία πετυχαίνουνε µε µία κοινή ροή µεταφοράς να µεταφέρουµε πολλές διαφορετικές τηλεοπτικές υπηρεσίες στους τελικούς χρήστες. Στο παρακάτω σχήµα,παρουσιάζεται ένα παράδειγµα πολυπλεξίας δύο ροών µεταφοράς: Σχήμα 1.6: Πολυπλεξία δύο δομών μεταφοράς 26

27 Η πολυπλεξία πακέτων πρέπει να πραγµατοποιείται µε συγκεκριµένους κανόνες έτσι ώστε να επιβεβαιώνεται ότι µια ροή µεταφοράς επιτρέπει στον ήχο αλλά και στο video να είναι απόλυτα συγχρονισµένα. Τα πακέτα video, ήχου και δεδοµένων πολυπλέκονται στην τελική ροή µεταφοράς σε σχέση µε το στιγµιαίο ρυθµό µετάδοσης του κάθε ένα. Αυτή η µέθοδος διατηρεί το συγχρονισµό µεταξύ όλων των πηγών που πολυπλέκονται. Αυτό επιτυγχάνεται προγραµµατίζονταςτη µεταφορά των πακέτων χρησιµοποιώντας πολυπλέκτες ροής οι οποίοιεπιβλέπουν τα επίπεδα του καταχωρητή (buffer) ενός υποτιθέµενου αποκωδικοποιητή που ονοµάζεται αποκωδικοποιητής συστήµατος ροής µεταφοράς Transport Stream-System Target Decoder - TS - STD. 1.3 Ψηφιακή Τηλεόραση κατά τα πρότυπα DVB Γενικά Η Ψηφιακή Τηλεοπτική Μετάδοση (Digital Video Broadcasting - DVB) καλύπτει όχι µόνο τη µετάδοση και τη διανοµή του υλικού του τηλεοπτικού προγράµµατος σε ψηφιακή µορφή µέσω διαφόρων µέσων, αλλά και µια σειρά σχετικών χαρακτηριστικών λειτουργιών µε απώτερο σκοπό την αξιοποίηση των ικανοτήτων της τεχνολογίας αυτής. Με βάση τη συµπίεση κατά MPEG-2, η ψηφιακή τηλεοπτική µετάδοση αλλάζει τη βασική δυναµική της βιοµηχανίας τηλεοπτικής µετάδοσης. 27

28 1.3.2 DVB Project Τα µέλη του Ευρωπαϊκού προγράµµατος ψηφιακής ευρείας εκποµπής video (DVB Project) αναπτύσσουν και καταλήγουν σε χαρακτηριστικά και προδιαγραφές τις οποίες υποβάλλουν για έγκριση στη Μικτή Τεχνική Επιτροπή (Joint Technical Committee - JTC). Η µικτή αυτή επιτροπή αποτελείται από το Ευρωπαϊκό Ίδρυµα Τηλεπικοινωνιακών Προτύπων (European Telecommunications Standard Institute - ETSI), την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Ηλεκτροτεχνικής Τυποποίησης (European Committee for Electrotechnical Standardization-CENELEC) και τέλος την Ευρωπαϊκή Ραδιοτηλεοπτική Ένωση ( European Broadcasting Union - EBU ). Στη συνέχεια, τα προτεινόµενα χαρακτηριστικά τυποποιούνται είτε από την CENELEC είτε, στις περισσότερες περιπτώσεις, από το ETSI. Το συνολικό σχέδιο το διαχειρίζονται υπάλληλοι της Ευρωπαϊκής Ραδιοτηλεοπτικής Ένωσης (EBU) στη Γενεύη της Ελβετίας, οι οποίοι εργάζονται αποκλειστικά και µόνο για λογαριασµό των µελών του DVB Project. Το σχέδιο αυτό έχει ήδη γνωρίσει µεγάλη επιτυχία στις µέρες µας, αφού ήδη πάνω από 120 εκατοµµύρια συσκευές λήψης µε το λογότυπο DVB έχουν διατεθεί παγκοσµίως στο ευρύ καταναλωτικό κοινό προς χρήση. Σχήμα 1.7: Το επίσημο λογότυπο του DVB Τον καιρό που πρωτοξεκίνησε το DVB Project, κάθε οµάδα που συµµετείχε συνεισέφερε µε τον δικό της τρόπο µε µια εξειδικευµένη πρόταση. Η Ευρωπαϊκή Ραδιοτηλεοπτική Ένωση (EBU), έχοντας την εµπειρία στην οργάνωση τεχνικών συναντήσεων και δηµοσιεύσεων, µπόρεσε να δηµιουργήσει ένα πλαίσιο µέσα στο οποίο θα λάµβανε χώρα όλο αυτό το project. Σηµαντικό ρόλο διαδραµάτισε όµως και η βιοµηχανία, αφού υιοθέτησε το δόγµα πως τα προτεινόµενα τεχνικά χαρακτηριστικά αξίζουν να υλοποιηθούν µόνο όταν και εάν µπορούν να κατασκευαστούν προϊόντα εύκολα καταναλώσιµα. Για το λόγο αυτό µπορούµε να πούµε πως τα τεχνικά χαρακτηριστικά του DVB, καθοδηγούνται από τον σηµαντικό παράγοντα της αγοράς. Η συνειδητή αυτή προσπάθεια ήταν και αυτή που συνεισέφερε ουσιαστικά στην επιτυχία των DVB προτύπων. 28

29 1.3.3 DVB - Βασικές Αρχές παρακάτω: Η φιλοσοφία του DVB Project βασίστηκε σε κάποιες αρχές οι οποίες συνοψίζονται Το αρχικό έργο ήταν η ανάπτυξη µιας ολοκληρωµένης οµάδας από ψηφιακές δορυφορικές, καλωδιακές και επίγειες τεχνολογίες εκποµπής σε ένα σώµα προτού γίνουν πρότυπα. Τα συστήµατα θα ήταν οι µεταφορείς ενός συνδυασµού εικόνας, ήχου ή µε την µορφή πολυµέσων έτσι ώστε να είναι έτοιµα για SDTV Standard. Definition Television, EDTV - Enhanced Definition Television, HDTV - HighDefinition Television. Το χαρακτηριστικό γνώρισµα των παραπάνω συστηµάτων είναι ότι υποστηρίζουν πολυκαναλικό ήχο. Υπάρχει συµφωνία όλων των εργασιών µε τα πρότυπα που έχουν θεσπίσει σύµφωνα µε το ETSI για τα φυσικά επίπεδα, τη διόρθωση λαθών και τη µεταφορά για κάθε µέσο διανοµής. Θα πρέπει να υπάρχει µία οµοιότητα ανάµεσα στις διαφορετικές πλατφόρµες, όπου είναι αυτό εφικτό, ώστε µε αυτό τον τρόπο να µειωθεί το κόστος τόσο από την πλευρά των κατασκευαστών όσο και από την πλευρά των καταναλωτών. Μόνο στην περίπτωση που δεν έχουµε άλλες επιλογές θα υπάρχουν διαφορές ανάµεσα σε διαφορετικά µέσα παροχής. Το DVB Project δεν θα πρέπει να ανακαλύψει ξανά οτιδήποτε, και θα πρέπει να χρησιµοποιεί τα ήδη υπάρχοντα ανοιχτά πρότυπα, όποτε αυτά και αν είναι διαθέσιµα. 29

30 1.3.4 DVB - Το Πρότυπο Το όλο εγχείρηµα του DVB ξεκίνησε πριν από περίπου 19 χρόνια, και συγκεκριµένα το Σεπτέµβριο του Εκείνο το έτος διάφορες εταιρείες οι οποίες ήταν πρωτοπόρες στον τοµέα της βιοµηχανίας συναντήθηκαν υπό την αιγίδα της Ευρωπαϊκής Ραδιοτηλεοπτικής (Ένωσης European Broadcasting Union - EBU) µε µοναδικό σκοπό να αναπτύξουν προδιαγραφές προς µετάδοση ψηφιακού video σε format MPEG-2 µε χρήση δορυφορικών, επίγειων αλλά και καλωδιακών µέσων µετάδοσης στην περιοχή της Ευρώπης. Από τότε, ένας αξιοσηµείωτος αριθµός συµµετεχόντων από την Άπω Ανατολή καθώς επίσης και από την Αυστραλία προσχώρησαν στην αρχική οµάδα. Αρχικά, αυτοί οι συµµετέχοντες φιλοδοξούσαν να σχεδιαστεί ένα µελλοντικό τηλεοπτικό σύστηµα, το οποίο θα συνδύαζε µια ανοιχτή αρχιτεκτονική µε µια πλήρη διαλειτουργικότητα αλλά θα είχε όµως την προοπτική, ή καλύτερα τις βλέψεις για µελλοντική εµπορική εκµετάλλευση. Το εγχείρηµα αυτό του DVB, έχει αναπτύξει πρότυπες προδιαγραφές οι οποίες θα χρησιµοποιηθούν από όλα τα περιβάλλοντα διανοµής, συµβάλλοντας κατά αυτό τον τρόπο στην εναρµόνιση των µελλοντικών τηλεοπτικών συστηµάτων. Παράλληλα, επιτυγχάνεται η οικονοµία τόσο σε επίπεδο σχεδιασµού συστηµάτων, όσο φυσικά και σε επίπεδο υλοποίησης εξασφαλίζοντας κατά αυτό τον τρόπο την ευκολότερη αποδοχή και από την πλευρά του χρήστη. Για τον καθορισµό του προτύπου DVB και των παραγώγων προτύπων του, αποφασίστηκε ότι για την κωδικοποίηση τόσο των τηλεοπτικών όσο και των ηχητικών σηµάτων όπως επίσης και για την πολυπλεξία τους θα χρησιµοποιούνταν το ήδη παγκοσµίως αποδεκτό πρότυπο MPEG-2, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Το συγκεκριµένο πρότυπο έγινε παγκοσµίως αποδεκτό, και πώς να µην γίνει άλλωστε αφού στη χρήση του προτύπου αυτού, οφείλεται η απόλυτη ευκρίνεια των µεταδιδόµενων εικόνων, συνοδευόµενη από άριστης ποιότητας ήχο. Οι εικόνες µπορούν να είναι ορατές στην τυποποίηση που έχει αναλογία ανάλυσης εικόνας ίση µε 4x3 και στην τυποποίηση ευρείας οθόνης, η οποία έχει αντίστοιχη αναλογία ανάλυσης ίση µε 16x9, ενώ ο ήχος µπορεί να είναι µονοφωνικός, στερεοφωνικός ή ακόµα και πολυφωνικός. Επιπροσθέτως, η καθιέρωση του προτύπου MPEG-2 σε παγκόσµιο επίπεδο συνέβαλε στην αβίαστη µετάδοση των σηµάτων DVB ανάµεσα σε διαφορετικά µέσα, που είναι ανάγκη επιτακτική στο σηµερινό περιβάλλον τηλεπικοινωνιών. Χάρη στη χρήση των πακέτων µεταφοράς MPEG-2 ως γενικευµένο µεταφορέων δεδοµένων (data containers), ένας MPEG-2 συρµός µεταφοράς - και συνεπώς ένα σύστηµα DVB - µπορεί να µεταφέρει σχεδόν οτιδήποτε ψηφιοποιείται, από τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας HDTV, πολλαπλά κανάλια SDTV (ΡAL, SECAM, NTSC, 3 PAL) µέχρι και υψηλής ταχύτητας υπηρεσίες πολυµέσων και δεδοµένων. Τόσο ο χρήστης όσο και ο αποκωδικοποιητής χρειάζονται βοηθητικές πληροφορίες για τη σωστή διαχείριση των διαφορετικών προγραµµάτων. Την ανάγκη αυτή καλύπτει η προδιαγραφή DVB-SI (Digital Video Broadcasting - Service Information), η οποία αποτελεί επέκταση της MPEG-PSI (MPEG - Program Specific Information) προδιαγραφής. Το DVB-SI εµπεριέχεται στο συρµό µεταφοράς, µε τη µορφή 30

31 επιπρόσθετων πακέτων µεταφοράς και µεταφέρει τεχνικές πληροφορίες για την οµαλή λειτουργία των αποκωδικοποιητών ή πληροφορίες ηλεκτρονικών οδηγών προγράµµατος. Υπό την έννοια αυτή, το DVB αποτελεί ένα ιδιαίτερα ευέλικτο πρότυπο ευρείας εκποµπής ψηφιακής τηλεόρασης και όχι µια απλή αντικατάσταση της υπάρχουσας αναλογικής τηλεοπτικής µετάδοσης. Συµπερασµατικά λοιπόν, το Ευρωπαϊκό Πρότυπο Ψηφιακής ευρείας εκποµπής video συγκεντρώνει όλα τα πλεονεκτήµατα της ψηφιακής µετάδοσης τηλεοπτικών σηµάτων. Σχήμα 1.8: Σχηματική απεικόνιση του DVB 31

32 1.3.5 DVB - Στόχοι Ο αρχικός στόχος που έθεσε η οµάδα του DVB ήταν η προτυποποίηση ενός συστήµατος που να εξασφαλίζει: Μετάδοση τηλεοπτικής εικόνας υψηλής ευκρίνειας (HDTV). Μετάδοση τηλεοπτικής εικόνας τυπικής ευκρίνειας (SDTV) σε διαύλους στενής ζώνης. Λήψη τηλεοπτικού προγράµµατος από φορητούς, χαµηλού κόστους δέκτες. Λήψη τηλεοπτικού προγράµµατος από δέκτες τοποθετηµένους σε οχήµατα, ακόµα κι αν αυτά κινούνται µε υψηλή ταχύτητα. Σταθερή ποιότητα υπηρεσίας ακόµα και σε διαύλους µε έντονες διαλείψεις και υπό την παρουσία παρεµβολών. Σταθερή ποιότητα υπηρεσίας σε µια καλά ορισµένη περιοχή κάλυψης. Δυνατότητα διανοµής του περιεχοµένου από υφιστάµενα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Στην πορεία, το DVB µετεξελίχθηκε σε ένα ολοκληρωµένο πρότυπο για την ευρεία εκποµπή ψηφιακού περιεχοµένου, και συγκεκριµένα από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι νέοι στόχοι που έθεσε το DVB εκ νέου ήταν: Ο πολλαπλασιασµός των τηλεοπτικών προγραµµάτων που θα µπορούν να µεταδοθούν, στο ίδιο εύρος συχνοτήτων που διατίθεται για εκποµπή ενός προγράµµατος αναλογικής τηλεόρασης. Η υποστήριξη εκποµπής ραδιοφωνικού προγράµµατος. Η υποστήριξη δυνατότητας µεταφοράς δεδοµένων (για ενηµέρωση, ψυχαγωγία κτλ.). Η δυνατότητα µεταβαλλόµενης ποιότητας ήχου και εικόνας. Υποστήριξη συνδροµητικών υπηρεσιών. Υποστήριξη δια δραστικών υπηρεσιών (απαιτείται η ύπαρξη καναλιού επιστροφής). Πρόσβαση στο διαδίκτυο µέσω της τηλεοπτικής συσκευής. 32

33 Το έτος 2000 ο στόχος του DVB επαναπροσδιορίστηκε, ώστε πλέον να αποσκοπεί στην ανάπτυξη ενός δικτύου παροχής ψηφιακού περιεχοµένου, που να συνδυάζει τη σταθερότητα και τη δια λειτουργικότητα ενός δικτύου ευρείας εκποµπής µε τη σθεναρότητα, την καινοτοµία και την ποικιλία εφαρµογών του διαδικτύου. Στο παρακάτω σχήµα (Σχ. 3.11) παρουσιάζεται η χρονική εξέλιξη των προτύπων DVB. Σηµειώνεται ότι στην Αµερική και την Ιαπωνία έχουν αναπτυχθεί τα συστήµατα ATSC - Advanced Television Systems Committee και ISDB-T -Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial, αντίστοιχα, που είναι παρόµοια µε το DVB. Σχήμα 1.9: Χρονική εξέλιξη των προτύπων DVB DVB - Προσδοκίες και Πορεία Η δηµιουργία του DVB είχε σαν στόχο την παροχή ενός συνόλου από ανοιχτούς αλλά και κοινούς τεχνικούς µηχανισµούς µε τους οποίους οι ψηφιακές τηλεοπτικές εκποµπές θα µπορούσαν να παραδοθούν στους καταναλωτές βασισµένες σε ένα εύρος από τηλεοπτικής βάσης επιχειρήσεις. Καθώς µερικές εταιρίες - µέλη του DVB είχαν προχωρήσει αρκετά, ώστε να αρχίσουν λειτουργία επί πληρωµή τηλεόρασης βασισµένη σε συστήµατα ψηφιακής δορυφορικής µετάδοσης στην Ευρώπη, η διοικητική επιτροπή (Digital Video Broadcasting - Steering Board -DVB - SB) προσδοκούσε µία γρήγορη µετάβαση από τις αναλογικές στις ψηφιακές µεταδόσεις για τις δορυφορικές εκποµπές, οι οποία θα ακολουθούνταν από µια πιο αργή µετάβαση στα καλωδιακά δίκτυα. Λόγω της απουσίας επιχειρηµατικών σχεδίων για τη µετάβαση στα επίγεια δίκτυα, η διοικητική επιτροπή DVB - SB ανέµενε µια πολύ πιο αργή κίνηση προς την επίγεια ψηφιακή τηλεόραση. Το χρονικό «παράθυρο» για την επίγεια µετάβαση αναµενόταν να καλύψει µια περίοδο 10 έως 15 ετών. 33

34 Οι προδιαγραφές για τη δορυφορική, καλωδιακή και επίγεια µετάδοση οριστικοποιήθηκαν κατά τα πρώτα χρόνια του DVB Project. Μετά την υιοθέτηση αυτών των προδιαγραφών ως ευρωπαϊκά πρότυπα απ το ETSI, οι αρχικοί στόχοι του project είχαν γίνει ήδη αντιληπτοί. Τότε, όµως, έγινε ξεκάθαρο ότι η µετάβαση από την αναλογική στην ψηφιακή τηλεόραση δεν ήταν τόσο οµαλή όσο πολλά µέλη είχαν αντιληφθεί στο ξεκίνηµα της εργασίας προτυποποίησης. Η πρόσβαση κατά συνθήκη δηµιούργησε περαιτέρω εργασία που συνδέθηκε µε τα επιχειρησιακά µοντέλα ενός αριθµού εταιριών µελών και η ιδέα της δια δραστικότητας ανάγκασε το DVB Project να προχωρήσει πολύ περισσότερο από το αρχικό του αντικείµενο και να εισέλθει σε µία περιοχή προδιαγραφών οι οποίες είχαν άµεση επίδραση όχι µόνο στα επιχειρησιακά µοντέλα των εταιριών µελών αλλά ακόµη και στις πραγµατικές εργασίες τους. Περαιτέρω, το DVB υπάρχει σε ένα κόσµο όπου οι τεχνολογίες σύγκλισης και οι αγορές εκποµπής, τηλεπικοινωνίες και ΙΤ θα θολώσουν εάν δεν εξαλείψουν τα παραδοσιακά σύνορα µεταξύ αυτών των κάποτε ξεχωριστών πεδίων. Παρόλο που δεν είναι εφικτό για το DVB να προσπαθήσει να καλύψει όλες τις τεχνολογίες ολοκληρωµένα αυτής της συγκλίνουσας περιοχής, το DVB δηµιουργήθηκε ώστε να είναι πραγµατική αξία για τις συµβαλλόµενες οµάδες και κατά συνέπεια θα πρέπει να κινηθεί περαιτέρω έξω από τον αρχικό χώρο τεχνολογίας της παραδοσιακής εκποµπής. Για τους λόγους αυτούς και µε το πέρασµα των χρόνων η λογική του DVB έχει αλλάξει δραµατικά και το µέλλον θα δείξει πόσο συναφείς θα είναι οι προδιαγραφές που δηµιουργήθηκαν από το DVB Project. Ένα σηµαντικό συµπέρασµα, όµως, είναι ξεκάθαρο, όπου µέσα από την συνεργασία όλων των συµµετεχόντων στην αλυσίδα αξίας ευρείας εκποµπής, το DVB Project έχει κατακτήσει ηγετική θέση στον κόσµο σαν ένα σώµα καθορισµού προτύπων που βασίζονται σε απαιτήσεις της αγοράς. Το DVB Project καταφέρνει συνεχώς να δηµιουργεί προσπάθειες συνεργασίας, ώστε µε αυτό τον τρόπο να ξεπερνιούνται οι όποιες αντικρουόµενες οπτικές στα επιχειρησιακά µοντέλα των εταιριών - µελών. 34

35 1.4 Συστήµατα Ψηφιακής Τηλεόρασης Η ευρεία εκποµπή ψηφιακού ήχου και video µπορεί να γίνει χρησιµοποιώντας διαφορετικά πρότυπα ανάλογα φυσικά µε το µέσο το οποίο χρησιµοποιείται για τη µετάδοση και το δέκτη που παραλαµβάνει την εκπεµπόµενη ροή των δεδοµένων. Τα πρότυπα τα οποία έχουν καθιερωθεί για τις περιπτώσεις αυτές είναι τα εξής: DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) : Είναι η έκδοση 1ης γενιάς του ψηφιακού δορυφορικού συστήµατος. Εφαρµόζεται στην µετάδοση και λήψη ψηφιακού τηλεοπτικού σήµατος µέσω δορυφόρων, ενώ χρησιµοποιεί την συµπίεση MPEG- 2. Ο απαιτούµενος εξοπλισµός περιλαµβάνει: LNB - Low Noise Block Downconverter, κάτοπτρο και ψηφιακό δορυφορικό δέκτη. DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Satellite 2) : Είναι η προδιαγραφή για την έκδοση 2 ης γενιάς του ψηφιακού δορυφορικού συστήµατος DVB. DVB-C (Digital Video Broadcasting - Cable) : Εφαρµόζεται σε επίγειες ενσύρµατες µετάδοσης ψηφιακών τηλεοπτικών προγραµµάτων. Το εύρος συχνοτήτων περιορίζεται στα 8MHz αλλά το εύρος δεδοµένων παραµένει στα 38Mbit/s. Λόγω της απαίτησης ενσύρµατου δικτύου η µετάδοση ψηφιακού τηλεοπτικού σήµατος µέσω του πρότυπου DVB-C µέχρι σήµερα είναι αδύνατη στην Ελλάδα. DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) : Εφαρµόζεται για την µετάδοση επίγειων ψηφιακών σηµάτων. Οριστικοποιήθηκε το 1997 και χρησιµοποιεί τις µπάντες των VHF και UHF. Το εύρος ανά κανάλι είναι στα 8MΗz και το εύρος δεδοµένων είναι στα 38Mbit/s. DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2) : Εφαρµόζεται για την µετάδοση επίγειων ψηφιακών σηµάτων. Οριστικοποιήθηκε το 2008 και είναι η επόµενη γενιά του προτύπου DVB-T. 35

36 DVB-H (Digital Video Broadcasting Handheld) : Ένα εύκαμπτο αλλά και ισχυρό ψηφιακό επίγειο σύστημα που έχει πρόσφατα αναπτυχθεί. Το σύστημα προορίζεται να είναι αποδεκτό στους φορητούς δέκτες. Αποτελεί προέκταση του επίγειου προτύπου DVB-T, το οποίο χρησιμοποιεί τα επίγεια ψηφιακά δίκτυα εκπομπής. Τα παραπάνω πρότυπα ουσιαστικά καθορίζουν το φυσικό στρώμα και το στρώμα συνδέσεων στοιχείων ενός συστήματος διανομής. Οι συσκευές αλληλεπιδρούν με το φυσικό στρώμα μέσω μιας σύγχρονης παράλληλης διεπαφής της σύγχρονης τμηματικής διεπαφής ή της ασύγχρονης τμηματικής διεπαφής. 36

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ DVB-T KAI DVB-H 2.1 Εισαγωγή Η ταχύτατη ανάπτυξη που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια στον τομέα της ψηφιακής επεξεργασίας και αποστολής δεδομένων είχε ως αποτέλεσμα την ολοένα και αυξανόμενη επιθυμία των επιχειρήσεων που ασχολούνται με την εκπομπή σημάτων ήχου και εικόνας, για τη δημιουργία ενός προτύπου που θα καθιστούσε πρακτική και ταυτόχρονα οικονομική την ψηφιακή μετάδοση του τηλεοπτικού σήματος.η επιτροπή του DVB ( Digital Video Broadcasting) δημιούργησε διάφορα πρότυπα που θέτουν τις βασικές αρχές κάθε περιοχής ψηφιακής μετάδοσης. Tο συδκεκριμένο επικεντρώνεται στη μελέτη των προτύπων της επίγειας και φορητής ψηφιακής τηλεοράσης (DVB-T και DVB-H). Το DVB-T είναι το Ευρωπαικό πρότυπο για τη μετάδοση του επίγειου ψηφιακού τηλεοπτικού σήματος. Έχει σχεδιαστεί να μεταδίδει φηφιακούς συρμούς δεδομένων ήχου και εικόνας χρησιμοποιώντας την OFDM διαμόρφωση με κωδικοποίηση καναλιού. Το DVB-H (Digital Video Broadcasting Handhelds) είναι το πρότυπο που αναπτύχθηκε για να υποστηρίξει εκπομπή ψηφιακού βίντεο σε κινητούς δέκτες και αποτελεί μία προέκταση του DVB-T. 2.2 Το πρότυπο DVB-T Η υπόθεση της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης βαίνει καλώς στην Ευρώπη, αφού ήδη σε έξι χώρες έχει παύσει τελείως η µετάδοση της αναλογικής τηλεόρασης. Το προηγούµενο έτος (2009) ξεκίνησαν οι µεταδόσεις σε χώρες όπως η Ιρλανδία και η Πορτογαλία, ανεβάζοντας τον αριθµό των κρατών όπου έχει ξεκινήσει η επίγεια ψηφιακή τηλεόραση, σε 27. Το γεγονός ότι η επίγεια ψηφιακή προσφέρεται χωρίς συνδροµή δείχνει να συµβάλλει καθοριστικά στη γρήγορη διάδοση της ψηφιακής τηλεόρασης στη Γηραιά Ήπειρο. Από το σύνολο των περίπου 500 καναλιών που εκπέµπονται σε επίγειες ψηφιακές πλατφόρµες µόνο το 7% είναι δηµόσια ενώ το υπόλοιπο 93% είναι ιδιωτικά. Στα δηµόσια έχει αποδοθεί το 25% της χωρητικότητας στα εν ισχύ multiplexes και το υπόλοιπο 75% έχει αποδοθεί στα ιδιωτικά. Τα σχετικά στοιχεία περιλαµβάνονται στη βάση στατιστικών δεδοµένων για την ευρωπαϊκή τηλεοπτική αγορά µε το όνοµα MAVISE, η οποία έχει δηµιουργηθεί από το Ευρωπαϊκό Οπτικοακουστικό Παρατηρητήριο (EAO - European Audiovisual Observatory) κατόπιν αιτήµατος της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Στην εν λόγω βάση περιέχονται στοιχεία για συνολικά 5587 κανάλια που εκπέµπουν στις 29 ευρωπαϊκές χώρες που καλύπτει (τα 27 κράτη-µέλη της Ε.Ε. 37

38 και επιπλέον στις χώρες Τουρκία και Κροατία). Από αυτά τα κανάλια τα 412 εδρεύουν εκτός του ευρωπαϊκού χώρου. Το πρότυπο επίγειας ψηφιακής ευρείας εκποµπής video (DVB-T) σχεδιάστηκε αρχικά για να παρέχει υπηρεσίες σε ακίνητους δέκτες, µε κεραία λήψης τοποθετηµένη στις οροφές κτιρίων, όπως συµβαίνει µε την αναλογική τηλεόραση. Ωστόσο, από τις πρώτες δοκιµές που πραγµατοποιήθηκαν στην Γερµανία το 1997, δόθηκε η εντύπωση ότι το σύστηµα µπορεί να παρέχει υπηρεσίες σε φορητούς δέκτες, σε εσωτερικούς χώρους, σε κινητούς δέκτες, αλλά και σε οχήµατα που είναι εν κινήσει. Το πρότυπο αυτό, εδώ και χρόνια έχει αρχίσει να λειτουργεί µε επικεφαλείς τις µεγάλες χώρες, όπως την Γαλλία, την Αγγλία και την Γερµανία, ενώ όλες οι χώρες είναι υποχρεωµένες να ακολουθήσουν αυτή την πορεία µέχρι το έτος του Το 2012 είναι δηλαδή το έτος όπου θα σταµατήσουν να εκπέµπουν οι αναλογικοί ποµποί τηλεόρασης, ώστε να παραχωρηθούν οι συχνότητες πουκαταλαµβάνουν τώρα σε άλλες υπηρεσίες. Μάλιστα, πολλές χώρες έχουν ολοκληρώσει την µετάβαση τους από την αναλογική τηλεόραση στην επίγεια ψηφιακή αρκετά νωρίτερα, περίπου από το έτος 2008, αφού ήδη καλύπτουν ψηφιακά ολόκληρη την επικράτεια τους. Η πλήρη αντικατάσταση της κλασσικής αναλογικής τηλεόρασης από την επίγεια ψηφιακή τηλεόραση θα έχει ολοκληρωθεί σε λίγο καιρό. Στο παρακάτω σχήµα,απεικονίζονται οι εκτιµώµενες ηµεροµηνίες µετάβασης για το πρότυπο DVB-T, για τις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Πίνακας 2.1: Εκτιμώμενες ημερομηνίες μετάβασης για τις χώρες της Ε.Ε 38

39 Η εφαρµογή καινούργιων τεχνικών συµπίεσης των ψηφιακών σηµάτων επιτρέπει σηµαντικά να µειωθεί το απαιτούµενο εύρος ζώνης για µετάδοση ενός σήµατος µε αποτέλεσµα περισσότερα προγράµµατα να µπορούν να µεταδοθούν στο ήδη υπάρχον διαθέσιµο εύρος συχνοτήτων. Για να γίνει η µετάβαση στην εποχή κατά τέτοιον τρόπο ώστε θα εκπέµπεται µόνο η επίγεια ψηφιακή τηλεόραση και η αναλογική τηλεόραση θα έχει κλείσει, ώστε να µπορέσει µε αυτό τον τρόπο Ευρώπη να αξιοποιήσει τις αρκετές δυνατότητες που της παρέχει η επίγεια ψηφιακή τηλεόραση, ενώ παράλληλα θα καταφέρει να µεγιστοποιήσει τηναποτελεσµατική χρήση όλου του διαθέσιµου φάσµατος συχνοτήτων που χρησιµοποιούνται για µετάδοση. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει να υπάρξει ένα σχέδιο για την εξολοκλήρου µετάβαση στην ψηφιακή τηλεόραση. Αξίζει να σηµειωθεί ότι, οι συµφωνίες που ισχύουν µέχρι και σήµερα για τον σχεδιασµό της τηλεόρασης δεν επαρκούν για την εξολοκλήρου µετάβαση στην ψηφιακή εποχή. Για τον λόγο αυτό δηµιουργείται η ανάγκη να επανεξεταστεί η συµφωνία της Στοκχόλµης του 1961 έτσι ώστε να δηµιουργηθεί ένα νέο πλάνο για τον σχεδιασµό των συχνοτήτων και της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης των χωρών που ανήκουν στην Ευρώπη. Γι αυτό πραγµατοποιούνται σε τακτά χρονικά διαστήµατα διάφορα συνέδρια και συζητήσεις µεταξύ των χωρών - µελών που ανήκουν στο CEPT - European Conference of Postal and Telecommunications Administrations και υπό την επίβλεψη της ITU International Telecommunication Union τα RRC - Regional Radio Conference, µε θέµα τον σχεδιασµό της µετάβασης στα συστήµατα της επίγειας ψηφιακής µετάδοσης (DVB-T, T-DAB - Terrestrial Digital Audio Broadcasting) στην EBA - European Broadcasting Area, στις οποίες βέβαια συµµετέχει και η Ελλάδα, µε εκπροσώπους της ελληνικής κυβέρνησης, της κρατικής τηλεόρασης και των υπεύθυνων µηχανικών για την διαχείριση και κατασκευή του δικτύου, και είναι υποχρεωµένη να υιοθετεί τις όποιες αποφάσεις λαµβάνονται πάνω σε θέµατα τεχνικής αλλά και νοµικής φύσεως που αφορούν στον τρόπο µετάβασης από την αναλογική στην επίγεια ψηφιακή µετάδοση. Σχήμα 2.1: Ο Παγκόσμιος Χάρτης επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (2009) 39

40 2.3 DVB-T - Τρόπος Λειτουργίας Σύµφωνα µε το πρότυπο DVB-T, για την εκποµπή σήµατος απαιτείται ποµπός συµβατός µε το πρότυπο αυτό. Το πρότυπο DVB-T έχει αρκετά τεχνικά χαρακτηριστικά που το κάνουν αρκετά ευέλικτο σύστηµα. Παρακάτω παραθέτονται οι προδιαγραφές του συγκεκριµένου αυτού προτύπου : Έχουµε κωδικοποίηση MPEG-2. Η µετάδοση γίνεται στη ζώνη UHF ή VHF. Μπορεί να λειτουργήσει σε κανάλια µε εύρος ζώνης 6, 7 ή 8 MHz (µε video στα 50Hz ή στα 60Hz). 3 επιλογές Διαµόρφωσης QPSK / 16-QAM / 64-QAM σε σχήµα πολλαπλών ορθογώνιων φερόντων (Coded OFDM). 5 διαφορετικούς ρυθµούς FEC (Forward Error Correction). 4 επιλογές Guard Interval. Concatenated Coding, Convolutional + Block Coding (Συνελικτική + µπλοκ κωδικοποίηση). Ωφέλιµο bit rate από 4.98 Mbps έως Mbps. Στο παρακάτω σχήµα απεικονίζεται το διάγραµµα ενός συστήµατος εκποµπής DVB-T. Σχήμα 2.2: Δομικό διάγραμμα ενός συστήματος εκπομπής DVB-T 40

41 2.3.1 Επιλογές σχετικά με τη μορφή και τον τρόπο λειτουργίας ενός DVB-T δικτύου Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις: Δίκτυα πολλαπλών συχνοτήτων - Multi Frequency Networks (MFNs): Τα συμβατικά σχεδιασμένα δίκτυα DVB-T απαρτίζονται από ανεξάρτητους μεταξύ τους πομπούς που εκπέμπουν σε διαφορετικές συχνότητες διαφορετικά προγράμματα. Το πλήθος των συχνοτήτων που απαιτείται για την κάλυψη μιας περιοχής εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως το είδος της περιοχής, τον πληθυσμό της, τη μετάδοση που θα επιλεγεί. Σχήμα 2.3: Δίκτυα πολλαπλών συχνοτήτων - Multi Frequency Networks (MFNs) Τα MFNs παρουσιάζουν το μειονέκτημα του μεγάλου πλήθους συχνοτήτων που απαιτούν, σε αντίθεση με τον επόμενο τρόπο οργάνωσης ενός DVB-T δικτύου, τα: Δίκτυα Μοναδικής Συχνότητας - Single Frequency Networks (SFNs): Τα δίκτυα SFNs αποτελούνται από πομπούς που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα και εκπέμπουν την ίδια χρονική στιγμή ίδια πληροφορία. Χάρις στην COFDM και με σωστή επιλογή χρόνου guard interval κατά τη μετάδοση, το σήμα που φτάνει από τους διάφορους σταθμούς στο τερματικό δρα αθροιστικά με το χρήσιμο σήμα, ενισχύοντάς το. Είναι φανερή η υπεροχή των δικτύων SFNs λόγω της εξοικονόμησης συχνοτήτων, αλλά και της οικονομίας σε εκπεμπόμενη ισχύ που εξασφαλίζουν. Το τίμημα για την επάρκεια σε συχνότητες και ισχύ είναι η ανάγκη για απόλυτα συγχρονισμένη λειτουργία όλων των πομπών που αποτελούν το SFN. 41

42 Σχήμα 2.4: Δίκτυα Μοναδικής Συχνότητας-Single Frequency Networks (SFNs) MFN με τοπικά SFNs γύρω από κάθε MFN πομπό: Σε ένα MFN που βασίζεται σε ήδη τοποθετημένους πομπούς, μπορεί να γίνει χρήση των πλεονεκτημάτων που προσφέρει η λειτουργία SFN δικτύων. Σχηματίζονται τοπικά SFNs γύρω από κάθε πομπό, γεγονός που εξομαλύνει και βελτιώνει τη λήψη στη συγκεκριμένη περιοχή χωρίς χρήση πρόσθετων συχνοτήτων. Gap-fillers: Στα σημεία που δεν υπάρχει επαρκής κάλυψη, όπως σε κοιλάδες, τούνελ, εσωτερικούς χώρους και άλλα, το DVB-T επιτρέπει την κάλυψη τους με έναν ιδιαίτερα αποτελεσματικό τρόπο, ως εξής: στα σύνορα της μη καλυπτόμενης περιοχής το DVB-T σήμα συλλέγεται από μια κατευθυντική κεραία. Μετά από φιλτράρισμα και ενίσχυση, το σήμα εκπέμπεται (από την ίδια συχνότητα) προσφέροντας επαρκή κάλυψη. 42

43 2.3.2 Κωδικοποίηση Πηγής και Πολυπλεξία Στο πρότυπο DVB - Τ προβλέπεται η υποστήριξη ιεραρχικής διαµόρφωσης µε την οποία δύο ανεξάρτητες - διαφορετικές ροές δεδοµένων MPEG-2 TS µπορούν να διαµορφωθούν και να µεταδοθούν από κοινού. Η µια ροή, καλείται ροή δεδοµένων υψηλής προτεραιότητας (High Priority- HP) και ενσωµατώνεται στην άλλη, που καλείται ροή δεδοµένων χαµηλής προτεραιότητας (Low Priority - LP). Όταν οι συνθήκες λήψης του DVB-T σήµατος είναι καλές, ο δέκτης µπορεί να απόδιαµορφώσει και να αποκωδικοποιήσει και τις δύο ροές. Σε δυσµενείς όµως συνθήκες λήψης, µόνο η HP λαµβάνεται επιτυχώς. Οι δυο ροές δεδοµένων - HP και LP -µπορεί να αντιστοιχούν σε εντελώς διαφορετικές υπηρεσίες ή σε παρόµοιες, για παράδειγµα µπορεί ένας σταθµός να εκπέµπει HDTV στην LP και SDTV, µε το ίδιο περιεχόµενο, στην HP, οπότε, όταν οι συνθήκες λήψης το επιτρέπουν, ο τηλεθεατής παρακολουθεί το πρόγραµµα σε HDTV, ενώ σε δυσµενείς συνθήκες λήψης, παρακολουθεί το ίδιο πρόγραµµα, σε SDTV. Η LP έχει συνήθως υψηλότερο ρυθµό µετάδοσης, αλλά µεγαλύτερη ευαισθησία σε σφάλµατα και παρεµβολές, ενώ η HP µεταδίδεται µε χαµηλότερο ρυθµό µετάδοσης, είναι όµως περισσότερο ανθεκτική. Αρχικά γίνεται η κωδικοποίηση (codification) και η πολυπλεξία (multiplexing) του MPEG-2. Η ροή δεδοµένων video, ήχου και εικόνας κωδικοποιούνται στη µορφή MPEG-2 PS (Program Stream). Στην συνέχεια ένα ή περισσότερα MPEG-2 PS ενώνονται και δηµιουργούν τη νέα µορφή MPEG-2 TS (Transport Stream). Πρόκειται για την βασική ψηφιακή ροή που εκπέµπεται αλλάκαι λαµβάνεται από τις οικιακές συσκευές DVB-T. Οι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων κυµαίνονται από 4,98 Mbits/s µέχρι και 31,67 Mbit/s, η διακύµανση αυτή εξαρτάται από την διαµόρφωση και την κωδικοποίηση που έχει γίνει όπως επίσης και το διάστηµα φύλαξης που έχει υιοθετηθεί. Σχήμα 2.5: Η τεχνική της πολυπλεξίας 43

44 2.3.3 Προσαρµογή Πολυπλεξίας και Διασπορά Ενέργειας Είναι το πρώτο στάδιο επεξεργασίας του σήµατος βασικής ζώνης. Το MPEG-2 TS (Transport Stream) προσδιορίζεται ως µια ακολουθία από πακέτα δεδοµένων προκαθορισµένου µεγέθους της τάξεως των 188 bytes. Εφαρµόζοντας µια τεχνική που καλείται Διασπορά Ενέργειας (Energy Dispersal - ED), ουσιαστικά αυτό που επιτυγχάνουµε είναι µια επίπεδη φασµατική πυκνότητα ισχύος Εξωτερική κωδικοποίηση και συνελικτική διεµπλοκή Στη συνέχεια, πραγματοποιείται εξωτερική κωδικοποίηση (outer coding) η οποία καλείται κωδικοποίηση Reed Solomon. Μια κωδικοπίηση RS χαρακτηρίζεται σαν RS(n,k) με m-bit σύμβολα. Στο DVB ισχύει RS(204,188) χρησιμοποιώντας 8-bit σύμβολα, όπου n είναι ο αριθμός των κωδικοποιημένων συμβόλων σε ένα block και k είναι ο αριθμός των συμβόλων του πρωταρχικού μηνύματος. Η διαφορά n-k (συνήθως ονομάζεται 2t) είναι ο αριθμός των επιπλέον συμβόλων που προστέθηκαν. Οι κώδικες Reed Solomon είναι μη δυαδικοί κώδικες και επιτυγχάνουν τη μέγιστη d min μεταξύ όλων των γραμμικών κωδίκων με τα ίδια (n,k) d min = n k + 1 To μέγιστο πλήθος σφαλμάτων που μπορούν να διορθωθούν είναι : t = ( d min 1 ) / 2 = (n - k ) / 2 Ένας κώδικας Reed-Solomon με ικανότητα διόρθωσης εως t συμβόλων ανά codeword, που προέρχονται από ένα αλφάβητο 2m στοιχείων, έχει παραμέτρους: i. n = 2m 1 ii. k = 2m 1 2t 44

45 Ενώ η πιθανότητα λανθασμένου συμβόλου είναι : Περιορισμοί: i. m: ακέραιος μεταξύ 3 και 16, δηλαδή ο μεγαλύτερος ακέραιος που μπορεί να κωδικοποιηθεί είναι ο 216-1=65535 ii. n: ακέραιος μεταξύ 3 και 2m-1 iii. k: θετικός ακέραιος, μικρότερος του n, τέτοιος ώστε n k : άρτιος. Κατά τη διάρκεια της εξωτερικής κωδικοποίησης γίνεται χρήση μιας τεχνικής που ονομάζεται Εμπρόσθια Διόρθωση Σφαλμάτων, F.E.C (Forward Error Correction). Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, σε κάθε πακέτο μεταφοράς των 188 bytes, προστίθενται 16 bytes πλεονασμού, οπότε προκύπτει ένα πακέτο προστατευμένο από σφάλματα, μήκους 204 bytes. Σχήμα 2.6: Πακέτο προστατευμένο με κωδικοποίηση Reed Solomon Ακολουθεί η τεχνική της συνελικτικής διεμπλοκής, σκοπός της οποίας είναι η αύξηση της απόδοσης της κωδικοποίησης Reed-Solomon. Ο λόγος για τον οποίο απαιτείται αποδοτικότερη προστασία έναντι στα σφάλματα, είναι ότι στα κανάλια μετάδοσης η ποιότητα των σημάτων μεταβάλλεται και είναι δυνατόν ένας μεγάλος αριθμός από δυαδικά ψηφία, ο οποίος υπερβαίνει την δυνατότητα διόρθωσης της κωδικοποίησης RS, να αλλοιωθεί (από πιθανό χτύπημα κεραυνού ή από παρεμβολές ηλεκτρικών συσκευών). Η προστασία κάθε πακέτου μετάδοσης από τέτοιου είδους αλλοιώσεις δεν είναι ιδιαίτερα οικονομική. 45

46 Σε αυτήν την περίπτωση εφαρμόζεται συνελικτική διεμπλοκή, σύμφωνα με την οποία τα δεδομένα αφού κωδικοποιηθούν με την Εμπρόσθια Διόρθωση Σφαλμάτων, τροφοδοτούνται σε μια μνήμη RAM και μεταδίδονται αναδιατεταγμένα (μια πιθανή εκδοχή είναι τα δεδομένα να εισέρχονται στη RAM σε γραμμές και να εξέρχονται σε στήλες). Με τη χρήση μιας δεύτερης RAM κατά τη λήψη, τα δεδομένα τοποθετούνται στην αρχική τους δομή. To αποτέλεσμα της διαδικασίας της διεμπλοκής είναι ότι το συσσωμάτωμα των δυαδικών ψηφίων που έχουν υποστεί σφάλμα μετατρέπεται σε ένα μεγάλο αριθμό ενιαίων εσφαλμένων συμβόλων, τα οποία είναι εύκολα διορθώσιμα. Σχήμα 2.7: Μορφή δεδομένων μετά την διαδικασία προσαρμογής, τυχαιοποίησης, κωδικοποίησης και διεμπλοκής 46

47 2.3.5 Εσωτερική κωδικοποίηση και διεµπλοκή Η εσωτερική κωδικοποίηση ακολουθεί τη συνελικτική διεμπλοκή και τη συμπληρώνει αποδοτικά καθώς διορθώνει άλλου είδους σφάλματα. Ο ισχυρός πλεονασμός που εισάγεται από αυτή (100%, καθώς ο συνελικτικός κωδικοποιητής παράγει δύο ροές εξόδου, καθεμιά με τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης όπως η ροή εισόδου) επιτρέπει μια πολύ ισχυρή διόρθωση λαθών. Αυτό μπορεί να είναι αναγκαίο για σήματα με πολύ χαμηλό λόγο σήματος-προς-θόρυβο (SNR, Signal-to-Noise Ratio) στην είσοδο του δέκτη, αλλά έχει ως αποτέλεσμα τον υποδιπλασιασμό της φασματικής απόδοσης του καναλιού. Ωστόσο, αυτού του τύπου η συνελικτική κωδικοποίηση, επιτρέπει ο πλεονασμός που εισάγεται, να μειωθεί διαμέσου της διάτρησης (puncturing) της εξόδου του συνελικτικού κωδικοποιητή. Αυτός καθιστά δυνατή τη μη λήψη όλων των διαδοχικών bits των ακολουθιών εξόδου, αλλά μόνο ένα από τα δύο ταυτόχρονα bits με ένα συγκεκριμένο λόγο διάτρησης (puncturing ratio). Με αυτό τον τρόπο, είναι πιθανό να επιτευχθούν οι ρυθμοί κώδικα διάτρησης (punctured code rates) που καθορίζονται από το στάνταρ DVB (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ή 7/8), που εκφράζουν το λόγο της εισόδου προς τον εκπεμπόμενο ρυθμό (στην έξοδο). Πίνακας 2.2: Οι έξοδοι Χ και Υ του συνελικτικού κωδικοποιητή επιλέγονται από ένα προσχέδιο διάτρησης (Puncturing pattern) Δεδομένης της ισχύος του αναμεταδότη και του μεγέθους της κεραίας λήψης, ο ρυθμός κώδικα που επιλέγεται από το σταθμό εκπομπής θα αποτελεί ένα συμβιβασμό μεταξύ ενός επιθυμητού ρυθμού μετάδοσης και του τύπου της παρεχόμενης υπηρεσίας. 47

48 2.3.6 Διαμόρφωση και μετάδοση Η διαδικασία της εσωτερικής διεµπλοκής παράγει μια ακολουθία από bits ήδη οργανωµένη σε σύμβολα QAM. Όπως προαναφέρθηκε, τα δυνατά σχήματα διαμόρφωσης είναι: QPSK (2 bits/symbol), 16QAM (4 bits/symbol) και 64QAM (6 bits/symbol) και χρησιμοποιεί απεικόνιση κατά Gray Gray mapping. Τα διαγράµµατα αστερισμού (constellation maps) για κάθε τύπο διαμόρφωσης είναι τα εξής : Σχήμα 2.8: Τα διαγράμματα αστερισμού (constellation maps) για κάθε τύπο διαμόρφωσης Τα σύμβολα ομαδοποιούνται και μεταδίδονται ταυτόχρονα µε τη χρήση πολυπλεξίας OFDM. Κάθε σύμβολο OFDM αποτελείται από ένα σύνολο N=6817 ("8k mode") ή 1705 ("2k mode") φερόντων και μεταδίδεται µε διάρκεια TS=896µsec και TS=224µsec αντίστοιχα. Η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών φερόντων είναι f=1116hz και f=4464hz για τις δύο καταστάσεις λειτουργίας αντίστοιχα. Η ορθογωνιότητα μεταξύ των φερόντων εξασφαλίζεται από το γεγονός ότι f=1/ts πάντα. Με τη συνθήκη αυτή, η διάταξη των φερόντων αποκτά τη μορφή του παρακάτω σχήματος : 48

49 Σχήμα 2.9: Διάταξη των φερόντων κατά την διάρκεια διαμόρφωσης ενός σήματος Το συνολικό εύρος ζώνης του σήματος DVB-T ανέρχεται στα 7.61MHz για ονομαστική κατάσταση λειτουργίας 8 MHz, ενώ προβλέπονται και καταστάσεις λειτουργίας των 7 και 6 MHz. Το κάθε σύμβολο OFDM αποτελείται από δύο μέρη: ένα ωφέλιμο τµήµα µε διάρκεια TU και ένα διάστημα φρούρησης (guard interval), µε διάρκεια D. Το διάστημα φρούρησης αποτελείται από μια κυκλική επανάληψη του ωφέλιμου τµήµατος, και εισάγεται πριν από αυτό. Σχήμα 2.10: Κυκλική επανάληψη του ωφέλιμου τμήματος (Guard Interval) 49

50 68 διαδοχικά σύμβολα OFDM αποτελούν ένα πλαίσιο OFDM (OFDM frame), ενώ τέσσερα διαδοχικά πλαίσια αποτελούν ένα υπέρ-πλαίσιο OFDM (OFDM super-frame). Σχήμα 2.11: Αρχιτεκτονική ενός OFDM super-frame Μέσα σε κάθε σύμβολο OFDM, οι πληροφορίες που μεταφέρονται από τα φέροντα μπορεί να είναι είτε δεδομένα, είτε πληροφορίες συγχρονισμού και γενικώς δεδομένα χρήσιμα για την καλή λειτουργία του δέκτη. Τα φέροντα που δεν φέρουν πληροφορία διακρίνονται σε: ιεσπαρµένα φέροντα-πιλότους (scattered pilot carriers). Αυτά εκπέμπουν εκ περιτροπής ένα δεδομένο σήμα, το οποίο γνωρίζει ο δέκτης. Μετρώντας την ισχύ των φερόντων αυτών, ο δέκτης μπορεί ανά πάσα στιγμή να σχηματίσει μια εκτίμηση της απόκρισης συχνότητας (frequency response) του καναλιού. Σταθερά φέροντα-πιλότους (continual pilot carriers). Αυτά κατέχουν σταθερή θέση μέσα στο σύμβολο. Φέροντα σηµατοδοσίας παραµέτρων μετάδοσης (TPS Transmission Parameter Signaling carriers). Αυτά κατέχουν επίσης σταθερή θέση μέσα στο σύμβολο, και πληροφορούν στη το δέκτη για τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται μετάδοση (ρυθμός κωδικοποίησης, διάρκεια διαστήματος φρούρησης, τύπος διαμόρφωσης), ούτως ώστε ο δέκτης να μπορεί να προσαρμόζεται αυτόματα. 50

51 2.3.7 Pilot TPS signals Τα σύμβολα που αναφέρονται ως Transmission-Parameter signaling pilots επιτρέπουν τη μετάδοση πρόσθετων πληροφοριών με τη βοήθεια των οποίων εξασφαλίζεται ο χρονικός συγχρονισμός. Επιπλέον μεταφέρουν πληροφορίες σχετικές με τις παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τη μετάδοση, όπως τη διαμόρφωση που χρησιμοποιείται, QPSK, 16- QAM ή 64-QAM, τον κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων, Σχήμα 2.12: Διαχωρισμός του καναλιού στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας Σχήμα 2.13: Εισαγωγή sub-carrier Σχήμα 2.14: Εισαγωγή Guard Interval 51

52 τη διάρκεια του guard interval, το πλήθος των carries (2k ή 8k). Οι θέσεις τους μέσα στο πλαίσιο μετάδοσης είναι καθορισμένες. Η βασική ιδέα που οδήγησε στη χρήση της COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) προέρχεται από την παρατήρηση ότι το σήμα εξασθενεί σημαντικά κατά την επίγεια διάδοσή του. Επίσης η συμπεριφορά του καναλιού μετάδοσης δεν είναι ίδια για κάθε μια από τις διαφορετικές υπο-συχνότητες στις οποίες έχει διαιρεθεί το αρχικό φάσμα. Εξαιτίας του συνολικά λαμβανόμενου σήματος (ωφέλιμο σήμα + ηχώ) η ενέργεια του σήματος που λαμβάνεται τελικά από τον πομπό μπορεί να είναι ελάχιστη ή αντίθετα περισσότερη από την εκπεμπόμενη. Σχήμα 2.15: Δείκτες συγχρονισμού Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, σε πρώτη φάση η πληροφορία διαχέεται και εκπέμπεται από ένα τεράστιο πλήθος κοντινών συχνοτήτων (διαίρεση συχνότητας, πλήθος συχνοτήτων 2k ή 8k, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας). Στη συνέχεια, λόγω των απωλειών που θα υποστεί η πληροφορία κατά την επίγεια μετάδοση ακολουθεί η προστασία της όπως αυτή περιγράφηκε παραπάνω. Η COFDM έχει αποδειχτεί ο πιο αποτελεσματικός τρόπος προστασίας του εκπεμπόμενου σήματος, τόσο από την ηχώ του περιβάλλοντος όσο και από σήμα που προέρχεται από τους υπόλοιπους σταθμούς του ίδιου SFN. 52

53 2.3.8 Χαρτογραφητής - Mapper Σε ένα πλαίσιο OFDM όλα τα φέροντα διαµορφώνονται είτε µε Ορθογώνια Μεταλλαγή Ολίσθησης Φάσης (Quadrature Phase Shift Keying - QPSK), είτε µε Ορθογώνια Διαµόρφωση κατά Πλάτος (Quadrature Amplitude Modulation - QAM). Οι αστερισµοί διαφοροποιούνται από τον παράγοντα διαµόρφωσης α, ο οποίος ορίζεται ως : Ανάλογα µε το είδος διαµόρφωσης που επιλέγεται για να διαµορφωθούν οι φέρουσες του OFDM, το ρυθµό εσωτερικής κωδικοποίησης και το διάστηµα προστασίας, µεταβάλλεται και ο ρυθµός µετάδοσης που επιτυγχάνεται. QPSK: Οι ρυθµοί µετάδοσης που επιτυγχάνονται κυµαίνονται από: 5Mbps 10Mbps 16 - QAM: Οι ρυθµοί µετάδοσης που επιτυγχάνονται κυµαίνονται από: 10 Mbps 21Mbps QAM: Οι ρυθµοί µετάδοσης που επιτυγχάνονται κυµαίνονται από: 14 Mbps 31Mbps. Παρατηρούµε ότι στις παραπάνω διαµορφώσεις υπάρχει µία διακύµανση των ρυθµών µετάδοσης, αυτό ουσιαστικά οφείλεται στην επιλογή του code rate και του guard interval. 53

54 Πίνακας 2.3: Διαθέσιμοι ρυθμοί μετάδοσης για σύστημα DVB-T σε κανάλι 8 MHz Στο παραπάνω σχήµα περιγράφονται ο χρήσιµος ρυθµός µετάδοσης bit (Mbps) για όλους τους συνδυασµούς διαστήµατος φύλαξης, διαµόρφωσης υπόφέροντος και ρυθµού κώδικα για µη ιεραρχικά συστήµατα µε 8 MHz κανάλια. Ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά του διαύλου όπως: χαρακτηριστικά εδάφους και χρησιµοποίηση φάσµατος από άλλες υπηρεσίες, προκύπτει µε βάση τον παραπάνω σχήµα ο µέγιστος ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων Προσαρµογή πλαισίου ( Frame Adaptation ) Από τα µιγαδικά σύµβολα δηµιουργούνται block σταθερού µήκους 1512, 3024, ή 6048 σύµβολα ανά block. Συνεπώς, 68 blocks αποτελούν ένα πλαίσιο, και ένα υπέρ-πλαίσιο αποτελείται από 4 πλαίσια. 54

55 Εισαγωγή χρόνου guard interval Στην περίπτωση των Single Frequency Networks (SFNs) - η λειτουργία των οποίων εξηγήθηκε σε προηγούμενη παράγραφο - που προτιμούνται από το DVB-T, ένα βασικό χαρακτηριστικό της τοπολογίας του δικτύου είναι η μέγιστη απόσταση μεταξύ των πομπών. Λόγω της COFDM διαμόρφωσης που έχει υιοθετηθεί, ο χρόνος guard interval και οι μεταξύ των πομπών αποστάσεις είναι αλληλένδετες παράμετροι για την αποφυγή του I.S.I φαινομένου (Inter Symbol Interference). Η διάρκεια του guard interval πρέπει να υπερβαίνει την πιο αργοπορημένη ηχώ, έτσι σύμφωνα με έναν εμπειρικό κανόνα πρέπει να επιλεγεί διάστημα ίσο με το χρόνο που χρειάζεται για τη διάδοση του σήματος μεταξύ δυο πομπών του SFN. Στην περίπτωση SFN εθνικής κάλυψης μια προτεινόμενη τιμή για guard interval θα πρέπει να είναι τα 200μs τουλάχιστον, χρόνος που ανταποκρίνεται σε απόσταση 60km μεταξύ των πομπών. Συνοπτικά, σε ένα DVB-T σύστημα υπάρχει η επιλογή συνδυασμού των παρακάτω παραμέτρων, ανάλογα με την περιοχή κάλυψης και τις απαιτήσεις των χρηστών: Code rate of inner rate protection (1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8) Διαμόρφωση φέροντος (QPSK; 16-QAM; 64-QAM) Guard interval length (1/4; 1/8; 1/16; 1/32) Τρόπο λειτουργίας, (2k 1705 carriers; 8k 6817 carriers) Μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) Είναι το τελικό στάδιο, στο οποίο τo ψηφιακό σήµα µετατρέπεται σε αναλογικό σήµα Ιεραρχικός και µη-ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας Στο σύστηµα DVB-T µπορεί να επιλεγεί είτε ο ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας, είτε ο µη ιεραρχικός τρόπος. Οι συρµοί των δεδοµένων µπορεί να είναι ένας (µη ιεραρχικός) ή δύο (ιεραρχικός). Στην δεύτερη περίπτωση, ένας διαχωριστής (splitter) επιτρέπει το διαχωρισµό σε δύο συρµούς MPEG, ο ένας εκ των οποίων θεωρείται υψηλής προτεραιότητας, και ο άλλος χαµηλής. Και οι δύο συρµοί στη συνέχεια εισέρχονται στον mapper και στον διαµορφωτή. Η παραπάνω δυνατότητα προσφέρει περισσότερες επιλογές στο παρεχόµενο σήµα. Για παράδειγµα, είναι δυνατόν να µεταδίδεται µια χαµηλού ρυθµού µετάδοσης (bit-rate) και χειρότερης ποιότητας βασική έκδοση του προγράµµατος ως υψηλής προτεραιότητας συρµός, και µια έκδοση πολύ υψηλής ποιότητας και µεγάλου bit-rate ως χαµηλής προτεραιότητας. Σε διαφορετική περίπτωση, µπορούν να µεταδίδονται διαφορετικά προγράµµατα ποικίλων επιπέδων ποιότητας. Πλεονέκτηµα αποτελεί 55

56 το γεγονός ότι ο δέκτης δεν χρειάζεται δύο set αποκωδικοποιητών, de-interleavers, αποπολυπλεκτών αλλά µόνο ένα, µε την προϋπόθεση ότι ο αποδιαµορφωτής να έχει τη δυνατότητα επιλογής ενός από τους δύο εισερχόµενους συρµούς δεδοµένων Μη-ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας Στην περίπτωση αυτή, όλα τα πακέτα MPEG περνούν από τα ίδια στάδια κωδικοποίησης και interleaving και χαρτογραφούνται στο κατάλληλο διάγραµµα αστερισµού. Χαρακτηριστικό αυτού του τρόπου µετάδοσης αποτελεί το γεγονός ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο ο καθολικός παράγοντας διαµόρφωσης (α=1). Αυτό ισχύει διότι, εφόσον όλα τα πακέτα υποβάλλονται στην ίδια διαδικασία θα είναι εξίσου αδρά, και µετά το interleaving δεν θα υπάρχει δυνατότητα καθορισµού συγκεκριµένης θέσης κάποιων bits στο διάγραµµα αστερισµού. Εποµένως δεν υπάρχει κανένας λόγος χρησιµοποίησης άλλου παράγοντα πλην του παραπάνω (α=1). Πρέπει να διευκρινιστεί ότι η χρήση αυτής της µεθόδου δεν σηµαίνει ότι εκπέµπεται µόνο ένα πρόγραµµα. Σε ένα σήµα OFDM, δηλαδή σε ένα κανάλι, µπορεί να µεταδίδεται είτε ένα, αν για παράδειγµα απαιτείται µεγάλος ρυθµός µετάδοσης ή µεγάλη περιοχή κάλυψης, είτε περισσότερα εφόσον πληρούνται οι απαιτήσεις χωρητικότητας, δεδοµένου του ρυθµού µετάδοσης. Τότε η χωρητικότητα του καναλιού µοιράζεται στα διάφορα προγράµµατα. Αυτό που πρέπει να γίνει από την πλευρά του δέκτη, είναι µετά την αναδιαµόρφωση µέσω ενός αποπολυπλέκτη που υπάρχει για αυτόν ακριβώς τον λόγο, να αναγνωρίζεται σε ποιό πρόγραµµα ανήκει το κάθε λαµβανόµενο πακέτο MPEG Ιεραρχικός τρόπος λειτουργίας Το σύστηµα DVB-T, µε τον ιεραρχικό τρόπο µετάδοσης επιτρέπει την επιλογή ανάµεσα στην ταυτόχρονη µετάδοση (simulcast) και την πολύ-προγραµµατική (multi-program). Και στις δύο περιπτώσεις εκπέµπεται µια πολύπλεξη υπηρεσιών σε δύο ανεξάρτητα κανάλια, καθένα από τα οποία έχει διαφορετική προστασία. 56

57 2.4 Το Πρότυπο DVB-H Σύντομη περιγραφή Βασικά χαρακτηριστικά Το DVB-H είναι το πρότυπο που αναπτύχθηκε για να υποστηρίξει εκπομπή ψηφιακού βίντεο σε κινητούς δέκτες. Είναι μια προέκταση του DVB-T το οποίο παρέχει την ίδια υπηρεσία αλλά σε σταθερές και φορητές τερματικές συσκευές. Τα κινητά τερματικά απαιτούν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά από το σύστημα μετάδοσης που τα εξυπηρετεί. Αρχικά ως συσκευές τροφοδοτούμενες από μπαταρία απαιτούν από το σύστημα μετάδοσης να παρέχει την δυνατότητα επαναλαμβανόμενης διακοπής της τροφοδοσίας για τη μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας της μπαταρίας. Δεύτερον αφού η υπηρεσία προορίζεται για κινητούς χρήστες πρέπει το σύστημα μετάδοσης να εξασφαλίζει ομαλή μετάβαση από κυψέλη σε κυψέλη χωρίς τη διακοπή της υπηρεσίας. Τρίτον αφού το περιβάλλον μετάδοσης αναμένεται να χαρακτηρίζεται από έντονη πολυδιαδρομική διάδοση και υψηλά επίπεδα θορύβου, πρέπει το σύστημα μετάδοσης να προσφέρει τα μέσα για τη μετρίαση της επίδρασης των φαινομένων αυτών. Ακόμη, για διάφορα σενάρια λήψης (σε εσωτερικό /εξωτερικό χώρο, μέσα σε κινούμενο όχημα) είναι απαραίτητο το σύστημα μετάδοσης να παρέχει αρκετή ελαστικότητα και να επιδέχεται κλιμακώσεις (scalability) ούτως ώστε η λήψη υπηρεσιών DVB-H να είναι δυνατή σε διάφορες ταχύτητες με παράλληλη βελτιστοποίηση κάλυψης. Παράλληλα καθώς το DVB-H προορίζεται για χρήση σε διάφορα μέρη του κόσμου το σύστημα μετάδοσης πρέπει να παρέχει ευελιξία σε ότι αφορά τις ζώνες συχνοτήτων μετάδοσης και τα εύρη ζώνης. Τέλος όλα τα παραπάνω πρέπει να επιτευχθούν με ένα σύστημα στηριγμένο στο DVB-T ούτως ώστε να έχουμε μέγιστη συμβατότητα με τα υπάρχοντα δίκτυα και υλοποιήσεις DVB-T. Οι επεκτάσεις του DVB-H για να πληρούν τις παραπάνω απαιτήσεις εντοπίζονται στο φυσικό στρώμα και στο στρώμα ζεύξης δεδομένων. Στο στρώμα ζεύξης δεδομένων οι προσθήκες του DVB-H είναι η λειτουργία «time slicing» και το «MPE-FEC». Το time slicing επιτρέπει στα τερματικά την επαναλαμβανόμενη διακοπή της τροφοδότησης από τη μπαταρία, μειώνοντας έτσι τη μέση κατανάλωση ενέργειας, και παράλληλα εξασφαλίζει την ομαλή μεταπομπή. Είναι υποχρεωτικό για το DVB-H. Το MPE-FEC (Forward Error Correction for Multiprotocol Encapsulated Data), το οποίο δεν είναι υποχρεωτικό, βελτιώνει την απόδοση του C/N, την απόδοση Doppler και την ανεκτικότητα σε ενδογενή παρεμβολή. 57

58 Στο φυσικό στρώμα υποχρεωτική είναι η σηματοδότηση μέσω των TPS-bits, η οποία ενισχύει και επιταχύνει τον εντοπισμό της υπηρεσίας. Επίσης, η πρόσθεση της κατάστασης λειτουργίας «4Κ mode» επιτρέπει τη λήψη σε μεσαίου μεγέθους SFN (Single Frequency Networks) για πολύ μεγάλες ταχύτητες, προσθέτοντας ευελιξία στη σχεδίαση του δικτύου. Τέλος είναι δυνατή η χρήση του χαρακτηριστικού «in-depth interleaving» στις καταστάσεις λειτουργίας 2K και 4K για την περαιτέρω ενίσχυση της επίδοσης σε κινητά περιβάλλοντα Γενική άποψη του συστήματος Τα κινητά τερματικά με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και μικρή οθόνη απαιτούν κάποια χαρακτηριστικά που το DVB-T δεν μπορεί να προσφέρει. Αυτά είναι τα εξής: Το σύστημα μετάδοσης πρέπει να δίνει τη δυνατότητα ώστε επανειλημμένα να κλείνει η ισχύς σε κάποια σημεία της αλυσίδας λήψης. Αυτό θα μειώσει την μέση καταναλισκόμενη ισχύ του δέκτη. Το σύστημα μετάδοσης θα πρέπει να διασφαλίζει ότι ο δέκτης θα μπορεί να μετακινείται από μια κυψέλη σε μια άλλη χωρίς να μειώνεται η επίδοση της DVB-H υπηρεσίας. Για έναν αριθμό από σενάρια λήψης - εσωτερικού χώρου, εξωτερικού χώρου, pedestrian και μέσα σε κινούμενο όχημα - το σύστημα μετάδοσης θα πρέπει να παρέχει ικανοποιητική ελαστικότητα και διαβάθμιση ώστε να επιτρέπει τη λήψη DVB-H υπηρεσιών σε διάφορες ταχύτητες, ενώ θα βελτιστοποιεί την περιοχή κάλυψης. Καθώς οι υπηρεσίες αναμένονται να παρέχονται σε μέρη όπου υπάρχει πολύς θόρυβος που δημιουργείται από ανθρώπινες διαδικασίες, το σύστημα μετάδοσης θα πρέπει να παρέχει τα μέσα εκείνα που χρειάζονται ώστε ν αντιμετωπίζονται αυτά τα φαινόμενα στην επίδοση των κινητών τερματικών. Καθώς το DVB-H σκοπεύει να γίνει το μοναδικό στάνταρ για την παροχή τηλεοπτικού σήματος σε κινητά τερματικά σε διαφορετικά μέρη του κόσμου θα πρέπει να είναι ικανό να χρησιμοποιείται σε διαφορετικές ζώνες μετάδοσης και διαφορετικά εύρη ζώνης καναλιών. 58

59 Παρακάτω φαίνεται σχηματικά ένας DVB-H δέκτης και η λειτουργία ενός DVB-H συστήματος. Σχήμα 2.16: Σχηματική αναπαράσταση ενός DVB-H δέκτη Σχήμα 2.17: Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας ενός DVB-H συστήματος Γενικά το DVB-H βασίζεται στην μέθοδο διαμόρφωσης OFDM και έχει την ίδια μέθοδο κωδικοποίησης με το DAB (Digital Audio Broadcasting). Ο συνδυασμός των δυο αυτών δίνει το σχήμα διαμόρφωσης COFDM (Coded Orthogonal Frequency Modulation). 59

60 Μέγεθος μονάδας FFT (Fast Fourier Transform) Στο DVB-H εφαρμόζονται 2k,4k και 8k μεγέθη FFT σε κανάλια με εύρος ζώνης 5,6,7 ή 8 MHz Τμηματοποίηση χρόνου (time slicing) Οι υπηρεσίες που χρησιμοποιούνται στα κινητά τερματικά απαιτούν σχετικά χαμηλά bitrates. Το μέγιστο bitrate για υπηρεσίες audio/video μεταδιδόμενες μέσω IP σε στοιχειώδη ρεύματα (ES) χρησιμοποιώντας προηγμένη τεχνολογία συμπίεσης (π.χ. MPEG-4) είναι της τάξης μερικών εκατοντάδων Kilobits ανά δευτερόλεπτο (Kbps). Κάποιες άλλες υπηρεσίες, όμως, όπως το κατέβασμα αρχείων μπορεί να χρειάζονται αρκετά μεγαλύτερα bitrates.(π.χ. 10Mb/s) Συνεπώς υπάρχει ανάγκη από ευελιξία στα bitrates. Το σύστημα μετάδοσης DVB συνήθως παρέχει bitrate των 10Mbps ή και περισσότερο. Αυτό προσφέρει τη δυνατότητα να μειωθεί σημαντικά η μέση κατανάλωση ενέργειας του δέκτη DVB εισάγοντας μια μέθοδο βασισμένη στην Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing). Αυτή η μέθοδος καλείται time slicing. Η φιλοσοφία του time slicing βασίζεται στην αποστολή δεδομένων σε ριπές ('bursts ) (data bursts) χρησιμοποιώντας ένα αρκετά μεγαλύτερο bitrate σε σχέση με αυτό που θα απαιτείτο αν η αποστολή δεδομένων ήταν συνεχόμενη. Κατά τη διάρκεια του χρόνου μεταξύ των bursts (off-time) η λήψη διακόπτεται και σταματάει η τροφοδότηση από την μπαταρία. Μέσα σε ένα burst υποδεικνύεται ο χρόνος μέχρι την επόμενη αποστολή δεδομένων από μια παράμετρο, που βρίσκεται στην επικεφαλίδα όλων των τμημάτων του burst, την delta_t. Μεταξύ των bursts τα δεδομένα του ES (Elementary Stream) δεν μεταδίδονται επιτρέποντας έτσι σε bursts από άλλα ES να μεταδίδονται. Έτσι ο Δέκτης μένει ενεργός (τροφοδοτείται) για ένα μέρος του χρόνου ενώ δέχεται bursts από μια ζητούμενη υπηρεσία. Σε περίπτωση που απαιτείται χαμηλότερο συνεχόμενο bitrate από την κινητή τερματική συσκευή αυτό μπορεί να γίνει με αποθήκευση των λαμβανομένων bursts. Σχήμα 2.18: Αρχή του time slicing 60

61 Ο χρόνος μεταξύ των bursts καθώς και το μέγεθός τους δεν είναι ανάγκη να είναι σταθερά χάρη στην ευελιξία που προσφέρει η παράμετρος delta_t. Άρα ένα video stream κωδικοποιημένο με μεταβλητό bitrate μπορεί να χρησιμοποιεί μεταβλητό μέγεθος burst και/ή μεταβλητό χρόνο μεταξύ των bursts. Πρέπει να τονιστεί ότι ένα burst μπορεί να περιέχει αρκετές υπηρεσίες που θα έχουν κοινό Packet IDentifier (PID) αλλά μπορούν π.χ. να διακρίνονται από διαφορετικές διευθύνσεις IP. Για να έχουμε μια επαρκή εξοικονόμηση ενέργειας το Burst Bitrate (Bb) πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 φορές το Constant bitrate της αποσταλμένης υπηρεσίας. Η κατανάλωση ενέργειας εξαρτάται από το duty cycle του time slicing. Υποθέτουμε 10% duty cycle που σημαίνει 90% μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Οι εκτιμήσεις αυτές λαμβάνουν υπόψη το duty cycle καθώς και την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας που οφείλεται στο MPE-FEC. Τα αποτελέσματα εκτιμούν περίπου 1mW με 2mW για το MPE-FEC. Πρέπει να τονιστεί ότι οι εκτιμήσεις αυτές για την κατανάλωση ενέργειας υποθέτουν ότι όλες οι κωδικοποιημένες λέξεις RS (Reed Solomon) αποκωδικοποιούνται πάντα. Παρόλα αυτά για το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου σε κανονικές συνθήκες λήψης η αποκωδικοποίηση RS δεν θα χρησιμοποιείται, διότι το TS (Transport Stream) του MPEG-2 είναι ήδη πλήρως διορθωμένο και έτσι δεν χρειάζεται αποκωδικοποίηση MPE-FEC. Ακόμη και σε περιπτώσεις που το MPE-FEC χρησιμοποιείται, αυτό μπορεί να γίνει σε κάποιο υποσύνολο από τα λαμβανόμενα bursts. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι για ένα συνδυασμό συνθηκών λήψης το MPE-FEC θα καταναλώνει τα επιπλέον 2mW όπως εκτιμήθηκε μόνο περιστασιακά. Έτσι η επίδραση στο χρόνο ζωής της μπαταρίας είναι αμελητέα Μεταπομπή Η τεχνολογία time slicing έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιεί το δέκτη για ανίχνευση γειτονικών κυψέλών κατά τη διάρκεια του χρόνου μεταξύ των bursts (off-time) που η λήψη διακόπτεται. Με την ολοκλήρωση της μεταγωγής μεταξύ των ρευμάτων μεταφοράς κατά τη διάρκεια μιας περιόδου «off» η λήψη της υπηρεσίας γίνεται ομαλά και χωρίς να διακόπτεται. Πρέπει να τονιστεί ότι η δυνατότητα αυτή της σιωπηλής αξιολόγησης εναλλακτικών συχνοτήτων χωρίς να επηρεάζεται η λήψη που βρίσκεται σε εξέλιξη είναι ένα πάρα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό του DVB-H συστήματος. Με κατάλληλο προγραμματισμό τα bursts ενός ορισμένου ρεύματος ΙΡ μπορούν να συγχρονιστούν μεταξύ γειτονικών κυψελών με τέτοιο τρόπο που ο δέκτης θα μπορεί να συντονιστεί στις γειτονικές κυψέλες και να συνεχίζει να λαμβάνει το ρεύμα ΙΡ χωρίς να χάνει δεδομένα. Σημειώνεται ότι στα SFN (Single Frequency Network) η μεταπομπή χρειάζεται όταν το τερματικό αλλάζει δίκτυο αφού όλοι οι πομποί στο SFN διαμορφώνουν μια μοναδική κυψέλη. 61

62 Προστασία άνισων λαθών (Unequal Error Protection - UEP) Προστασία άνισων λαθών σημαίνει ότι τα bits με τη μεγαλύτερη σημαντικότητα προστατεύονται κατά την διαδικασία της αποκωδικοποίησης καλύτερα από τα bits με τη λιγότερη σημαντικότητα. Το DVB-H δεν προβλέπει UEP όπως γίνεται στο DAB. Αυτό σημαίνει ότι τόσο τα σημαντικά bits όσο και τα λιγότερο σημαντικά bits αποκωδικοποιούνται με τον ίδιο τρόπο και τα λάθη μπορούν να συμβούν εξίσου και στα δυο είδη bits. Για τον χρήστη μπορεί αν μην τον νοιάζει αν χαθούν τα λιγότερο σημαντικά bits αλλά τον νοιάζει αν χαθούν bits που αφορούν τον συγχρονισμό του συστήματος Ενθυλάκωση πολλαπλών πρωτοκόλλων Πρόσθια διόρθωση λαθών (multi protocol encapsulation forward error correction MPE-FCE) Η Ενθυλάκωση πολλαπλών πρωτοκόλλων, συνδυασμένο με μια επιπλέον Πρόσθια διόρθωση λαθών, στο DVB-H χρησιμοποιείται για να βελτιώσει τη κινητή λήψη με μια μόλις κεραία. Αλλά αυτή η προστασία από λάθη δουλεύει μόνο σε μια χρονική σχισμή. Τα λάθη στη μετάδοση συνήθως συμβαίνουν όχι σαν μεμονωμένα λάθη αλλά σαν ριπές λαθών. Έτσι αν η χρονική σχισμή διαταράσσεται τόσο πολύ, η υπηρεσία «πέφτει», όχι μόνο κατά τη διάρκεια της χρονικής σχισμής αλλά όλο το χρόνο μέχρι να μεταδοθεί η επόμενη χρονική σχισμή. Το MPE-FEC είναι ένα επιπλέον FEC στο υψηλότερο επίπεδο πρωτοκόλλων και μπορεί να διορθώσει λάθη στα χαμηλότερα επίπεδα, αλλά μόνο ως ενός σημείου. Έτσι το DVB-H δεν έχει κάποια ιδιαίτερη προστασία για τα σημαντικά του bits. 62

63 2.4.2 Παράμετροι φυσικού στρώματος Για κινητή και φορητή λήψη, η πιο χρήσιμη μέθοδος διαμόρφωσης είναι η 16-QAM με ρυθμό κωδικοποίησης 1/2 ή 2/3 απαιτώντας έναν μέσο σηματοθορυβικό λόγο (SNR), ενώ παρέχει αρκετή χωρητικότητα για να ικανοποιήσει τις εμπορικές απαιτήσεις: Αστερισμός σήματος: QPSK, 16-QAM και αν και δεν προτείνεται 64-QAM FEC: 1/2 και 2/3 (το mode του 1/2 της υψηλότερου αστερισμού παρέχει το ίδιο ρυθμό bit αλλά παρουσιάζει καλύτερο σηματοθορυβικό λόγο σε Rayleigh κανάλι από ένα mode 3/4 π.χ. 16-QAM 1/2 είναι καλύτερο από QPSK 3/4). Χρόνος φύλαξης (Guard Interval-G.I.): Εξαρτάται από την τοπολογία του δικτύου, τα ίδια με το DVB-T. To G.I. για ένα SFN είναι: για 2Κ->1/4, για 4Κ->1/4,1/8 και για 8Κ->1/4,1/ Παράμετροι στρώματος ζεύξης Οι παράμετροι του στρώματος ζεύξης, ειδικά οι παράμετροι MPE-FEC, είναι εξαιρετικής σημασίας για τα DVB-H δίκτυα επειδή η ακριβής κάλυψη εξαρτάται το επιπλέον FEC που προστίθεται σ αυτό το επίπεδο: Για παράδειγμα, χωρίς το MPE-FEC θα ήταν δύσκολο και κοστοβόρο να χτίσεις 8Κ SFN δίκτυα για κινητή κάλυψη. Απ την άλλη μεριά, θα πρέπει να έχουμε υπόψη ότι μια ανταλλαγή είναι απαραίτητη μεταξύ του διαθέσιμου ρυθμού bit και της επιπλέον ευρωστίας που απαιτεί μια υπηρεσία που χρησιμοποιεί MPE-FEC. Ο χρόνος πρόσβασης υπηρεσίας είναι μια κρίσιμη παράμετρος για την χρησιμότητα του DVB-H. Ειδικά η αλλαγή μεταξύ διαφορετικών «καναλιών» υπηρεσίας χρειάζεται να είναι όσο δυνατόν πιο γρήγορο. Αρχικές δοκιμές χρηστών έχουν δείξει ότι χρόνοι zapping μεταξύ 1.5 και 3 δευτερολέπτων είναι αποδεκτοί. Αυτό σημαίνει ότι η OFF περίοδος του time slicing θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί. Το ζήτημα της μετατόπισης φάσης ( για να επιτρέψει την ανώδυνη μεταπομπή σε άλλο σταθμό βάσης) επίσης θέτει όρια στο ελάχιστο διάστημα της OFF περιόδου. Η δεύτερη σημαντική παράμετρος είναι η κατανάλωση ισχύος. Η μέση κατανάλωση ισχύος θα πρέπει να είναι αρκετά χαμηλά. Η μέση κατανάλωση ισχύος ανταλλάσσεται με το χρόνο αλλαγής καναλιών. Το βέλτιστο σημείο ανταλλαγής επιτυγχάνεται όταν η μέση κατανάλωση ισχύος είναι λίγο πιο κάτω από ένα όριο που ορίζεται και η διάρκεια της OFF περιόδου ελαχιστοποιείται. Η μέση κατανάλωσης ισχύος πρέπει να είναι αρκετά χαμηλά ώστε να υπάρχει αρκετός χρόνος χρήσης. Το καθορισμένο όριο για τη μέση κατανάλωση ισχύος, 100 mw, ορίστηκε από την ομάδα του DVB-H από τις εμπορικές απαιτήσεις του DVB-H. Το όριο των 100 mw μπορεί να δικαιολογηθεί από την μεριά της συνολικής κατανάλωσης ισχύος του τερματικού. Αν η μέση κατανάλωση ισχύος του DVB-H είναι μικρότερο από 100 mw θα είναι λιγότερη απ το 10% της συνολικής κατανάλωσης ισχύος του τερματικού. 63

64 Επιπλέον αυτών υπάρχουν και άλλες παράμετροι για να λάβουμε υπόψη: Μέσος ρυθμός bit για τη βασική ροή (Elementary Stream -ES): μια υψηλότερη τιμή θα επιτρέψει περισσότερες υπηρεσίες για κάθε ES και μπορεί να επιτρέψει: Γρήγορη αλλαγή μεταξύ υπηρεσιών στο ίδιο ES Στατιστική πολυπλεξία υπηρεσιών κινούμενης εικόνας (ή ήχου) στο ίδιο ES( με τον ίδιο τρόπο όπως την κανονική DTT πολυπλεξία) Περισσότερη ελαστικότητα σε όρους ρυθμού bit υπηρεσιών Χρόνος ριπής/χρόνος διαπλοκής: επηρεάζει την RF επίδοση Μέγεθος του MPE-FEC πλαισίου: επηρεάζει την RF επίδοση(για δεδομένο βάθος διαπλοκής) Οι κύριοι παράμετροι εισόδου για την διαδικασία επιλογής παραμέτρων του DVB-H από την μεριά του δέκτη είναι: Χρόνος συγχρονισμού του δέκτη Τιμές κατανάλωσης ισχύος, ενεργή κατάσταση και κατάσταση off Οι παράμετροι περιγράφονται πιο λεπτομερώς παρακάτω. Επίσης δίνονται τιμές για state-ofthe-art υλοποιήσεις Χρόνος συγχρονισμού του δέκτη Ο χρόνος συγχρονισμού του δέκτη είναι διαφορετικός για διαφορετικές περιπτώσεις χρήσης. Ο χρόνος συγχρονισμού του δέκτη μπορεί να μειωθεί αν οι παράμετροι του DVB-H είναι γνωστές απ την αρχή. Ο αρχικός συγχρονισμός χωρίς γνώση της ακριβούς κεντρικής συχνότητας στην περίπτωση χρησιμοποιούνται αντισταθμίσματα και οι παράμετροι του DVB-H μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερες. Ωστόσο όταν γίνεται λήψη κατά τη διάρκεια της χρονικής σχισμής η κεντρική συχνότητα και οι παράμετροι του DVB-H παραμένουν ίδιοι. Ως εκ τούτου για τον υπολογισμό της μέσης κατανάλωσης ισχύος πρέπει να χρησιμοποιηθεί ο μικρότερος χρόνος συγχρονισμού. Ο χρόνος συγχρονισμού μπορεί να διαιρεθεί σε διάφορες φάσεις. Ο RF βρόχος κλειδώματος φάσης (Phase Lock Loop-PLL) πρέπει να σταθεροποιηθεί. Μετά ο αυτόματος έλεγχος κέρδους πρέπει να σταθεροποιηθεί πριν αρχίσει ο COFDM συγχρονισμός. Ο COFDM συγχρονισμός ήταν σ ένα εύρος 200 με 300 ms στις DVB-T υλοποιήσεις. Εκεί η στρατιγική του συγχρονισμού βασιζόταν πρώτα στην επίτευξη προ-fft συγχρονισμού και μετα-fft συγχρονισμού και μετά στο κλείδωμα του TPS. 64

65 Συνολικά ο συγχρονισμός χρειαζόταν τουλάχιστον 100 OFDM σύμβολα που σήμαινε χρόνο 100 ms σε 8Κ συστήματα. Ωστόσο πολύ γρηγορότερα σχήματα συγχρονισμού έχουν παρουσιαστεί σε διάφορα συνέδρια. Σ αυτά τα γρήγορα σχήματα ο χρόνος συγχρονισμού είναι περίπου 15 OFDM σύμβολα που σημαίνει περίπου 15 ms σε 8Κ συστήματα. Στα 2Κ και 4Κ συστήματα ο χρόνος συγχρονισμού είναι γρηγορότερος. Τυπικές τιμές για τον συγχρονισμό παρουσιάζονται παρακάτω. Αυτές οι τιμές είναι ωστόσο αρκετά αισιόδοξες και σε πρακτικές υλοποιήσεις ο συγχρονισμός θα μπορούσε να είναι ακόμη ταχύτερος: Σταθεροποίηση RFP LL 10 ms Σταθεροποίηση AGC 20 ms COFDM συγχρονισμός 50 ms (8Κ σύστημα). Σε δύσκολα SFN δίκτυα με ¼ διάστημα φύλαξης (guard interval) ο χρόνος συγχρονισμού ίσως είναι μεγαλύτερος δλδ 80 ms με 90ms. Ο συνολικός χρόνος συγχρονισμού είναι λοιπόν λιγότερο από 80 ms (120ms για ¼ GI) Κατανάλωση ισχύος Ο δέκτης DVB-H έχει πέντε επίπεδα ισχύος. Αυτά είναι RF_ON mode, RF_OFF1 mode, RF_OFF2 mode, RF_OFF3 mode και Sleep mode. Τα modes περιγράφονται στο παρακάτω πίνακα. Η διαχείριση ισχύος του συστήματος βελτιστοποιείται ώστε μόνο οι βαθμίδες που χρειάζονται να ανανεώνονται ή να τροφοδοτούνται. Για τους υπολογισμούς του time slicing οι RF_OFF1 και RF_OFF2 χρόνοι μπορούν να συνδυαστούν. Ας λέμε το συνδυασμένο χρόνο RF_OFF1. Οι τυπικές τιμές παρουσιάζονται παρακάτω. Το RF βασίζεται σε άμεσης μετατροπής πυριτιούχου tuner. Η βασικής ζώνης IC τεχνολογία είναι 90 nm. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί τυπικό για μετά το 2006 υλοποιήσεις. RF_ON 400 mw (200 mw RF μέρος και 200 mw BB μέρος) RF_OFF1 50 mw (RF OFF και data buffering σε εξέλιξη) RF_OFF3 10 mw (περιμένοντας την επόμενη ριπή) 65

66 MODE ΙΣΧΥΟΣ RF_ON RF_OFF1 RF_OFF1 RF_OFF1 Sleep mode ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Το RF κομμάτι είναι ενεργό και η αποδιαμόρφωση του DVB-H είναι ενεργή. Η επιθυμητή ριπή time slicing λαμβάνεται. Το RF κομμάτι είναι κλειστό. Υπολογισμός MPE-FEC σε εξέλιξη. IP πακέτα χωρίς λάθη μπορεί να προωθούνται χωρίς να έχει τελειώσει το MPE-FEC Ο υπολογισμός MPE-FEC τελειώνει. Ο DVB-H δέκτης δίνει δεδομένα για τη μηχανή εφαρμογής Η μεταφορά δεδομένων για τη μηχανή εφαρμογής τελειώνει. Ο δέκτης DVB-H περιμένει την επόμενη ριπή. Η εφαρμογή DVB-H δεν χρησιμοποιείται. Ο DVB-H δέκτης στο sleep mode περιμένει την wake command. Πίνακας 2.4: Επίπεδα ισχύος DVB-H δέκτη Περίοδος τμηματοποίησης χρόνου και εξισώσεις MPE-FEC μεγέθους ρίπης Η περίοδος της τμηματοποίησης χρόνου έχει σημαντική επίπτωση στο χρόνο πρόσβασης υπηρεσίας σε περίπτωση αλλαγής καναλιού. Από την μεριά της χρησιμότητας το μήκος της OFFπεριόδου θα πρέπει να είναι όσο δυνατόν μικρότερο. Ο στόχος της μέσης κατανάλωσης ισχύος και η πιθανή χρήση της μετατόπισης φάσης θέτει όρια για το μικρότερο δυνατό μήκος της OFF-περιόδου. Η περίοδος της τμηματοποίησης χρόνου καθορίζεται από το μέγεθος της ριπής και από το ρυθμό bit του Elementary Stream που ονομάζεται εδώ ESstreambitrate: TOTAL = ( μέγεθος ριπής ) / ( ESstreamitrate ) Η ON περίοδος καθορίζεται από το μέγεθος ριπής και το ρυθμό ριπής, ο χρόνος κλειδώματος προσθέτει επικεφαλίδα: ON = {( μέγεθος ριπής ) / ( ρυθμός ριπής )} + (χρόνος κλειδώματος) Ως εκ τούτου η OFF περίοδος είναι: OFF = ( μέγεθος ριπής ) / ( ESstreambitrate) 66

67 Το μέγεθος της ριπής στη περίπτωση που χρησιμοποιείται MPE-FEC καθορίζεται κατευθείαν από τον αριθμό των σειρών που χρησιμοποιούνται. Με MPE-FEC ρυθμό κωδικοποίησης 3/4 (δηλαδή 255 στήλες) επιτυγχάνονται τα ακόλουθα μεγέθη ριπών: 256 σειρές=512 kbits 512 σειρές=1024 kbits=1mbit 768 σειρές=1536 kbits 1024 σειρές=2048 kbits=2mbit Παρακάτω φαίνεται ένας πίνακας με κάποιες από τις παραμέτρους λειτουργίας του DVB-H για κάποια είδη διαμόρφωσης, συγκεκριμένα για την QPSK και την 16QAM, σε εύρος συχνοτήτων στις περιοχές VHF και UHF. Έχουν δοθεί ως παράμετροι ο θερμικός θόρυβος σε dbm/hz, το εύρος ζώνης συχνοτήτων σε dbhz, ο παράγοντας θορύβου (noise figure), οι απαιτήσεις του συστήματος σε σηματοθορυβικό λόγο σε db, η ευαισθησία του δέκτη σε dbm και τέλος το DELTA σε db. Εύρος συχνοτήτων VHF ( MHz) VHF ( MHz) UHF ( MHz) UHF ( MHz) Διαμόρφωση 16QAM QPSK Θερμικός θόρυβος (dbm/hz) Εύρος ζώνης(dbhz) Παράγοντας θορύβου 7 7 Απαιτήσεις συστήματος(db) C/N or Ec/No Ευαισθησία (dbm) DELTA(dB) Πίνακας 2.5: Παράμετροι λειτουργίας του DVB-H 67

68 2.4.7 Κάλυψη του συστήματος DVB-H Εισαγωγή Είναι απαραίτητο πρώτα να κάνουμε κάποιους ορισμούς για τη κάλυψη για έναν DVB-H σταθμό εκπομπής. Τέτοιοι ορισμοί πρέπει να βασίζονται σε τεχνικά κριτήρια αλλά θα πρέπει να μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για μη τεχνικούς σκοπούς. Η κάλυψη μιας DVB-Τ υπηρεσίας χαρακτηρίζεται από μια πολύ γρήγορη μετάβαση από την τέλεια λήψη στην ανυπαρξία λήψης και ως εκ τούτου είναι σημαντικό να μπορεί να οριστεί ποιες περιοχές πρόκειται να καλυφτούν και ποιες όχι. Η περίπτωση του DVB-H είναι πιο απαιτητική καθώς η λήψη αναμένεται να γίνει σε δύσκολες συνθήκες (το τερματικό κινείται, μη οπτική επαφή κ.ά.). Ωστόσο λόγω της πολύ γρήγορης αλλαγής που αναφέρθηκε παραπάνω, υπάρχει μια ποινή αν ο στόχος κάλυψης σε μια μικρή περιοχή (100μ x 100μ) τεθεί πολύ ψηλά. Αυτό συμβαίνει γιατί είναι απαραίτητο είτε ν αυξηθεί η ισχύς του πομπού είτε να παραχωρηθούν χώροι για πομπούς ώστε να εγγυηθεί η κάλυψη ακόμη και στα ελάχιστα ποσοστά στις χειρότερα εξυπηρετούμενες περιοχές Σταθερή κάλυψη Στο DVB-H η σταθερή κάλυψη ορίζεται ως η κάλυψη σε μηδενική ή πολύ μικρή ταχύτητα (ταχύτητα περπατήματος) Τάξη Α λήψη εξωτερικού χώρου με φορητό δέκτη με προσαρμοσμένη ή ενσωματωμένη κεραία. Εξωτερικός χώρος όχι πάνω από 1.5 μέτρα πάνω απ το έδαφος σε χαμηλή ή καθόλου ταχύτητα Τάξη Β λήψη εσωτερικού χώρου στο ισόγειο με φορητό δέκτη με προσαρμοσμένη ή ενσωματωμένη κεραία. Εσωτερικός χώρος όχι πάνω από 1.5 μέτρα πάνω απ το έδαφος σε χαμηλή ή καθόλου ταχύτητα, στο ισόγειο και με ένα παράθυρο στο τοίχο. Η σταθερή κάλυψη θα συμβεί πρακτικά σε μια μεγάλη ποικιλία καταστάσεων (εσωτερικού και εξωτερικού χώρου, στο ισόγειο, στο πρώτο όροφο, στους υπόλοιπους ορόφους). Επιπλέον λόγω της φύσης της DVB-H υπηρεσίας, ο κινητός δεκτής πιθανόν να κινείται (με ταχύτητα περπατήματος) ενώ θα παρακολουθείται. Ωστόσο για σχεδιαστικούς σκοπούς μια απλοποίηση μπορεί να θεωρηθεί και για τις δυο τάξεις, Α και Β: ο φορητός δέκτης δεν κινείται κατά τη διάρκεια της λήψης και μεγάλα αντικείμενα δίπλα στο δέκτη δεν κινούνται. Επίσης θεωρείται ότι ακραίες περιπτώσεις όπως λήψη σε πλήρως θωρακισμένο δωμάτιο, αγνοείται. Είναι πιθανόν να βελτιωθεί η λήψη με αλλαγή της θέσης του δέκτη ή με τη χρήση μιας καλύτερης κεραίας 68

69 Αναμένεται να υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις στις συνθήκες λήψης για σταθερή λήψη εσωτερικού χώρου, εξαρτώμενες ως ενός σημείου, από το επίπεδο του ορόφου στο οποίο γίνεται η λήψη. Ωστόσο θα υπάρχει σημαντική απώλεια από την διείσδυση από ένα κτίριο σε άλλο και σημαντικές διαφοροποιήσεις από ένα μέρος του δωματίου σε άλλο. Επίσης οι κινητοί δέκτες μπορούν να χάσουν από απώλειες σώματος σε κάποιες περιπτώσεις π.χ. όταν γίνεται κατέβασμα ενός αρχείου και ο δέκτης είναι στη τσέπη. Αναμένεται ότι η σταθερή κάλυψη επικεντρώνεται σε αστικές περιοχές Κινητή κάλυψη Στο DVB-H η κινητή λήψη ορίζεται ως η λήψη σε μεσαίες και υψηλές ταχύτητες (δηλαδή όχι ταχύτητες περπατήματος) Τάξη C λήψη εξωτερικού χώρου με ένα τερματικό DVB-H που κινείται όπου ο δέκτης κινείται ενώ χρησιμοποιείται. Ο εξωτερικός χώρος νοείται ως επίπεδο έδαφος όχι πάνω από 1.5 μέτρα απ την επιφάνεια της γης. Ένα παράδειγμα είναι μια ενσωματωμένη κεραία σε αυτοκίνητο. Τάξη D εσωτερική λήψη σε κινούμενα αντικείμενα όπως αυτοκίνητα ή οχήματα (λεωφορείο,τρένο, κ.ά.) Η επίδοση του σηματοθορυβικού λόγου σε κινητά κανάλια θεωρεί ότι ένας ελάχιστος σηματοθορυβικός λόγος + 3 db πρέπει να ληφθεί υπόψη C/N min +3 db δείχνει την συχνότητα Doppler που μπορεί να επιτευχθεί στο σημείο 3 db πάνω απ τον ελάχιστο σηματοθορυβικό λόγο). Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι το MPE-FEC (προαιρετικό στοιχείο του DVB-H) έχει επίπτωση στον ελάχιστο σηματοθορυβικό λόγο και στη μέγιστη απόκλιση Doppler. Αναμένεται ότι θα υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις στη λήψη του σήματος για κινητή λήψη, εξαρτώμενες βέβαια από το περιβάλλον του DVB-H τερματικού (εξωτερικός χώρος ή μέσα σε οχήματα). Ωστόσο θα υπάρχουν σημαντικές απώλειες εισόδου εξαιτίας της διαφορετικής κατασκευής των αυτοκινήτων. Και στις δυο περιπτώσεις θεωρείται ότι οι κινητοί δέκτες κινούνται κατά τη διάρκεια της λήψης και ότι μεγάλα αντικείμενα κοντά στο δέκτη επίσης κινούνται Υποθέτουμε επίσης ότι ακραίες περιπτώσεις όπως θωρακισμένα οχήματα αγνοούνται. 69

70 Περιοχή κάλυψης Για να ορίσουμε την περιοχή κάλυψης πρέπει να κάνουμε μια προσέγγιση σε τρία επίπεδα Περιοχή λήψης Η μικρότερη μονάδα είναι η περιοχή λήψης με διαστάσεις 0.5 μέτρα x 0.5 μέτρα. Στην περίπτωση της φορητής λήψης, θεωρείται ότι οι καλύτερες συνθήκες λήψης θα βρεθούν μετακινώντας είτε την κεραία είτε το τερματικό μέχρι 0.5 μέτρα σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αυτή η περιοχή θεωρείται ότι καλύπτεται αν ο σηματοθορυβικός λόγος και ο λόγος σήματος προς παρεμβολής επιτυγχάνεται για το 99% του χρόνου. Μικρή περιοχή κάλυψης Το δεύτερο επίπεδο είναι η μικρή περιοχή κάλυψης (100 μέτρα x 100 μέτρα). Η κάλυψη της μικρής περιοχής κατηγοριοποιείται ως εξής: «Καλή», αν τουλάχιστον 95% των περιοχών λήψης στ άκρα της περιοχής καλύπτονται για φορητή κάλυψη και το 99% των περιοχών λήψης για κινητή κάλυψη. «Αποδεκτή», αν τουλάχιστον 70% των περιοχών στ άκρα της περιοχής καλύπτονται για φορητή κάλυψη και το 90% των περιοχών για κινητή κάλυψη. Περιοχή κάλυψης Το τρίτο επίπεδο είναι η περιοχή κάλυψης. Η περιοχή κάλυψης ενός πομπού, ή ομάδας πομπών, θεωρείται ότι είναι το σύνολο των μικρών περιοχών κάλυψης όπου επιτυγχάνεται μια δεδομένη κλάση κάλυψης. 70

71 2.4.8 Αρχιτεκτονική λειτουργίας του συστήματος DVB-H Ένα πλήρες DVB-H σύστημα είναι ένας συνδυασμός τεχνολογικών στοιχείων του φυσικού επιπέδου και του επιπέδου ζεύξεως, καθώς και πληροφοριών υπηρεσίας. Το DVB-H κάνει χρήση των ακόλουθων τεχνολογικών στοιχείων για το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο ζεύξεως: Επίπεδο ζεύξεως: Τμηματοποίηση χρόνου για να μειώσει την μέση κατανάλωση ισχύος της μπαταρίας του τερματικού του δέκτη και να επιτρέψει την ομαλή και χωρίς προβλήματα διαπομπή συχνότητας: το time slicing είναι υποχρεωτικό για το DVB-H. Πρόσθια διόρθωση λαθών για ενθυλάκωση δεδομένων πολλαπλών πρωτοκόλλων (Forward error protection for multiprotocol encapsulation data MPE-FEC) για βελτίωση της σηματοθορυβικής επίδοσης και της επίδοσης Doppler σε κινητά κανάλια. Επίσης για να βελτιώσει την ανοχή στην ενδοπαλμική παρεμβολή. Το MPE-FEC δεν είναι υποχρεωτικό για το DVB-H σύστημα. Φυσικό επίπεδο: Το φυσικό επίπεδο του DVB-T με τα ακόλουθα τεχνικά στοιχεία ειδικά σχεδιασμένα για το DVB-H Σηματοδοσία DVB-H στο TPS-bit για να επιτρέψει και να επιταχύνει την εύρεση της υπηρεσίας. Ένας ανιχνευτής κυψέλης βρίσκεται επίσης στο TPS-bit για να υποστηρίξει γρηγορότερο scan του σήματος και διαπομπή συχνότητας σε κινητούς δέκτες. Η σηματοδοσία DVB-H είναι υποχρεωτική στο DVB-H σύστημα. 4K-mode για ανταλλαγή κινητικότητας και SFN (Single Frequency Network) μέγεθος κυψέλης, επιτρέποντας λήψη με μια κεραία σε μεσαία SFN σε πολύ υψηλές ταχύτητες, προσθέτοντας ελαστικότητα στη σχεδίαση του δικτύου. Το 4K-mode δεν είναι υποχρεωτικό για το DVB-H σύστημα. Σε βάθος σύμπλεξη συμβόλου (In-depth symbol interleaving) για 2Κ και 4Κ modes για να βελτιωθεί επιπλέον η επίδοση σε περιβάλλοντα κινητών επικοινωνιών και συνθήκες θορύβου. Οι σε βάθος σύμπλεξη συμβόλου δεν είναι υποχρεωτικό για το DVB-H σύστημα. 71

72 Σημείωση: Όπως αναφέρεται στο πρότυπο, για να παρέχουμε DVB-H υπηρεσίες η τμηματοποίηση χρόνου και η σηματοδοσία DVB-H είναι υποχρεωτικά στοιχεία ενώ το MPE-FEC, το 4K-mode και η σε βάθος σύμπλεξη συμβόλου δεν είναι υποχρεωτικά αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για περαιτέρω βελτίωση της επίδοσης του συστήματος αν υπάρχει ανάγκη. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι η τμηματοποίηση χρόνου και το MPE-FEC όπως υλοποιούνται στο επίπεδο ζεύξεως, δεν επηρεάζουν το φυσικό επίπεδο του DVB-T σε καμία περίπτωση. 2.5 Συμπεράσματα Στην παρούσα ενότητα έγινε εκτενής μελέτη όλων των σταδίων εκπομπής των συστημάτων DVB-T και DVB-Η για τη μετάδοση ψηφιακού τηλεοπτικού σήματος. 72

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΠΙΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ 3.1 Εισαγωγή Το γεγονός ότι τα συστήματα DVB-T και DVB-H σχετίζονται άμεσα με τη διάδοση μέσω του επίγειου και δορυφορικού καναλιού, καθιστά απαραίτητη τη διεξοδική μελέτη των παραμέτρων τους. 3.2 Βασικές έννοιες Θα μελετήσουμε αρχικά βασικές έννοιες που σχετίζονται άμεσα με τις παραμέτρους της επίγειας και δορυφορικής διάδοσης Mηχανισμοί διάδοσης Η/Μ ακτινοβολίας Ο τρόπος με τον οποίο μεταδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό κύμα στο χώρο καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την εξασθένηση που υφίσταται μέχρι να φτάσει στο δέκτη. Η διάδοση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος επιτυγχάνεται με τους παρακάτω εξής μηχανισμούς: Ανάκλαση (reflection) Ανάκλαση εμφανίζεται όταν το διαδιδόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε αντικείμενο διαστάσεων πολύ μεγαλύτερων από το μήκος κύματος λ. Περίθλαση ή Σκέδαση(diffraction) Όταν κατά τη διαδρομή του ραδιοκύµατος από τον πομπό προς τον δέκτη αυτό προσπίπτει σε αντικείμενα με αιχμή, συγκρίσιμα με το μήκος κύματος λ, τότε, σύμφωνα μετην αρχή του Huygens,το σημείο λειτουργεί ως δευτερεύουσα πηγή, με αποτέλεσμα ηλεκτ ρομαγνητική ενέργεια να είναι παρούσα και πίσω από το αντικείμενο, σε σημεία όπου δεν υ πάρχει οπτική επαφή με την πηγή, όπου δεν είναι δυνατή η πρόβλεψη της έντασης της περιθλόμενης ακτινοβολίας με οπτική γεωμετρία. 73

74 Διάθλαση (refraction) Εμφανίζεται λόγω αλλαγής του δείκτη διάθλασης στο μέσο διάδοσης, όπως όταν περνάει το ραδιοκύμα από τα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας με διαφορετική πυκνότητα και έχει σαν αποτέλεσμα την εκτροπή του κύματος. Απορρόφηση (absorbtion), Σκίαση (shadowing) Οι παραπάνω μηχανισμοί εξαρτώνται από το έδαφος, από τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα καθώς και από τα αντικείμενα που παρεμβάλλονται στη διαδρομή όπως βουνά, κτήρια, δέντρα κτλ. Λόγω αυτών των συνθηκών διάδοσης του κύματος εμφανίζονται διάφορα είδη εξασθένησης του μεταδιδόμενου σήματος. Επιπλέον εμφανίζεται το φαινόμενο της πολυόδευσης (multipath) που θα εξεταστεί παρακάτω. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε την αναπαράσταση των διάφορων μηχανισμών διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Σχήμα 3.1: Τρόποι διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος 74

75 3.2.2 Πολυοδική διάδοση (multipath fading) Ένας πολύ βασικός παράγοντας απωλειών κυρίως κατά την επίγεια και λιγότερο κατά τη δορυφορική διάδοση είναι το φαινόμενο της πολυοδικής διάδοσης (multipath fading). Με τον όρο πολυόδευση (multipath) αναφερόμαστε στο χαρακτήρα του ασύρματου καναλιού αν θεωρήσουμε ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται σε ακτίνες. Όταν η κεραία του πομπού εκπέμπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, τότε λόγω φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, διάχυσης, απορρόφησης κλπ. ο δέκτης λαμβάνει το αρχικό σήμα σε πολλαπλά αντίγραφα μετατοπισμένα στο χρόνο και με διάφορες αλλαγές στη φάση και το μέτρο. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το πρόβλημα των πολλαπλών διαδρομών. Σχήμα 3.2: Άφιξη πολλών αντιγράφων του σήματος Κατά την δορυφορική διάδοση τα μονοπάτια πολυόδευσης στο μονοπάτι γη-δορυφόρος είναι πολύ λιγότερα από τα αντίστοιχα κατά την επίγεια διάδοση. Ανάλογα την ανύψωση του δορυφόρου, το μονοπάτι μπορεί να παρεμποδιστεί από κτίρια, δέντρα, βουνά κτλ. Για ανύψωση 0-20 ο η διάδοση του σήματος είναι παρόμοια εκείνης των συστημάτων επίγειων επικοινωνιών. Πάνω από 20 ο υπάρχουν λίγα πολλαπλά μονοπάτια και θεωρούμε ότι το σήμα βρίσκεται στον ελεύθερο χώρο. Τα σήματα στο κινητό τερματικό συνίστανται συνήθως από ευθεία ακτίνα και κατανομή Rayleigh ανακλώμενων κυμάτων με μεταβαλλόμενα πλάτη και φάσεις αν δεν υπάρχει οπτική επαφή, ενώ σε περίπτωση οπτικής επαφής ακολουθούν την κατανομή Rice. Οι κατανομές αυτές θα μελετηθούν παρακάτω αναλυτικά. 75

76 Σχήμα 3.3: Παράδειγμα καναλιού πολυόδευσης 76

77 3.3 Δορυφορική διάδοση Δορυφορικό Σύστημα Τα δύο τμήματα του δορυφορικού συστήματος είναι το επίγειο και το διαστημικό. Κάθε ένα από αυτά έχει αναπτυχθεί ανάλογα με το είδος των υπηρεσιών που καλούνται να παράσχουν. Η συνολική διαδρομή την οποία πρέπει να διανύσουν τα ραδιοκύματα από την πηγή μέχρι τον προορισμό μπορεί να χωριστεί σε δυο επιμέρους ζεύξεις: στη ζεύξη επίγειου σταθμού - δορυφόρου (ή προς τα άνω ζεύξη, uplink) και στη ζεύξη δορυφόρου - επίγειου σταθμού (ή προς τα κάτω ζεύξη, downlink), όπως φαίνεται και στο παρακάτω Σχήμα: Σχήμα 3.4: Προς τα άνω ζεύξη ( uplink ) και προς τα κάτω ζεύξη ( downlink ) Βασικές σχέσεις δορυφορικής ζεύξης Στο σχήμα 3.5 φαίνεται μια απλή ζεύξη μεταξύ ενός πομπού και ενός δέκτη που βρίσκονται σε απόσταση R μεταξύ τους. Είναι προφανές ότι στην παρακάτω ανάλυση, ο πομπός είναι ο επίγειος σταθμός και ο δέκτης είναι ο δορυφορικός αναμεταδότης όταν εξετάζεται η "προς τα άνω" ζεύξη, ενώ οι ρόλοι πομπού και δέκτη αντιστρέφονται όταν εξετάζεται η "προς τα κάτω ζεύξη". 77

78 Εάν η κεραία του πομπού είναι ισοτροπική, η εκπεμπόμενη ισχύς Ρ Τ, θα έχει ομοιόμορφη χωρική κατανομή, και η πυκνότητα ισχύος στην περίπτωση αυτή θα έιναι: I(R) P T 2 (3.1) 4R Μικρομετεωρήτες Παρενόχληση ραδιοκυμάτων αποσβέσειςαποπόλωση λόγω βροχόπτωοης Σχήμα 3.5 : Διάδοση Η/Μ κυμάτων στις δορυφορικές μεταδόσεις - περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν το σήμα Στην περίπτωση που η κεραία του πομπού έχει κέρδος G Τ, η προηγούμενη σχέση μετατρέπεται ως εξής : I(R) P G T T 2 (3.2) 4R Το γινόμενο της εκπεμπόμενης ισχύος από την κεραία επί το κέρδος της ονομάζεται "Ισοδύναμη, ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς" (Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP) και είναι το σημαντικότερο χαρακτηριστικό κάθε πομπού. 78

79 Στην πλευρά του δέκτη η ενεργός επιφάνεια της κεραίας που ως γνωστόν ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος που οδηγείται στην είσοδο του δέκτη προς την πυκνότητα ισχύος που προσπίπτει στην κεραία, και συνδέεται με το κέρδος της κεραίας με τη σχέση: A G 2 4 R R (3.3) Σχήμα 3.6 : Βασική δομή ασύρματης ζεύξης Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η τελευταία σχέση ισχύει υπό συνθήκες βέλτιστης προσαρμογής και προσανατολισμού. Συνεπώς η λαμβανόμενη ισχύς στον δέκτη θα έχει τη μορφή: P P P R R T PTG T G G T R A R 2 4R 2 4R 2 (3.4) 79

80 Ο συντελεστής εξασθένησης του καναλιού μπορεί να εκφραστεί σε dβ ως εξής: P R G T db G R db T ( a) db 10log 22 20log P R (3.5) Στην προηγούμενη σχέση ο όρος οg(R/λ), εκφράζει τις απώλειες ελευθέρου χώρου και εξαρτάται τόσο από την απόσταση, όσο και από τη συχνότητα του φέροντος της ζεύξης. Γενικά θα πρέπει να σημειωθεί, ότι αύξηση της συχνότητας συνεπάγεται και αύξηση των απωλειών, η οποία όμως για δεδομένες διαστάσεις κεραιών αντισταθμίζεται σε μεγάλο βαθμό από την αύξηση των κερδών των κεραιών. Η προηγούμενη ανάλυση ισχύει για την ιδανική περίπτωση, όπου δεν υπάρχουν άλλες απώλειες εκτός αυτών του κενού χώρου. Στα δορυφορικά συστήματα η σχέση (3.4) επεκτείνεται για να καλύπτει πρακτικές περιπτώσεις ως εξής: P P T R L L Όπου : kx G L T L u G R L kx 6 L i i1 (3.6) L kx, αντιπροσωπεύει τις απώλειες κενού χώρου, L 1, αντιστοιχεί στις απώλειες μεταξύ της εξόδου του πομπού και της κεραίας εκπομπής (γραμμή μεταφοράς, φίλτρα κλπ), L 2, αντιστοιχεί στις απώλειες της ατμόσφαιρας και της ιονόσφαιρας, L 3, αντιπροσωπεύει τις απώλειες νεφώσεων και βροχόπτωσης, L 4, αντιπροσωπεύει τις απώλειες που οφείλονται σε αποπόλωση του Η/Μ κύματος στο μέσο διάδοσης, L 5, αντιστοιχεί στις απώλειες αποπροσανατολισμού των κεραιών που οφείλεται κυρίως σε ατελή σταθεροποίηση του γεωστατικού δορυφόρου, ή τοποθέτηση του επίγειου σταθμού κοντά στα όρια της περιοχής κάλυψης, και L 6, αντιπροσωπεύει τις απώλειες μεταξύ της κεραίας και της εισόδου του δέκτη (αντίστοιχη των L 1 ) 80

81 3.3.3 Περιγραφή Δορυφορικού Καναλιού Η πληροφορία από την στιγµή που θα φύγει από την πηγή της (ποµπός), µέχρι να φθάσει στον προορισµό της, διανύει µια µεγάλη απόσταση διασχίζοντας ολόκληρη την ατµόσφαιρα στην άνω ζεύξη καθώς επίσης και στην κάτω ζεύξη. Η γήινη ατµόσφαιρα ως γνωστόν, αποτελείται από διάφορα αέρια των οποίων η πυκνότητα µεταβάλλεται και ως προς το χρόνο και ως προς το χώρο. Επίσης, στα σχετικά χαµηλά στρώµατά της λαµβάνουν χώρα διάφορα καιρικά φαινόµενα των οποίων η ένταση, επίσης µεταβάλλεται µε το χρόνο. Όλα αυτά έχουν σαν συνέπεια τη διαταραχή του ηλεκτροµαγνητικού σήµατος και κατ επέκταση την αλλοίωση της µεταδιδόµενης πληροφορίας. Ο βαθµός όµως στον οποίο γίνεται αυτή η αλλοίωση, εξαρτάται κάθε φορά από τις συνθήκες που επικρατούν στα διάφορα στρώµατα της ατµόσφαιρας από τα οποία διέρχεται το σήµα. Υπάρχουν περιπτώσεις κατά τις οποίες η εξασθένιση του σήµατος είναι τόσο µεγάλη, ώστε η ανασύσταση της αρχικής πληροφορίας στο δέκτη είναι αδύνατη. Όπως είναι φυσικό, αυτό που µας ενδιαφέρει είναι να ελαχιστοποιήσουµε την πιθανότητα να συµβεί κάτι τέτοιο κατά τη µετάδοση. Η πιθανότητα αυτή, για µια συγκεκριµένη υπηρεσία, εκφράζει το ποσοστό του χρόνου, συνήθως για ένα έτος, κατά το οποίο ο λόγος σήµατος προς θόρυβο βρίσκεται πάνω από ένα προκαθορισµένο όριο, το οποίο κατ επέκταση εγγυάται ένα κάτω όριο στην ποιότητα της παρεχόµενης υπηρεσίας. (Για παράδειγµα όταν µια υπηρεσία απαιτεί QoS ίσο µε 99,9% σηµαίνει ότι ο λόγος σήµατος προς θόρυβο βρίσκεται κάτω από το αποδεκτό όριο το πολύ για 0,01% του χρόνου ή αλλιώς 87,6 ώρες το έτος). Στο τηλεπικοινωνιακό δορυφορικό κανάλι παρεµβάλλεται ο δορυφόρος, ως αναµεταδότης του σήµατος που λαµβάνει από την άνω ζεύξη µε σκοπό την προώθηση του στην κάτω ζεύξη. Όταν το σήµα φθάσει στον δορυφόρο, θα οδηγηθεί από την κεραία µέσω του κυµατοδηγού στον µετατροπέα συχνότητας (downconverter) αρχικά και στη συνέχεια στον ενισχυτή. O µετατροπέας συχνότητας µετασχηµατίζει την συχνότητα άνω ζεύξης (uplink) σε µια άλλη συχνότητα για την κάτω ζεύξη (downlink). Ο ενισχυτής (ΗPA) θα ενισχύσει το εξασθενηµένο σήµα του φορέα φέρνοντας το στο επιθυµητό επίπεδο ισχύος. Ο ενισχυτής αυτός, όπως και κάθε ενισχυτής παρουσιάζει µη γραµµικά χαρακτηριστικά. Η µη-γραµµικότητα έχει ως επακόλουθο την παραµόρφωση του φάσµατος του αρχικού σήµατος και τη δηµιουργία ανεπιθύµητων προϊόντων ενδοδιαµόρφωσης που προκαλούν παρενόχληση σε γειτονικά κανάλια. Μετά την ενίσχυση το σήµα οδηγείται µέσο ενός κυµατοδηγού στην κεραία απ όπου και αναµεταδίδεται πίσω στη γη. 81

82 Σχήμα 3.7: ιάγραµµα δοµής δορυφορικού συστήματος Το ηλεκτροµαγνητικό σήµα από τη στιγµή που θα φύγει από την κεραία του ποµπού µέχρι να φθάσει στον δορυφόρο θα διασχίσει όλη την ατµόσφαιρα της γης, γεγονός το οποίο σηµαίνει ότι θα έχουµε απώλειες ισχύος. Οι απώλειες αυτές οφείλονται σε ποικίλους παράγοντες, όπως είναι οι διάφορες καιρικές συνθήκες που επικρατούν (βροχή, χιόνι, χαλάζι, υγρασία), στην ύπαρξη ή όχι σύννεφων πάνω από τον σταθµό και στην απορρόφηση από διάφορα αέρια της ατµόσφαιρας. Εκτός όµως από τις απώλειες έχουµε και πηγές θορύβου που προστίθενται στο αρχικό µας σήµα, µε αποτέλεσµα να µειώνουν το λόγο σήµατος προς θόρυβο. Πηγές θορύβου έχουµε είτε από τα ηλεκτρονικά εξαρτήµατα των ποµποδεκτών και την κεραία λόγω θερµότητας (θερµικός θόρυβος), είτε από την διάχυτη ακτινοβολία που προέρχεται από τον περιβάλλοντα χώρο (γαλαξιακός θόρυβος, γειτονικά τηλεπικοινωνιακά συστήµατα), ο οποίος υπερτίθεται στο µεταδιδόµενο σήµα. 82

83 Σχήμα 3.8: ορυφορικό κανάλι Τέλος, το σήµα λαµβάνεται από την κεραία του δέκτη που βρίσκεται σε κάποιο αποµακρυσµένο σταθµό στη γη. Το σήµα αυτό στη συνέχεια ενισχύεται και αποδιαµορφώνεται, λαµβάνοντας έτσι τελικά την αρχική πληροφορία Ατμοσφαιρική εξασθένηση (atmospheric losses) Εξασθένηση του σήματος στην ατμόσφαιρα δημιουργείται είτε από απορρόφηση της ενέργειας από διάφορα αέρια, φαινόμενο που έχει το όνομα ατμοσφαιρική απορρόφηση (atmospheric absorption) είτε από εξασθενήσεις οφειλόμενες σε καιρικές συνθήκες που ονομάζονται ατμοσφαιρικές εξασθενήσεις (atmospheric attenuation). Παρακάτω περιγράφονται οι εξασθενήσεις που λαμβάνουν χώρα στην τροπόσφαιρα και την ιονόσφαιρα. Τα τροποσφαιρικά φαινόμενα μπορούν να θεωρηθούν αμελητέα σε συχνότητες κάτω από 10 GHz. Απώλειες Ιονόσφαιρας Το πρώτο τμήμα της ατμόσφαιρας που συναντάει το σήμα από δορυφόρο είναι η ιονόσφαιρα,έν α στρώμα ιονισμένων σωματιδίων, κυρίως λόγω της επίδρασης του ηλίου. Τα βασικά προβλήματα που προκαλεί η ιονόσφαιρα είναι η ξαφνική αλλαγή του δείκτη διάθλασης, ο ιονοσφαιρικός σπινθηρισμός (Ionospheric scintillation) και γενικά στατιστικές διακυμάνσεις της τιμής του σήματος, που δεν μπορεί να προβλεφτεί τοπικά. Ο ιονοσφαιρικός σπινθηρισμός περιγράφει μεταβολές της φάσης, του πλάτους, της πολικότητας και της γωνίας άφιξης του κύματος. 83

84 Τα φαινόμενα αυτά, που οφείλονται στα χαρακτηριστικά της ιονόσφαιρας που περιγράφονται π αρακάτω, είναι μεταβλητά με το χρόνο, και μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές απώλειες στο σήμα, για διάρκεια της τάξης των λεπτών. Για αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερη ισχύς σήματος. Μία από τις εξασθενήσεις που εισάγονται από την ιονόσφαιρα,ειδικότερα, η περιστροφή Faraday( δηλαδή η περιστροφή του επιπέδου πόλωσης ενός γραμμικά πολωμένου ηλεκτρομαγνητικού κύματος στην ιονόσφαιρα, λόγω της αλληλεπίδρασής του με το μαγνητικό πεδίο της Γης) μπορεί να εξουδετερωθεί αποτελεσματικά από την εκλεκτική χρήση της πόλωσης της μετάδοσης. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα αλλά σχηματίζουν στρώματα. Ακόμα, ταξιδεύουσες ιονοσφαιρικές διαταραχές, γνωστές ως νέφη ηλεκτρονίων ταξιδεύουν στην α τμόσφαιρα δημιουργώντας διακυμάνσεις στο σήμα. Στην ιονόσφαιρα υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά μονάδα όγκου. Η συνολική μετατόπιση ενός πλήθους ηλεκτρονίων Ν σε έναν όγκο δημιουργεί την διπολική ροπή ανά μονάδα όγκου, που καλείται πόλωση Ρ. Η επίδραση της έντασης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από ή προς τον δορυφόρο προκαλεί μια τέ τοια πόλωση η οποία οδηγεί στην αλλαγή του δείκτη διάθλασης n της ιονόσφαιρας. προκύπτει ότι n 2 είναι ανάλογο της πυκνότητας ελευθέρων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου και αντιστρόφως ανάλογο της συχνότητας. Αυτό είναι ένα στατιστικό φαινόμενο, δεν μπορεί δηλαδή να προβλεφτεί τοπικά. Στην πλειοψηφία των δορυφορικών συστημάτων όπου χρησιμοποιούνται μεγάλες συχνότητες, τα τροποσφαιρικά φαινόμενα και η επίδρασή τους, είναι πολύ σημαντικές. Απώλειες Τροπόσφαιρας Η τροπόσφαιρα είναι το χαμηλότερο τμήμα της ατμόσφαιρας και εκτείνεται από την επιφάνεια της θάλασσας περίπου ως το ύψος των 10Km όπου είναι η τροπόπαυση (tropopause) Το ακριβές ύψος αλλάζει ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος από 9km στους πόλους ως 16km στον ισημερινό, αλλά και μεταβάλλεται τοπικά. Στην τροπόσφαιρα η θερμοκρασία εξαρτάται από το ύψος,σε αντίθεση με τη στρατόσφαιρα όπου η θερμοκρασία είναι σταθερή. Στην αυτήν επηρεάζεται κυρίως το δορυφορικό σήμα προκαλώντας εξασθένηση και παραμόρφωση. Για μικρές συχνότητες,κάτω του 1 GHz υπάρχει πολύ μικρή απορρόφηση, ενώ για συχνότητες μεγαλύτερες, και ειδικά πάνω από 10 GHz υπάρχει μεγάλη απορρόφηση κυρίως λόγω του φαινομένου του μοριακού συντονισμού, που προκαλείται κυρίως από δύο στοιχεία,το οξυγόνο και το εξατμιζόμενο νερό. Παρουσιάζονται αναλυτικότερα τα σημαντικότερα τροποσφαιρικά φαινόμενα: Απορρόφηση λόγω αερίων 84

85 Με την αύξηση της συχνότητας αυξάνεται και η απορρόφηση από τα διάφορα μόρια αερίων της ατμόσφαιρας, ειδικά από τους υδρατμούς και το οξυγόνο. Το νερό και το οξυγόνο παρουσιάζουν μόνιμη ηλεκτρική και μαγνητική ροπή αντίστοιχα με αποτέλεσμα να επηρεάζουν οποιοδήποτε εφαρμοζόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που συντονίζονται στα στα 22,3 και 60 GHz αντίστοιχα προκαλούν 2 βυθίσματα (pick) στις συχνότητες αυτές. Άλλα αέρια που προκαλούν απορρόφηση σε μικροκυματικές συχνότητες είναι μεταξύ άλλων τα CO, O 3, N 2 O,SO 2 τα οποία έχουν πολύ χαμηλή μοριακή πυκνότητα οπότε η συνεισφορά τους στις απώλειες ε ίναι αμελητέα. Οι υδρομετεωρίτες Δηλαδή σταγόνες βροχής,νιφάδες χιονιού ή χαλάζι απορροφούν ή σκεδάζουν κύματα με μήκος κύματος συγκρίσιμα με το μέγεθός τους. Και αυτό συμβαίνει για συχνότητες μεγαλύτερες από 10GHz,όπου,πχ,οι σταγόνες της βροχής εκλαμβάνονται ως ευμεγέθη εμπόδια,ή διηλεκτρικές σ φαίρες με απώλειες για μεγάλες συχνότητες. Η πλέον κοινή μετρήσιμη παράμετρος της βροχής είναι η έντασή της σε διάφορα σημεία επί του εδάφους. Η εξασθένηση λόγω βροχής (rain attenuation) μπορεί να θεωρηθεί συνάρτηση της έντασής της, η οποία μετριέται με χιλιοστόμετρα ανά ώρα.ο μαθηματικός τύπος της εξασθένησης ανά χιλιόμετρο είναι: α = k R γ (db/km) Όπου: R -> ρυθμός βροχόπτωσης γ,k -> σταθερές εξαρτώμενες από τη συχνότητα και την πόλωση Άρα η συνολική εξασθένηση σε περιβάλλον βροχόπτωσης είναι: A = α L (db) Όπου: L -> το συνολικό ενεργό μήκος της διαδρομής του σήματος στην βροχή α -> η εξασθένηση ανά χιλιόμετρο Tο L προκύπτει από το πραγματικό μήκος, διαμορφωμένου ώστε να περιλαμβάνει τις επιδράσεις της ανομοιογένειας της βροχής και του ύψους του δέκτη. Η συνολική διατομή εξασθένησης για σταγόνα ακτίνας α Q(a) υπολογίζεται με τη βοήθεια της θεωρίας Mie για α περίπο υ ίση του μήκους κύματος λ, ενώ για λ>>α είμαστε στην περιοχή Rayleigh όπου Q ανάλογο της ποσό τητας α 6. Αποπόλωση λόγω σκέδασης από μη σφαιρικά σωμάτια (σταγόνες βροχής, κρυστάλλους) Σπινθηρισμοί 85

86 Με την αύξηση της συχνότητας η μεταβολή του δείκτη διάθλασης της ατμόσφαιρας προκαλεί μεγάλες αυξομειώσεις στο πλάτος και τη φάση του σήματος. Aτμοσφαιρική διάθλαση Η παραδοχήότι τα μέτωπα των κυμάτων οδεύουν σε ευθείες γραμμές μπορούν να οδηγήσουν σε σφάλματα, καθώς στην ατμόσφαιρα παρατηρούνται φαινόμενα διάθλασης και αντίστοιχης καμπύλωσης των ακτινών, όπως αναλύθηκε στην περίπτωση της ιονόσφαιρας. Ο ατμοσφαιρικός δείκτης 47 διάθλασης δεν είναι σταθερός αλλά παρουσιάζει βαθμώσεις, ανάλογα με το ύψος (ατμοσφαιρική πίεση) την υπάρχουσα θερμοκρασία και τη μερική πίεση υδρατμών. Ο δείκτης διάθλασης μειώνεται εκθετικά με το ύψος Σε αντίθεση με τις απώλειες ελευθέρου χώρου, οι διαλείψεις που υφίσταται το σήμα και οφείλονται στα πιο επιβαρυντικά για την ποιότητα του σήματος ατμοσφαιρικά φαινόμενα, κυρίως τη βροχή, δεν επηρεάζουν σε μόνιμη βάση τη λειτουργία του συστήματος, αλλά σε τυχαίες χρονικές στιγμές και για τυχαία χρονικά διαστήματα. Τα διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα αποτελούν, λοιπόν, τυχαίες διαδικασίες και η απόσβεση που εισάγουν κατά τη διάδοση του σήματος δεν είναι δ υνατό να προσδιοριστεί ντετερμινιστικά. Για το λόγο αυτό η επίδρασή τους στην ποιότητα του ραδιοδιαύλου μελετάται στατιστικά και το μέτρο σύγκρισης είναι η πιθανότητα κατά το συνολικό χρόνο λειτουργίας του συστήματος να υπερβεί η εξασθένιση, που αυτά προκαλούν, μία συ γκεκριμένη στάθμη. Αποτίμηση των επιπτώσεων λόγω ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων Η απόσβεση που οφείλεται στις ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις και κατά κύριο λόγο στη βροχή εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους της δορυφορικής ζεύξης, όπως η γωνία ανύψωσης της ζεύξης σε σχέση με τον ορίζοντα και το γεωγραφικό πλάτος της θέσης του επίγειου σταθμού, στοιχεία που καθορίζουν το μήκος της διαδρομής στην ατμόσφαιρα κατά την οποία το σήμα διαδίδεται εν μέσω βροχής, τη συχνότητα λειτουργίας του συστήματος, την πόλωση του σήματος και φυσικά τις καιρικές συνθήκες, οι οποίες επικρατούν στη θέση του επίγειου σταθμού και σχετίζονται με την ένταση και τη χρονική κατανομή των διάφορων καιρικών φαινομένων. Παρόλο που επηρεάζει σημαντικά τη λειτουργία των συστημάτων, η επίδραση των ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων είναι ασθενέστερη σε σχέση με τις απώλειες ελευθέρου χώρου. 86

87 3.4 Επίγεια διάδοση Στην επίγεια (terrestrial) μετάδοση δεν έχουμε μετάδοση στον ελεύθερο χώρο (free space) αλλά πρέπει να υπολογιστεί η επίδραση της επιφάνειας της γης στο κανάλι μετάδοσης. Δύο φαινόμενα που παρουσιάζονται είναι η παρεμπόδιση του σήματος, ή περίθλαση αν το σήμα περάσει από το εμπόδιο και δεύτερον η ανάκλαση από το έδαφος (GroundReflection). Αν το έδαφος είναι αρκετά ανακλαστικό μπορεί να προκληθεί ισχυρή εξασθένηση. Θα δούμε την περίπτωση που στον δέκτη φτάνει μία μόνο ανακλώμενη ακτίνα από το έδαφος, και η απευθείας συνιστώσα. Αν το κανάλι μετάδοσης είναι πολύ κοντά στο έδαφος και παράλληλο με αυτό τότε έχουμε Near Earth Propagation. Συντελεστής ανάκλασης Ο συντελεστής ανάκλασης ρ, είναι σημαντική παράμετρος στον υπολογισμό του αθροίσματος των ακτίνων στο δέκτη, καθώς επηρεάζει το μέτρο και τη φάση της προσπίπτουσας ακτίνας.εξαρτάται από τη συχνότητα, την πόλωση, τη γωνία πρόσπτωσης και την επιφάνεια του εδάφους. Για μικρή γωνία πρόσπτωσης και αλλαγή φάσης 180 ο ο συντελεστής ανάκλασης έχει τιμή ρ=1. Στην περίπτωση που η απόσταση των δύο κεραιών είναι πολύ μεγαλύτερη από το ύψος των κεραιών, δηλαδή η γωνία πρόσπτωσης της ανακλώμενης ακτίνας στο έδαφος είναι πολύ μικρή, μπορούμε να πούμε ότι οι δύο ακτίνες καλύπτουν προσεγγιστικά την ίδια απόσταση και άρα η απώλεια ελεύθερου χώρου είναι ίδια για τις δύο περιπτώσεις. Τότε έχω 6 db ενίσχυση δηλαδή διπλασιασμό πλάτους στο δέκτη, αν η ανακλώμενη ακτίνα είναι σε φάση με την απευθείας. Διπλασιασμός του πλάτους σημαίνει τετραπλασιασμός της ισχύος. Αυτή είναι η ακραία περίπτωση θετικής συνεισφοράς της ανακλώμενης ακτίνας στο λαμβανόμενο σήμα. Η ακραία περίπτωση αρνητικής επίδρασης της ανακλώμενης ακτίνα είναι αν υπάρχει διαφορά φάσης 180 ο οπότε τα σήματα αλληλοαναιρούνται 87

88 Σκληρότητα του εδάφους Ένας άλλος σημαντικό παράγοντας για την επιρροή του εδάφους είναι η σκληρότητα του εδάφους (Surface Roughness). Σε πολλές περιπτώσεις, το έδαφος είναι αρκετά ανώμαλο με αποτέλεσμα να μην είναι ρεαλιστική η προσέγγιση του εδάφους ως λείας ανακλαστικής επιφάνειας, αλλά αυτό να υφίσταται σκέδαση. Η σκληρότητα του εδάφους μετράται με τη βοήθεια του κριτηρίου Rayleigh, το οποίο κρίνει την υψομετρική διαφορά που εμφανίζει το έδαφος. Αν η διαφορά από τα βυθίσματα μέχρι τις κορυφές είναι μικρότερη από αυτήν που θα προκαλούσε διαφορά φάσης μικρότερη από 90 ο σε δύο ανακλώμενες ακτίνες από τα ακραία σημεία (την κορυφή και το βύθισμα) τότε το έδαφος χαρακτηρίζεται ομαλό. Το ποσό της ανωμαλίας του εδάφους που είναι αποδεκτή ώστε να χαρακτηριστεί ομαλό το έδαφος, είναι ανάλογο του μήκους κύματος και της απόστασης και αντιστρόφως ανάλογο του ύψους των κεραιών. Ζώνες Frensel Οι ζώνες Frensel μας δίνουν τη δυνατότητα να υπολογίζουμε που βρίσκονται οι ζώνες, όπου η ύπαρξη εμποδίων προκαλούν εντονότερα ανακλώμενα ή περιθλώμενα σήματα σε φάση με το απευθείας σήμα ή εκτός φάσης,και άρα καταστρεπτικά στον δέκτη. Η πρώτη ζώνη θεωρείται αρκετά σημαντική για την ποιότητα του σήματος και αποφεύγεται κατά το δυνατόν η ύπαρξη αντικειμένων σε αυτή τη ζώνη. Γενικά οι ζώνες μονού αριθμού,δηλαδή για περιττό n, λέμε ότι δρουν καταστρεπτικά στο σήμα, καθώς η διαφορά των δύο μονοπατιών είναι της τάξης του λ, η ανακλώμενη/περιθλώμενη ακτίνα μπορεί να είναι της ίδιας ισχύος με αυτή του απευθείας σήματος. Από την άλλη ανακλάσεις από ζώνες άρτιου αριθμού δρουν ενισχυτικά στο σήμα. Περίθλαση Αν κατά την επίγεια μετάδοση ο δρόμος διακόπτεται από την επιφάνεια της γης ή από ένα εμπόδιο, παρουσιάζεται το φαινόμενο της περίθλασης για μετάδοση πέρα από τον ορίζοντα. Οι παρεμβολές που εισάγονται εξαρτώνται από την ακτίνα της καμπύλης στην κορυφή του εμποδίου. Δηλαδή στην περίπτωση παρεμβολής ενός κτηρίου αν η απόσταση των επίγειων 88

89 κεραιών είναι μεγάλη, δεν παίζει ρόλο μόνο το ύψος του κτηρίου, αλλά λαμβάνεται υπόψη η καμπύλωση της γης. Γενικά για αποστάσεις μικρότερες των 10 χιλιομέτρων η καμπύλωση της γης αγνοείται. Σχήμα 3.9: Το φαινόμενο της περίθλασης 3.5 Στατιστική περιγραφή του καναλιού Για τον δέκτη οι αλλαγές στο κανάλι δεν είναι προβλέψιμες, δηλαδή το κανάλι δεν μπορεί να θεωρηθεί στατικό. Αυτός είναι ο λόγος που ο χαρακτηρισμός του καναλιού γίνεται με χρήση στατιστικών μοντέλων, λόγω της μη προβλεψιμότητας των αλλαγών στο κανάλι και άρα των απωλειών που έχει το σήμα κάθε στιγμή είτε λόγω σχετικής κίνησης του δέκτη ως προς τον πομπό είτε λόγω φυσικής μεταβολής του ίδιου του καναλιού,από μεταβολή των ατμοσφαιρικών συνθηκών ως την κίνηση οχημάτων. Τις απώλειες αυτές τις λέμε πιθανοθεωριτικές σε αντίθεση με τι ς Ντετερμισνιστικές,όπως είναι η απώλειες απόστασης. Για τον χαρακτηρισμό λοιπόν του καναλιού έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα στατιστικής περιγραφής σχετικά απλά αλλά ακριβή, τα οποία εξαρτώνται κάθε φορά από το περιβάλλον διάδοσης. Η περιγραφή γίνεται κυρίως με χρήση της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (PDF) η οποί α μας βοηθά στην περιγραφή της τυχαίας μεταβλητής που αναπαριστά το πλάτος του ληφθέντος σήματος, και η συνάρτηση αθροιστικής κατανομής (CDF) η οποία μας δίνει την πιθανότητα ο λόγος σήματος προς θόρυβο να πέσει κάτω από ένα όριο. Για τη στατιστική περιγραφή των μικρής κλίμακας διαλείψεων (small fading), που εμφανίζονται σε αποστάσεις της τάξης του μήκους κύματος, χρησιμοποιούνται μεταξύ άλλων οι κατανομές Rayleigh, Rice. 89

90 3.5.1 Κατανομή Rayleigh Η κατανομή Rayleigh είναι από τις ποιο γνωστές κατανομές που περιγράφουν τη λαμβανόμενη τιμή ισχύος του σήματος. Χρησιμοποιείται όταν δεν υπάρχει απευθείας συνιστώσα, δηλαδή δεν έχουμε οπτική επαφή πομπού δέκτη και όλες οι συνιστώσες που φτάνουν στον δέκτη έχουν υποστεί σκέδαση ανάκλαση ή περίθλαση. Λόγω επιδράσεων εξουδετέρωσης κυμάτων, η στιγμιαία λαμβανόμενη ισχύς που έρχεται σε μια κινητή κεραία γίνεται μια τυχαία μεταβλητή, που εξαρτάται από τη θέση της κεραίας. Η πολυοδική λήψη δηλαδή προκαλεί την λεγόμενη απόσβεση Rayleigh. Η φάση του λαμβανόμενου σήματος είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη μεταξύ 0 και 2π, ενώ το πλάτος x του σήματος, καθώς είναι τυχαία μεταβλητή, έχει συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας η οποία μπορεί να υπολογιστεί. Το λαμβανόμενο μη διαμορφωμένο σήμα,για ένα φασικό σύστημα συντεταγμένων μπορεί να εκφραστεί ως το άθροισμα δύο ορθογώνιων μεταξύ τους συνιστωσών Ι(t) και Q(t), οι οποίες είναι τυχαίες διεργασίες που αναπαριστούν το άθροισμα των αφιχθέντων σημάτων (με διαφορά 90 ο μεταξύ τους). Παρατηρούμε τις τυχαίες αυτές διεργασίες για μια συγκεκριμένη στιγμή. Αν υπάρχει αρκετά μεγάλος αριθμός σημάτων τότε από το κεντρικό οριακό θεώρημα (Central Limit Theorem), οι συνιστώσες Ι(t) και Q(t) ακολουθούν τη γκαουσιανή (Gaussian) κατανομή, με μηδενικό μέσο όρο. Το λαμβανόμενο σήμα έχει ένα πλάτος ίσο με τη ρίζα της ποσότητας Ι(t) 2 + Q(t) 2 και μια σταθερή φάση. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας προκύπτει,όπου το σ 2 αντιστοιχεί στη μέση ισχύ των λαμβανόμενων διάχυτων (σκεδαζόμενων) συνιστωσών που μεταδίδονται από τις πολλαπλές διαδρομές(multipath) και η μεταβλητή x είναι η τυχαία μεταβλητή του πλάτους του σήματος. Στα ασύρματα συστήματα, είναι αναμενόμενη μια τυπική παρεμβολή από πολλούς πομπούς. Κάθε σήμα μπορεί να υποστεί πολυοδική απόσβεση και φαινόμενο σκιάς.η συσσώρευση πολλών α ποσβενούμενων σημάτων με κατανομή Rayleigh απαιτεί εξέταση της φύσης των σημάτων που συμβάλλουν στην παρεμβολή. Γίνεται παρατήρηση της συμπεριφοράς ενός σήματος σε ένα διάστημα Τ, το οποίο είναι μικρό σε σχέση με το ρυθμό απόσβεσης του καναλιού,δηλαδή η απόσβεση δεν επηρεάζει τα πλάτη και τις φάσεις των σημάτων. Αυτά όμως μπορούν να επηρεαστούν από τη διαμόρφωση κατά το χρόνο Τ. Υπάρχουν δύο ακραίες περιπτώσεις: Συμφασική άθροιση συμβαίνει όταν κατά το διάστημα παρατήρησης οι διακυμάνσεις των 90

91 φάσεων που προκαλούνται είναι αρκετά μικρές και οι συχνότητες των φορέων των σημάτων είναι ίσες. Τότε η στιγμιαία ισχύς είναι εκθετικά κατανεμημένη. Ασύμφωνη άθροιση Δυναμική, ή ασύμφωνη άθροιση εμφανίζεται αν η φάση καθενός από τα σήματα κυμαίνεται σημαντικά,οπότε τα σήματα προστίθενται ασύμφωνα Κατανομή Rice Στην περίπτωση που έχουμε ένα κυρίαρχο σήμα, (ή ένας αθροιστικός φάσορας του απευθείας σήματος και μιας ανάκλασης) και ένα μεγάλο αριθμό πολυοδευόμενων κυμάτων (ανακλώμενων και διασκορπισμένων) μικρότερης έντασης, τότε γίνεται χρήση της κατανομής Rice. Το πρόβλημα είναι ανάλογο με ένα ημιτονοειδές με προσθήκη θορύβου. Στην ουσία το μοντέλο που βρίσκεται πίσω από την απόσβεση Rician είναι παρόμοιο με αυτό της απόσβεσης Rayleigh,με τη διαφορά τη παρουσία της ισχυρής συνηστώσας στη Rician. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (pdf) λαμβάνεται παρατηρώντας τις δύο τυχαίες διεργασίες Ι(t) και Q(t) (που συμπεριλαμβάνουν τα αφιχθέντα σήματα όπως και στη περίπτωση Rayleigh)σε μια συγκεκριμένη στιγμή t0.eάν ο αριθμός των αφιχθέντων (μέσω πολυόδευσης) κυμάτων είναι επαρκώς μεγάλος, το θεώρημα του κεντρικού ορίου μας λέει ότι οι τυχαίες διεργασίες ακολουθούν την Γκαουσιανή κατανομή, αλλά δεν έχουν μηδενική μέση τιμή λόγω της ύπαρξης της κύριας, ντετερμινιστικής, συνιστώσας. Ο μαθηματικός τύπος της pdf βρίσκεται τελικά ίσος με:,όπου το r s αντιστοιχεί στο πλάτος της κυρίαρχης συνιστώσας το r αντιστοιχεί στο λαμβανόμενο πλάτος σήματος και Ι 0 (x) είναι οι συναρτήσεις Bessel Αν αυτή μηδενιστεί, τότε η παραπάνω εξίσωση θα δώσει τη pdf της κατανομής Rayleigh. Βλέπουμε ότι οι δύο βασικές κατανομές της περιγραφής του small fading σχετίζονται και μάλιστα η μία είναι ειδική περίπτωση της άλλης. 91

92 Σχήμα 3.10: Η pdf κατανομή των Rice και Rayleigh Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε την pdf της κατανομή Rice (b,c) και για ίσο με μηδέν την pdf της κατανομής Rayleigh. Τα ακριβή μοντέλα Rician θεωρούν ότι το κύριο κύμα μπορεί να είναι το άθροισμα των φασόρων δύο ή περισσότερων κύριων κυμάτων, όπως του κύματος οπτικής ευθείας και του κύματος ανάκλασης από το έδαφος.όπως έχει παρουσιαστεί στο κεφάλαιο των επίγειων μεταδόσεων, αυτό το συνδυασμένο σήμα συμπεριφέρεται κυρίως σαν μια ντετερμινιστική, πλήρως προβλέψιμη διεργασία. Επίσης, το κύριο κύμα μπορεί να είναι μέρος μιας εξασθένησης λόγω φαινομένου σκίασης. Αυτή η περίπτωση είναι ευρέως διαδεδομένη στη μοντελοποίηση δορυφορικών καναλιών. 3.6 Συμπεράσματα Στην ενότητα αυτή μελετήθηκαν αναλυτικά οι βασικές αρχές και οι παράμετροι στις οποίες στηρίζεται η δορυφορική και επίγεια διάδοση. Αφού διακρίναμε τους τρόπους μετάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και μελετήσαμε την πολυοδική διάδοση που παίζει σημαντικό ρόλο στην εξασθένηση του σήματος, μελετήσαμε αναλυτικά το δορυφορικό και επίγειο κανάλι. 92

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ OFDM ΣΤΟΥΣ ΣΤΑΘΜΟΥΣ ΠΟΜΠΟΥ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ 4.1 Εισαγωγή H oρθογώνια πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) είναι η πλέον επιλεγμένη τεχνική διαμόρφωσης για τις ασύρματες επικοινωνίες. Η διαμόρφωση OFDM μπορεί να προσφέρει μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με επαρκή ανθεκτικότητα σε βλάβες του καναλιού. Ο σκοπός της παρούσας ενότητας είναι να παράσχει τον απαραίτητο κώδικα σε Matlab για την προσομοίωση των βασικών διεργασιών που εμπλέκονται στην παραγωγή και την λήψη ενός σήματος OFDM σε ένα φυσικό κανάλι καθώς επίσης να παράσχει μία αναλυτική περιγραφή του κάθε βήματος. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιηθεί, ως παράδειγμα, ένα από τα προτεινόμενα σήματα OFDM του Digital Video Broadcasting (DVB), πρότυπο στο οποίο βασίζεται η ευρωπαϊκή επίγεια ψηφιακή τηλεόραση. Σε ένα σύστημα OFDM, ένας μεγάλος αριθμός ορθογώνιων, επικαλυπτόμενων, στενής ζώνης υπό-καναλιών ή υποφερόντων που μεταδίδονται παράλληλα, χωρίζουν το διαθέσιμο προς μετάδοση εύρος ζώνης. Ο διαχωρισμός των υποφερόντων θεωρητικά είναι ελάχιστος, έτσι ώστε να υπάρχει μια πολύ συμπαγής χρήση του διαθέσιμου ραδιοφάσματος. Η προτίμηση της OFDM διαμόρφωσης έγκειται κυρίως στο τρόπο που το σύστημα χειρίζεται την παρεμβολή πολλαπλών διαδρομών στο δέκτη. Το φαινόμενο των πολλαπλών διαδρομών (multipath fading) προκαλεί τις εξής επιπτώσεις: i) επιλεκτική συχνοτική εξασθένηση (frequency selective fading) ii) και φαινόμενα διασυμβολικής παρεμβολής (ISI) Η «ομαλότητα» (flatness) που επιτυγχάνεται από ένα κανάλι στενής ζώνης αντιμετωπίζει την επιλεκτική συχνοτική εξασθένηση (frequency selective fading) ενώ η διαμόρφωση με ένα πολύ χαμηλό ρυθμό μετάδοσης συμβόλων (symbol rate) κάνει τα σύμβολα πολύ μεγαλύτερα απ' ότι η απόκριση του καναλιού, μειώνοντας με αυτό τον τρόπο τα φαινόμενα διασυμβολικής παρεμβολής (ISI). Χρησιμοποιώντας ισχυρούς κώδικες διόρθωσης λαθών μαζί με διαστήματα φύλαξης στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας επιτυγχάνουμε ακόμη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα έναντια στην επιλεκτική συχνοτική εξασθένηση και με την προσθήκη ενός επιπλέον διάστηματος φύλαξης (guard interval) μεταξύ διαδοχικών συμβόλων OFDM μπορoύμε 93

94 να μειώσουμε τις επιπτώσεις της διασυμβολικής παρεμβολής ακόμη περισσότερο. Επομένως, η χρήση ισοσταθμιστή στον δέκτη δεν είναι απαραίτητη. Υπάρχουν δύο βασικά μειονεκτήματα όσον αφορά τη διαμόρφωση OFDM: i) το μεγάλο δυναμικό εύρος του σήματος (που αναφέρεται επίσης ως δείκτης peak-to - average [PAR]) ii) και η ευαισθησία της σε σφάλματα συχνοτικού περιεχομένου. Ένα διάγραμμα του Ευρωπαϊκού προτύπου DVB-T παρουσιάζεται στο παρακάτω Σχήμα 4.1. Οι περισσότερες από τις διαδικασίες που περιγράφονται σε αυτό το διάγραμμα εκτελούνται μέσα σε ένα επεξεργαστή ψηφιακού σήματος (DSP), αλλά τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα παρουσιάζονται στο φυσικό κανάλι, δηλαδή το σήμα εξόδου του εν λόγω συστήματος. Ως εκ τούτου, ο σκοπός αυτής της ενότητας είναι να παρέχει μια περιγραφή του κάθε βήματος που εμπλέκεται στην παραγωγή αυτού του σήματος καθώς επίσης και τον κώδικα Matlab για την προσομοίωσή του. Με άλλα λόγια, θα επικεντρωθούμε μόνο στα μπλοκ με ετικέτες OFDM, D/A και Front End του Σχήματος 4.1. Θα γίνει προσπάθεια να απεικονιστεί ένα γενικό σύστημα δέκτη για να έχουμε μία πλήρη περιγραφή του συστήματος. Σχήμα 4.1 : DVB-T Transmitter 94

95 4.2 OFDM Μετάδοση DVB-T Παράδειγμα παρακάτω: Η έκφραση για ένα OFDM σύμβολο το οποίο ξεκινάει τη χρονική στιγμή t = t s δίνεται ( ),όπου d i είναι σύνθετα σύμβολα διαμόρφωσης, N s είναι ο αριθμός των υποφερόντων, Τ αντιστοιχεί στη διάρκεια του συμβόλου και f c είναι η φέρουσα συχνότητα. Μία συγκεκριμένη μορφή της παραπάνω σχέσης ( ) αντιστοιχεί στο πρότυπο DVB-T ως το σήμα εκπομπής. Η έκφραση είναι η εξής: ( ),όπου ( ),όπου: k δηλώνει τον αριθμό φέροντος l δηλώνει τον αριθμό συμβόλου OFDM m δηλώνει τον αριθμό του πλαισίου μετάδοσης K είναι ο αριθμός των μεταδιδόμενων φερόντων T s T u Δ f c είναι η διάρκεια συμβόλου (συνολική μαζί με το διάστημα «φρουρό») είναι το αντίστροφο του διαστήματος φερόντων είναι η διάρκεια του διαστήματος φρουρού είναι η κεντρική συχνότητα του RF σήματος k είναι ο δείκτης φέροντος που σχετίζεται με την κεντρική συχνότητα με την εξής σχέση, k = k (K max + K min ) / 2 95

96 c m,0,k c m,1,k c m,67,k μιγαδικό σύμβολο για το φέρον k του συμβόλου δεδομένου αρ.1 στο πλαίσιο m μιγαδικό σύμβολο για το φέρον k του συμβόλου δεδομένου αρ.2 στο πλαίσιο m μιγαδικό σύμβολο για το φέρον k του συμβόλου δεδομένου αρ.68 στο πλαίσιο m Είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι η σχέση ( ) περιγράφει ένα σύστημα που έχει χρησιμοποιηθεί και δοκιμαστεί από το Μάρτιο του Η εξομοίωσή μας θα επικεντρωθεί στην 2k λειτουργία του DVB-T. Η συγκεκριμένη λειτουργία προορίζεται για φορητή λήψη της DTV. Το μεταδιδόμενο OFDM σήμα οργανώνεται σε πλαίσια. Κάθε πλαίσιο έχει διάρκεια T F, και αποτελείται από 68 OFDM σύμβολα. Τέσσερα πλαίσια αποτελούν ένα υπέρπλαίσιο (super-frame). Κάθε σύμβολο αποτελείται από ένα σύνολο K=1.705 φερόντων στη 2k λειτουργία και μεταδίδεται με διάρκεια T S. Αν αθροίσουμε ένα χρήσιμο μέρος με διάρκεια T U και το διάστημα φρούρησης με διάρκεια Δ έχουμε τη διάρκεια συμβόλου T S. Οι αριθμητικές τιμές για τις OFDM παραμέτρους για τη 2k λειτουργία δίνονται αναλυτικά στον Πίνακα 4.1. Το επόμενο ζήτημα είναι η πρακτική εφαρμογή της ( ). Η πρακτική εφαρμογή της OFDM διαμόρφωσης έγινε πραγματικότητα τη δεκαετία του 90' λόγω της διαθεσιμότητας των DSP's που έκαναν το Fast Fourier Transform (FFT) προσιτό. Ως εκ τούτου, στο υπόλοιπο του κεφαλαίου θα επικεντρωθούμε σε αυτή την εφαρμογή χρησιμοποιώντας τις τιμές και τις αναφορές του DVB-T παραδείγματος. Αν λάβουμε υπόψη τη σχέση ( ) για την περίοδο από t = 0 έως t = T S παίρνουμε: ( ) Πίνακας 4.1: Αριθμητικές τιμές των OFDM παραμέτρων στη 2k λειτουργία 96

97 Υπάρχει ξεκάθαρη ομοιότητα μεταξύ της σχέσης ( ) και του Αντίστροφου Διακριτού Μετασχηματισμού Fourier (IDFT): ( ) Από τη στιγμή που υπάρχουν διάφοροι αποδοτικοί FFT αλγόριθμοι για να εκτελέσουν τον DFT και τον IDFT, είναι βολικό να παράγουμε Ν δείγματα Χ n που αντιστοιχούν στο χρήσιμο μέρος κάθε συμβόλου, διάρκειας T U. Παίρνοντας αντίγραφα των (Ν*Δ/T U ) μερών αυτών των δειγμάτων και βάζοντάς τα στο μπροστινό μέρος προκύπτει το διάστημα φύλαξης (guard interval). Μια μεταγενέστερη άνω-μετατροπή (up-conversion) δίνει το πραγματικό σήμα s(t) με κεντρική συχνότητα f c FFT Εκτέλεση Το πρώτο σημείο που πρέπει να λάβουμε υπόψη είναι ότι το φάσμα OFDM έχει κεντρική συχνότητα την f c, δηλαδή, το 1ο υποφέρον εντοπίζεται στα (7,61/2) MHz αριστερά από την fc ενώ η 1.705η στα (7,61/2) MHz δεξιά της. Ένας απλός τρόπος για να γίνει η f c κεντρική συχνότητα είναι να χρησιμοποιηθεί ένα 2N-IFFT με θεμελιώδη περίοδο Τ/2. Σύμφωνα με τον Πίνακα 3.1, η διάρκεια ενός OFDM συμβόλου Τ U καθορίζεται λαμβάνοντας υπόψη ένα 2048-IFFT (N = 2.048). Ως εκ τούτου, θα χρησιμοποιήσουμε ένα 4096-IFFT. Ένα διάγραμμα της παραγωγής ενός OFDM συμβόλου φαίνεται στο Σχήμα 4.2, όπου έχουμε επισημάνει τις μεταβλητές που χρησιμοποιούνται στον κώδικα Matlab. Το επόμενο βήμα είναι να εξεταστεί η κατάλληλη περίοδος προσομοίωσης. Ορίζουμε ως Τ τη θεμελιώδη περίοδο για ένα βασικής ζώνης σήμα, αλλά δεδομένου ότι προσομοιώνουμε ένα ζωνοπερατό σήμα, πρέπει να το συνδέσουμε με μία χρονική περίοδο, 1/R s, που λαμβάνει υπόψη τουλάχιστον δύο φορές τη συχνότητα φέροντος. Για λόγους απλότητας, χρησιμοποιούμε μία ακέραια σχέση: R s = 40 / T. Από αυτή η σχέση προκύπτει μια συχνότητα φέροντος κοντά στα 90 MHz, η οποία είναι στην εμβέλεια ενός VHF καναλιού 5, το οποίο είναι ένα συνηθισμένο τηλεοπτικό κανάλι σε κάθε πόλη. Μπορούμε τώρα να προχωρήσουμε περιγράφοντας τα βήματα που αντιστοιχούν στα κυκλωμένα γράμματα του Σχήματος 4.2. Σχήμα 4.2: Προσομοίωση OFDM εκπομπής 97

98 Είναι σημαντικό να προσθέσουμε 4,096-1,705 = 2,391 μηδενικά στο σήμα info του (Α) βήματος ώστε να επιτύχουμε υπέρ-δειγματοληψία (over-sampling), 2X, και στο κέντρο του φάσματος. Στο Σχήμα 4.3 και στο Σχήμα 4.4, μπορούμε να παρατηρήσουμε το αποτέλεσμα αυτής της λειτουργίας καθώς επίσης και ότι το σήμα carriers χρησιμοποιεί χρονική περίοδο Τ / 2. Μπορούμε επίσης να παρατηρήσουμε ότι το σήμα carriers είναι το βασικής ζώνης σήμα διακριτού χρόνου. Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το σήμα σε προσομοιώσεις στο πεδίο του διακριτού χρόνου βασικής ζώνης, αλλά πρέπει να έχουμε υπόψη ότι τα κύρια μειονεκτήματα της OFDM διαμόρφωσης εντοπίζονται στο πεδίο του συνεχούς χρόνου και επομένως θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε το κατάλληλο εργαλείο προσομοίωσης. Το πρώτο βήμα για να παράγουμε ένα σήμα συνεχούς χρόνου είναι να εφαρμόσουμε ένα φίλτρο g (t) στο σύνθετο σήμα carriers. Η απόκριση ή παλμικό σχήμα της g (t) φαίνεται στο Σχήμα 4.5. Σχήμα 4.3: Χρονική απόκριση του σήματος carriers στο (Β). Σχήμα 4.4: Απόκριση συχνότητας του σήματος carriers στο (Β). Σχήμα 4.5: Παλμικό σχήμα g(t) Σχήμα 4.6: D/A απόκριση φίλτρου Η έξοδος αυτού του φίλτρου αποτυπώνεται στο Σχήμα 4.7 στο πεδίο του χρόνου και στο Σχήμα 4.8 στο πεδίο της συχνότητας. Η απόκριση συχνότητας του Σχήματος 4.8 είναι περιοδική, όπως απαιτείται για την απόκριση συχνότητας ενός συστήματος διακριτού χρόνου και το εύρος ζώνης του φάσματος που εμφανίζεται σε αυτό το σχήμα δίνεται από τη R s. Η περίοδος του U(t) είναι 2/Τ και έχουμε: (2/Τ = ) - 7,61 = MHz του εύρους ζώνης μετάβασης για το 98

99 ανακατασκευαζόμενο φίλτρο. Εάν επρόκειτο να χρησιμοποιήσουμε ένα Ν-IFFT, θα είχαμε μόνο (1/Τ = 9.143) = MHz του εύρους ζώνης μετάβασης και ως εκ τούτου θα απαιτούνταν ένα πολύ απότομο roll-off, και κατ' επέκταση υψηλή πολυπλοκότητα, κατά την ανακατασκευή του φίλτρου για να αποφευχθεί το φαινόμενο aliasing. (Το φαινόµενο aliasing σχετίζεται µε παραµορφώσεις που προκύπτουν λόγω της διακριτής δειγµατοληψίας και η ποιότητά του εξαρτάται από το πόσο καλά ο διακριτός µετασχηµατισµός θα προσεγγίσει τον συνεχή. Εµφανίζεται σαν µια επικάλυψη στο φάσµα και µπορεί να αποφευχθεί µε κατάλληλη συχνότητα δειγµατοληψίας. Θα πρέπει να ισχύει f S > 2f b όπου f S η συχνότητα δειγµατοληψίας και f b η µέγιστη συχνότητα που υπάρχει στο σήµα. Πρέπει δηλαδή η συχνότητα δειγµατοληψίας να είναι τουλάχιστον διπλάσια από τη µέγιστη συχνότητα του σήµατος (κριτήριο Nyquist).) Σχήμα 4.7: Χρονική Απόκριση του σήματος U στο (C). Σχήμα 4.8: Απόκριση συχνότητας του σήματος U στο (C). Η προτεινόμενη ανακατασκευή ή D/A απόκριση του φίλτρου φαίνεται στο Σχήμα 4.6. Πρόκειται για ένα φίλτρο Butterworth τάξης 13 και συχνότητας αποκοπής περίπου 1/T. Η έξοδος του φίλτρου φαίνεται στο Σχήμα 4.9 και Σχήμα Το πρώτο πράγμα που πρέπει να προσέξουμε είναι ότι η καθυστέρηση που παράγεται κατά τη διαδικασία του φιλτραρίσματος είναι περίπου 2x10-7. Εκτός αυτής της καθυστέρησης, το φιλτράρισμα εκτελείται όπως αναμένεται από τη στιγμή που έχουμε στη διάθεσή μας μόνο το βασικής ζώνης φάσμα. Πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι τα υποφέροντα βρίσκονται δεξιά από τα 0 Hz και τα υποφέροντα αριστερά από τα 4f c Hz. 99

100 Σχήμα 4.9: Χρονική Απόκριση του σήματος UOFT στο (D). Σχήμα 4.10: Απόκριση συχνότητας του σήματος UOFT στο (D). Το επόμενο βήμα είναι να εκτελέσουμε τη quadrature multiplex double-sideband amplitude διαμόρφωση του σήματος uoft (t). Σε αυτήν την διαμόρφωση, ένα in-phase σήμα m I (t) και ένα τετραγωνισμένο σήμα m Q (t) διαμορφώνονται σύμφωνα με τον τύπο: s(t) = m I (t) cos(2πf c t) + m Q (t) sin(2πf c t) ( ) Η εξίσωση ( ) μπορεί να επεκταθεί ως εξής: ( ),όπου μπορούμε να ορίσουμε τα in-phase και τετραγωνικά σήματα ως το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της C m,l,k, τα 4-QAM σύμβολα, αντίστοιχα. Η αντίστοιχη λειτουργία για την IFFT διαδικασία είναι η εξής: s(t) = uoft I (t) cos(2πf c t) uoft Q (t) sin(2πf c t). ( ) Η απόκριση συχνότητας κάθε μέρους της ( ) φαίνεται στο Σχήμα 4.11 και Σχήμα Η απόκριση του χρόνου και της συχνότητας για το σύνολο του σήματος s(t) φαίνεται στο Σχήμα 4.13και Σχήμα Μπορούμε να παρατηρήσουμε τη μεγάλη αξία των προαναφερθέντων PAR (peak-to- average) στην απόκριση χρόνου του Σχήματος

101 Σχήμα 4.11: uoft I (t) cos(2πf c t) Σχήμα 4.12: uoft Q (t) sin(2πf c t) απόκριση συχνότητας. απόκριση συχνότητας. Σχήμα 4.13: Χρονική απόκριση του σήματος s(t) στο (Ε). Σχήμα 4.14: Απόκριση συχνότητας του σήματος s(t) στο (Ε). Τέλος, η απόκριση χρόνου της σχέσης ( ), χρησιμοποιώντας μια άμεση προσομοίωση, παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.15 και η απόκριση συχνότητας της άμεσης προσομοίωσης καθώς και της 2N-IFFT εφαρμογής παρουσιάζονται στο Σχήμα Η άμεση προσομοίωση απαιτεί σημαντικό χρονικό διάστημα (περίπου 10 λεπτά σε ένα Sun Ultra 5, στα 333 MHz) και ως εκ τούτου, σε μια πρακτική εφαρμογή πρέπει να χρησιμοποιηθεί η IFFT / FFT προσέγγιση. Με μία άμεση σύγκριση του Σχήματος 4.13 και του Σχήματος 4.15 εντοπίζουμε διαφορές στην χρονική ευθυγράμμιση και στο πλάτος ενώ με μία μελέτη της απόκρισης συχνότητας που φαίνεται στο Σχήμα 4.16 συμπεραίνουμε σημαντική διακύμανση του πλάτους αλλά στενά συσχετιζόμενα φάσματα. Δεν θα μπορούσαμε να περιμένουμε ένα όμοιο σήμα από τη στιγμή που παίρνουμε διαφορετικά αποτελέσματα από ένα IFFT έναντι ενός 4096-IFFT χρησιμοποιώντας τα ίδια δεδομένα εισόδου. 101

102 Σχήμα 4.15: Χρονική απόκριση της άμεσης προσομοίωσης της ( ). Σχήμα 4.16: Απόκριση συχνότητας της άμεσης προσομοίωσης της ( ) και IFFT. 4.3 OFDM λήψη Όπως αναφέραμε προηγουμένως, ο σχεδιασμός ενός δέκτη OFDM είναι 'ανοικτός', δεδομένου ότι υπάρχουν μόνο πρότυπα εκπομπής. Με έναν 'ανοιχτό' σχεδιασμό δεκτών, το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας και των καινοτομιών γίνονται στο δέκτη. Για παράδειγμα, το μειονέκτημα της ευαισθησίας συχνότητας είναι κατά κύριο λόγο θέμα πρόβλεψης του καναλιού εκπομπής, κάτι που λαμβάνει χώρα στο δέκτη. Επομένως, θα παρουσιάσουμε μόνο μια βασική δομή δέκτη σε αυτή την ενότητα. Μία βασική δομή δέκτη φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 4.17: Προσομοίωση OFDM λήψης Η διαμόρφωση OFDM είναι πολύ ευαίσθητη στα offset στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Ακόμα και σε αυτό το ιδανικό περιβάλλον προσομοίωσης, πρέπει να λάβουμε υπόψη την καθυστέρηση που παράγεται κατά τη λειτουργία του φιλτραρίσματος. Όσον αφορά την προσομοίωσή μας, η καθυστέρηση που παράγεται κατά την ανακατασκευή και την αποδιαμόρφωση των φίλτρων είναι περίπου ( t d = 64/R S ). Η καθυστέρηση αυτή είναι αρκετή για να εμποδίσει την λήψη και είναι η αιτία των μικρών διαφορών που μπορούμε να δούμε μεταξύ των σημάτων εκπομπής και λήψης. Έχοντας λάβει υπόψη την καθυστέρηση, το υπόλοιπο μέρος της διαδικασίας λήψης είναι απλό/ξεκάθαρο. Όπως και στην περίπτωση της εκπομπής, καθορίσαμε τα ονόματα των μεταβλητών της προσομοίωσης και των διαδικασιών κατά την έξοδο (Σχήμα 4.17). Τα αποτελέσματα αυτής της προσομοίωσης φαίνονται στα Σχήματα 4.18 έως

103 Σχήμα 4.18: Χρονική απόκριση του σήματος r_tilde στο (F) Σχήμα 4.19: Απόκριση συχνότητας του σήματος r_tilde στο (F) Σχήμα 4.20: Χρονική απόκριση του σήματος r_info στο (G) Σχήμα 4.21: Απόκριση συχνότητας του σήματος r_info στο (G) Σχήμα 4.22: Χρονική απόκριση του σήματος r_data στο (H) Σχήμα 4.23: Απόκριση συχνότητας του σήματος r_data στο (H) 103

104 Σχήμα 4.24: info_h αστερισμός Σχήμα 4.25: a_hat αστερισμός 4.4 Κώδικας MATLAB για OFDM προσομοίωση Παρακάτω δίνεται αναλυτικά ο κώδικας Matlab που χρησιμοποιήθηκε για την OFDM προσομοίωση κατά τη μετάδοση και τη λήψη OFDM μετάδοση %DVB-T 2K Transmission %Bandwidth= 8 MHz clear all; close all; %DVB-T Parameters Tu=224e-6; %useful OFDM symbol period T=Tu/2048; %baseband elementary period G=0; %choice of 1/4, 1/8, 1/16, and 1/32 delta=g*tu; %guard band duration Ts=delta+Tu; %total OFDM symbol period Kmax=1705; %number of subcarriers Kmin=0; FS=4096; %IFFT/FFT length q=10; %carrier period to elementary period ratio fc=q*1/t; %carrier frequency Rs=4*fc; %simulation period t=0:1/rs:tu; 104

105 %Data generator (A) M=Kmax+1; rand('state',0); a=-1+2*round(rand(m,1)).'+i*(-1+2*round(rand(m,1))).'; A=length(a); info=zeros(fs,1); info(1:(a/2))=(a(1:(a/2)).'); %Zero padding info((fs-((a/2)-1)):fs)=(a(((a/2)+1):a).'); %Subcarriers generation (B) carriers=fs.*ifft(info,fs); tt=0:t/2:tu; figure(1); subplot(211); stem(tt(1:20),real(carriers(1:20))); subplot(212); stem(tt(1:20),imag(carriers(1:20))); figure(2); f=(2/t)*(1:(fs))/(fs); subplot(211); plot(f,abs(fft(carriers,fs))/fs); subplot(212); pwelch(carriers,[],[],[],2/t); %D/A simulation L=length(carriers); chips=[carriers.';zeros((2*q)-1,l)]; p=1/rs:1/rs:t/2; g=ones(length(p),1); %pulse shape figure(3); stem(p,g); dummy=conv(g,chips(:)); u=(dummy(1:length(t))); % (C) figure(4); subplot(211); 105

106 plot(t(1:400),real(u(1:400))); subplot(212); plot(t(1:400),imag(u(1:400))); figure(5); ff=(rs)*(1:(q*fs))/(q*fs); subplot(211); plot(ff,abs(fft(u,q*fs))/fs); subplot(212); pwelch(u,[],[],[],rs); [b,a]=butter(13,1/20); %reconstruction filter [H,F]=FREQZ(b,a,FS,Rs); figure(6); plot(f,20*log10(abs(h))); uoft=filter(b,a,u); %baseband signal (D) figure(7); subplot(211); plot(t(80:480),real(uoft(80:480))); subplot(212); plot(t(80:480),imag(uoft(80:480))); figure(8); subplot(211); plot(ff,abs(fft(uoft,q*fs))/fs); subplot(212); pwelch(uoft,[],[],[],rs); %Upconverter s_tilde=(uoft.').*exp(1i*2*pi*fc*t); s=real(s_tilde); %passband signal (E) figure(9); plot(t(80:480)); figure(10); subplot(211); plot(ff,abs(fft(((real(uoft).').*cos(2*pi*fc*t)),q*fs))/fs); plot(ff,abs(fft(((imag(uoft).').*sin(2*pi*fc*t)),q*fs))/fs); plot(ff,abs(fft(s,q*fs))/fs); subplot(212); pwelch(((real(uoft).').*cos(2*pi*fc*t)),[],[],[],rs); pwelch(((imag(uoft).').*sin(2*pi*fc*t)),[],[],[],rs); pwelch(s,[],[],[],rs); 106

107 4.4.2 OFDM Λήψη %DVB-T 2K Reception clear all; close all; Tu=224e-6; %useful OFDM symbol period T=Tu/2048; %baseband elementary period G=0; %choice of 1/4, 1/8, 1/16, and 1/32 delta=g*tu; %guard band duration Ts=delta+Tu; %total OFDM symbol period Kmax=1705; %number of subcarriers Kmin=0; FS=4096; %IFFT/FFT length q=10; %carrier period to elementary period ratio fc=q*1/t; %carrier frequency Rs=4*fc; %simulation period t=0:1/rs:tu; tt=0:t/2:tu; %Data generator sm=2; [x,y]=meshgrid((-sm+1):2:(sm-1),(-sm+1):2:(sm-1)); alphabet=x(:)+1i*y(:); N=Kmax+1; rand('state',0); a=-1+2*round(rand(n,1)).'+i*(-1+2*round(rand(n,1))).'; A=length(a); info=zeros(fs,1); info(1:(a/2))=(a(1:(a/2)).'); info((fs-((a/2)-1)):fs)=(a(((a/2)+1):a).'); carriers=fs.*ifft(info,fs); %Upconverter L=length(carriers); chips=[carriers.';zeros((2*q)-1,l)]; p=1/rs:1/rs:t/2; g=ones(length(p),1); dummy=conv(g,chips(:)); u=[dummy;zeros(46,1)]; [b,aa]=butter(13,1/20); uoft=filter(b,aa,u); delay=64; %Reconstruction filter delay s_tilde=(uoft(delay+(1:length(t))).').*exp(1i*2*pi*fc*t); s=real(s_tilde); 107

108 %OFDM RECEPTION %Downconversion r_tilde=exp(-1i*2*pi*fc*t).*s; %(F) figure(1); subplot(211); plot(t,real(r_tilde)); axis([0e-7 12e ]); grid on; figure(1); subplot(212); plot(t,imag(r_tilde)); axis([0e-7 12e ]); grid on; figure(2); ff=(rs)*(1:(q*fs))/(q*fs); subplot(211); plot(ff,abs(fft(r_tilde,q*fs))/fs); grid on; figure(2); subplot(212);pwelch(r_tilde,[],[],[],rs); %Carrier suppression [B,AA]=butter(3,1/2); r_info=2*filter(b,aa,r_tilde); %Baseband signal continuous-time (G) figure(3); subplot(211); plot(t,real(r_info)); axis([0 12e ]); grid on; figure(3); subplot(212); plot(t,imag(r_info)); axis([0 12e ]); grid on; figure(4); f=(2/t)*(1:(fs))/(fs); subplot(211); plot(ff,abs(fft(r_info,q*fs))/fs); grid on; subplot(212); pwelch(r_info,[],[],[],rs); 108

109 %Sampling r_data=real(r_info(1:(2*q):length(t)))+1i*imag(r_info(1:(2*q):length(t))); %Baseband signal, discretetime % (H) figure(5); subplot(211); stem(tt(1:20),(real(r_data(1:20)))); axis([0 12e ]); grid on; figure(5); subplot(212); stem(tt(1:20),(imag(r_data(1:20)))); axis([0 12e ]); grid on; figure(6); f=(2/t)*(1:(fs))/(fs); subplot(211); plot(f,abs(fft(r_data,fs))/fs); grid on; subplot(212); pwelch(r_data,[],[],[],2/t); %FFT info_2n=(1/fs).*fft(r_data,fs); info_h=[info_2n(1:a/2) info_2n((fs-((a/2)-1)):fs)]; % (I) %Slicing for k=1:n, a_hat(k)=alphabet((info_h(k)-alphabet)==min(info_h(k)-alphabet)); %(J) end; figure(7); plot(info_h((1:a)),'.k'); title('info-h Received Constellation') axis square; axis equal; figure(8); plot(a_hat((1:a)),'or'); title('a_hat 4-QAM'); axis square; axis equal; grid on; axis([ ]); 109

110 4.5 Συμπεράσματα Το παρόν κεφάλαιο παρέχει μία αρκετά καλή επεξήγηση των θεμελιωδών αρχών του OFDM και αποτελεί ένα βασικό εργαλείο προσομοίωσης που θα χρησιμοποιήσουμε στο επόμενο κεφάλαιο για την μελέτη της επίδοσης του ασύρματου καναλιού στο σήμα OFDM στο σταθμό λήψης. 110

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΣΤΟ ΣΗΜΑ OFDM ΣΤΟ ΣΤΑΘΜΟ ΛΗΨΗΣ 5.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο μελετούμε σε πρώτη φάση τις βασικές αρχές που διέπουν τη διάδοση οπτικής και μη επαφής δίνοντας τους αντίστοιχους τύπους των απωλειών σε κάθε περίπτωση. Στη συνέχεια μελετούμε τις παραμέτρους που παίζουν ρόλο στον υπολογισμό της λαμβανόμενης ισχύος στην κεραία του δέκτη, στις περιπτώσεις επίγειας και δορυφορικής διάδοσης και εξάγουμε τους αντίστοιχους τύπους. Τέλος, μέσω γραφικών παραστάσεων θα δείξουμε την επίδραση που έχει το ασύρματο κανάλι στην εξασθένηση της λαμβανόμενης ισχύος και κατ επέκταση στο πλάτος του OFDM σήματος, που χρησιμοποιήθηκε στο 4 ο κεφάλαιο. 5.2 ιάδοση Οπτικής Επαφής Ο ελεύθερος χώρος παρουσιάζει κάποια ηλεκτροµαγνητική αντίσταση η οποία συµβάλλει στην ελάττωση της ισχύος του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος. Είναι γνωστό ότι για κατευθυντικές κεραίες µε κατευθυντικότητα G η πυκνότητα ισχύος που προκαλούν σε απόσταση d από τον ποµπό δίνεται από τη σχέση : S PG t 4d t 2 (5.1) H ισχύς που λαµβάνει µια κεραία τοποθετηµένη σε ένα σηµείο του χώρου µε πυκνότητα ισχύος S δίνεται από την σχέση P r = A r S όπου το µέγεθος A r είναι η ενεργός επιφάνεια της κεραίας, ένα ηλεκτροµαγνητικό µέγεθος που εκφράζει την ηλεκτροµαγνητική ενέργεια που µπορεί να συλλάβει η κεραία στο χώρο και δίνεται από την παρακάτω σχέση: A r G 4 2 r 2 W m (5.2) 111

112 Με βάση τις (5.1) και (5.2) µπορούµε να βρούµε την λαµβανόµενη ισχύ σε µια κεραία τοποθετηµένη σε απόσταση d από τον ποµπό µε τον οποίο έχει οπτική επαφή: P r 2 PG t tgr 4d (5.3) και η ισοδύναµη σχέση σε db είναι: P P G G 20log 4d r, db t, db t, db r, db (5.4) O τελευταίος παράγοντας στη σχέση (5.4) είναι οι απώλειες του ελευθέρου χώρου και δίνονται από την σχέση: L LOS ( d) db) 4d 20log ( (5.5) Βλέπουµε ότι οι απώλειες ελευθέρου χώρου αυξάνονται µε το τετράγωνο της απόστασης d και επιπλέον εξαρτώνται από τη συχνότητα. Όσο µεγαλώνει η συχνότητα τόσο µικραίνει το µήκος κύµατος και µεγαλώνουν και οι απώλειες ( f = c / λ ). Οι απώλειες αυτές οφείλονται στις λεγόµενες µακρόχρονες διαλείψεις οι οποίες αναφέρονται στο µέσο όρο της περιβάλλουσα του σήµατος. 5.3 ιάδοση µη Οπτικής Επαφής Η διάδοση µη οπτικής επαφής συµβαίνει όταν µεταξύ του ποµπού και του δέκτη παρεµβάλλονται αντικείµενα τα οποία έχουν ως αποτέλεσµα η ισχύς του ποµπού να µειώνεται εκθετικά µε την απόσταση σε µεγαλύτερο βαθµό από το τετράγωνο της απόστασης πράγµα που συµβαίνει στην περίπτωση της οπτικής επαφής. Στην διάδοση µη οπτικής επαφής επιδρούν τα φαινόµενα που περιγράφηκαν συνοπτικά πιο πάνω (ανάκλαση, διάθλαση, σκέδαση) τα οποία έχουν ως αποτέλεσµα να φθάνει το κύµα στο δέκτη πολύ πιο εξασθενηµένο σε σχέση µε την περίπτωση της οπτικής επαφής. Για τη ανάλυση της διάδοσης µη οπτικής επαφής έχουν αναπτυχθεί διάφορα µοντέλα περιγραφής των απωλειών σε απόσταση d ανάλογα µε το περιβάλλον στο οποίο αναφερόµαστε, δηλαδή αν είναι αστικό, υπαίθριο, ηµιαστικό. Βέβαια όλα αυτά τα µοντέλα είναι εµπειρικά και έχουν προκύψει βάσει µετρήσεων. Το µοντέλο που χρησιµοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις και λαµβάνει υπόψη του το περιβάλλον διάδοσης δίνεται από την παρακάτω σχέση: 112

113 L NLOS n ( d d ) L ( d ) d 0 (5.6) 0 και η ισοδύναµη σχέση σε db είναι: d L NLOS ( d) db L( d0) db 10nlog (5.7) d0,όπου n : εκθέτης απωλειών διαδροµής µε τυπικές τιµές 2 n 4 για εσωτερικούς χώρους και 3.5 n 5 για εξωτερικούς χώρους. d : η απόσταση µεταξύ των κεραιών ποµπού και δέκτη. d 0 : η απόσταση αναφοράς για την οποία ισχύει η διάδοση οπτικής επαφής και ορίζεται συνήθως στο 75% τουλάχιστον καθαρότητας της 1 ης ζώνης Fresnel. L(d 0 ) : οι απώλειες για την απόσταση d 0 που δίνονται από τη σχέση. Ο εκθέτης n στην ουσία µας δείχνει πόσο έντονα επιδρά το περιβάλλον στην εξασθένηση του σήµατος και εξαρτάται καθαρά από την χωρική διαµόρφωση του σε σχέση µε την θέση του ποµπού και του δέκτη. Με βάση όπως σχέσεις (5.4) και (5.6) µπορούµε να καθορίσουµε όπως συνολικές απώλειες που υφίσταται ένα σήµα κατά την διάδοση του σε ένα περιβάλλον ως εξής: L TOTAL 4d 2 d d 0 και η ισοδύναµη σχέση σε db είναι: 0 n (5.8) 4d 0 L TOTAL 20log 10nlog d d 0 (5.9) 113

114 5.4 Μελέτη λαμβανόμενης ισχύος δέκτη σε δορυφορικό κανάλι Το γεγονός ότι οι φορητές συσκευές, που συνδέονται άμεσα με το πρότυπο DVB-H που μελετήσαμε στο 2 ο κεφάλαιο, έχουν ένα συγκεκριμένο επίπεδο ευαισθησίας (sensitivity level) πάνω από το οποίο ενεργοποιείται η λειτουργία όπως (δηλαδή την ισχύ του δέκτη), καθιστά μείζoνος σημασίας τη μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν την τιμή όπως λαμβανομένης ισχύος στην κεραία του δέκτη κατά την δορυφορική διάδοση. Η σχέση που συνδέει τη λαμβανόμενη ισχύ P r στην κεραία του δέκτη με την απόσταση d μεταξύ του πομπού και του δέκτη στην περιπτώση δορυφορικού καναλιού (satellite channel) δίνεται παρακάτω: P r EIRP G r L FSL k i1 L i (dbw) (5.10) Όπου : EIRP = 10log 10 (P t G t ) dbw : ενεργός ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς που περιγράφει το συνδυασμό όπως ισχύος πομπού και του κέρδους κεραίας από την άποψη ισοδύναμης ισοτροπικής πηγής ισχύος P t G t Watts που εκπέμπει σε όπως όπως κατευθύνσεις. G r = 10log 10 (4πΑ e / λ 2 ) db : κέρδος όπως κεραίας λήψης όπου Α e ενεργός διατομή όπως κεραίας. L FSL = 20log 10 (4πd / λ) db : απώλειες ελευθέρου χώρου k i1 L i L a L ta L ra db: απώλειες στην ατμόσφαιρα λόγω εξασθένησης από οξυγόνο, υδρατμούς και βροχή, απώλειες όπως κεραίες σε κάθε άκρο ζεύξης και πιθανή μείωση του κέρδους των κεραιών λόγω εσφαλμένης σκόπευσης (mispointing).συγκεκριμένα έχουμε: L a : εξασθένηση στην ατμόσφαιρα L ta : απώλειες που σχετίζονται με την κεραία εκπομπής L ra : απώλειες που σχετίζονται με την κεραία λήψης Βασιζόμενοι όπως παραπάνω σχέσεις και δίνοντας συγκεκριμένες τιμές όπως εξής παραμέτρους : P t = 20 kw G t = 10 db G r = 1.2 G r = 10log 10 (1.2) db 114

115 f = 11 GHZ k L i i1 = 4 db εξάγουμε στο MATLAB τη γραφική παράσταση (P r d) για τρεις αποστάσεις οι οποίες αντιστοιχούν σε τρεις κατηγορίες δορυφόρων : 1. GEO -> km (geostationary earth orbit) 2. MEO -> km (medium earth orbit) 3. LEO -> 735km (low earth orbit) Η γραφική παράσταση καθώς και ο αντίστοιχος κώδικας στο MATLAB δίνονται παρακάτω : Σχήμα 5.1: Γραφική παράσταση P r d για τρεις κατηγορίες δορυφόρων (GEO,MEO,LEO) Από τη γραφική παράσταση συμπεραίνουμε ότι όσο αυξάνεται η απόσταση τόσο μειώνεται η ισχύς που λαμβάνει η κεραία του δέκτη. 115

116 % Satellite Channel %arxikopoiisi Pt = 10*log10(20000); Gt = 10; Gr =10*log10(1.2); other_losses= 4; l = /(11*10^9); % l=c/f %endiamesoi upologismoi EIRP=10*(log10(Pt*Gt)); r=[ ]; FSL=20*(log10(4*pi*r/l)); % apoleies eleutherou xorou Pr=EIRP + Gr FSL (other_losses); % Isxus dekti %graph fig_title = Pr-R ; plot(r,pr, b ); xlabel( r (km) ); ylabel( Pr (db) ); title(fig_title); 116

117 5.5 Μελέτη λαμβανόμενης ισχύος δέκτη σε επίγειο κανάλι Ομοίως, πρέπει να μελετήσουμε όπως παραμέτρους που επηρεάζουν την τιμή όπως ισχύος του δέκτη στην περίπτωση όπως επίγειας διάδοσης, καθώς υπάρχει άμεση εξάρτηση με το πρότυπο DVB-T. Στην περίπτωση χρησιμοποίησης επίγειου καναλιού για τη μετάδοση όπως σήματος το μόνο που αλλάζει σε σύγκριση με τη δορυφορική διάδοση, είναι οι παράμετροι που προκαλούν εξασθένηση στο εκπεμπόμενο σήμα, δηλαδή οι απώλειες (Losses). Θα θεωρήσουμε σε πρώτη περίπτωση ότι στο κανάλι μας εισέρχεται θόρυβος που ακολουθεί την Rayleigh κατανομή (διάδοση μη οπτικής επαφής) και σε δεύτερη περίπτωση θόρυβος που ακολουθεί την Rice κατανομή (διάδοση οπτικής επαφής). Σύμφωνα με τις υποενότητες 5.2 και 5.3 οι απώλειες για διάδοση οπτικής επαφής και διάδοση μη οπτικής επαφής, αντίστοιχα, δίνονται από τους παρακάτω τύπους: 4d LLOS ( d) db) 20log ( (Απώλειες για Rice κατανομή) 4d 0 d L TOTAL, db 20log 10nlog d0 (Απώλειες για Rayleigh κατανομή) Επομένως η σχέση που συνδέει τη λαμβανόμενη ισχύ P r στην κεραία του δέκτη με την απόσταση d μεταξύ του πομπού και του δέκτη στην περίπτωση επίγειου καναλιού (terrestrial channel) δίνεται παρακάτω: i. Για κατανομή Rice έχουμε : P r, db EIRP db Gr, db LLOS, db Pt, db Gt, db Gr, db L LOS, db 117

118 ,όπου οι παραπάνω μεταβλητές ορίστηκαν στην υποενότητα 5.4. Βασιζόμενοι στις παραπάνω σχέσεις και δίνοντας συγκεκριμένες τιμές στις εξής παραμέτρους : P t = 20 kw G t = 8 db G r = 1.2 G r = 10log 10 (1.2) db f = 11 GHZ d = [ ] εξάγουμε στο MATLAB τη γραφική παράσταση (P r d) για d από 0km-30km με βήμα 100m όπως φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 5.2: Γραφική παράσταση P r d στο επίγειο κανάλι για κατανομή Rice 118

119 Ο αντίστοιχος κώδικας που χρησιμοποιήθηκε στο MATLAB δίνεται παρακάτω : % Terrestrial Channel-Rice fading %arxikopoiisi Pt = 10*log10(20000); Gt = 8; Gr =10*log10(1.2); l = /(11*10^9); % l=c/f %endiamesoi upologismoi EIRP=10*(log10(Pt*Gt)); d=0:100:30000; FSL=20*(log10(4*pi*d/l)); % apoleies eleutherou xorou Pr=EIRP + Gr - FSL; % Isxus dekti %graph fig_title = 'Pr-R'; plot(d,pr,'b'); xlabel('d (km)'); ylabel('pr (db)'); title(fig_title); ii. Για κατανομή Rayleigh έχουμε : P r, db EIRP db Gr, db LTOTAL, db Pt, db Gt, db Gr, db όπου L TOTAL 4d 0, db 20log 10nlog d d 0 L TOTAL, db όπου n : εκθέτης απωλειών διαδροµής µε τυπικές τιµές 2 n 4 για εσωτερικούς χώρους και 3.5 n 5 για εξωτερικούς χώρους. 119

120 d : η απόσταση µεταξύ των κεραιών ποµπού και δέκτη. d 0 : η απόσταση αναφοράς για την οποία ισχύει η διάδοση οπτικής επαφής και ορίζεται συνήθως στο 75% τουλάχιστον καθαρότητας της 1 ης ζώνης Fresnel. L(d 0 ) : οι απώλειες για την απόσταση d 0 που δίνονται από τη σχέση. Ο εκθέτης n στην ουσία µας δείχνει πόσο έντονα επιδρά το περιβάλλον στην εξασθένηση του σήµατος και εξαρτάται καθαρά από την χωρική διαµόρφωσή του σε σχέση µε την θέση του ποµπού και του δέκτη. Οι υπόλοιπες μεταβλητές ορίστηκαν αναλυτικά στην υποενότητα 5.4. Παρακάτω δίνεται ο πίνακας με τις τιμές που παίρνει η μεταβλητή n για κάθε περιβάλλον: ENVIRONMENT PATH LOSS EXPONENT, n Free Space Urban area cellurar radio 3 5 Shadowed urban cellurar radio In building line-of-sight 4 6 Obstructed in building 4 6 Obstructed in factories 2-3 Πίνακας 5.1: Τιμές της παραμέτρου n ανάλογα το περιβάλλον διαδοσης Στην περίπτωσή μας θα λάβουμε υπόψη όλα τα περιβάλλοντα εκτός από το Shadowed urban cellurar radio, για τον υπολογισμό των απωλειών. Οπότε λαμβάνουμε τις εξής τιμές: n UACR = 4 n IBLOS = 5 n OIB = 5 n OIF = 2.5 L TOTAL L FSL L UACR L IBLOS L OIB L OIF Οι τιμές των υπόλοιπων παραμέτρων είναι οι ίδιες με την προηγούμενη περίπτωση, δηλαδή : 120

121 P t = 20 kw G t = 8 db G r = 1.2 G r = 10log 10 (1.2) db f = 11 GHZ με τη διαφορά ότι d 0 = [ ] και d = 30 km Οπότε προκύπτει η παρακάτω γραφική παράσταση μέσω του MATLAB: Σχήμα 5.3: Γραφική παράσταση P r d στο επίγειο κανάλι για κατανομή Rayleigh 121

122 Ο αντίστοιχος κώδικας που χρησιμοποιήθηκε στο MATLAB δίνεται παρακάτω: % Terrestrial Channel-Rayleigh fading %arxikopoiisi Pt = 10*log10(20000); Gt = 8; Gr =10*log10(1.2); l = /(11*10^9); % l=c/f do = 100:100:30000; d=zeros(1,300); d=d+30000; nuacr = 4; % Urban area cellurar radio environment niblos = 5; % In building line-of-sight environment noib = 5; % Obstructed in building environment noif = 2.5; % Obstructed in factories environment %endiamesoi upologismoi EIRP = 10*(log10(Pt*Gt)); LFSL = 20*(log10(4*pi*do/l)); % apoleies eleutherou xorou LUACR = 10*nuacr*(log10(d/do)); LIBLOS = 10*niblos*(log10(d/do)); LOIB = 10*noib*(log10(d/do)); LOIF = 10*noif*(log10(d/do)); Ltotal = LFSL + LUACR + LIBLOS + LOIB + LOIF; %sunolikes apoleies Pr = EIRP + Gr - Ltotal; % Isxus dekti %graph fig_title = 'Pr-R'; plot(do,pr,'b'); xlabel('do (km)'); ylabel('pr (db)'); title(fig_title); 122

123 Επίδοση ασύρματου καναλιού στο σήμα OFDM στο σταθμό λήψης Στο Κεφάλαιο 4 υλοποιήσαμε αλγόριθμο και προσομοίωση για την τεχνική OFDM στους σταθμούς του πομπού και λήψης, δηλαδή χωρίς την παρεμβολή ασύρματου καναλιού που εισάγει σημαντική εξασθένηση στο εκπεμπόμενο σήμα. Σκοπός αυτής της υποενότητας είναι να δείξουμε μέσω του MATLAB αυτή ακριβώς την εξασθένηση που υφίσταται το σήμα μας σε περίπτωση χρησιμοποίησης ασύρματου καναλιού (όπως συμβαίνει και στην πραγματικότητα δηλαδή). Συγκεκριμένα θα χρησιμοποιήσουμε διάδοση σε επίγειο κανάλι μη οπτικής επαφής (Rayleigh fading), το οποίο και μελετήθηκε αναλυτικά προηγουμένως. Στην περίπτωση που παρεμβάλλεται φυσικό κανάλι το OFDM σήμα s(t) δίνεται από τη σχέση : } 2 2 sin Im 2 2 cos Re { ) ( min max 0,0, min max 0,0, max min max min t c U K K k k t c U K K k k f T K K k c f T K K k c A t s όπου το πλάτος Α του σήματος υπολογίζεται από τη σχέση: A 2P r Για P r = 20 kw Α = 200w

124 124 Στην περίπτωση που παρεμβάλλεται το επίγειο κανάλι το OFDM σήμα δίνεται από τη σχέση: } 2 2 sin Im 2 2 cos Re '{ ) '( min max 0,0, min max 0,0, max min max min t c U K K k k t c U K K k k f T K K k c f T K K k c A t s όπου το πλάτος Α του σήματος υπολογίζεται από την ίδια σχέση ' 2 ' r P A μόνο που το P r σε αυτή την περίπτωση λόγω απωλειών είναι μικρότερο από το P r. db r db db r db r P PathLoss P P,, ', Έστω ότι η ισχύς στο δέκτη λόγω απωλειών είναι η μισή από την ιδανική περίπτωση δηλαδή P r = 10 kw Α =141w Επόμενο είναι και ότι η γραφική παράσταση του OFDM σήματος θα είναι μετατοπισμένη προς τα κάτω εφόσον το πλάτος του σήματος είναι μικρότερο. Μέσω του MATLAB θα αποδείξουμε αυτόν τον ισχυρισμό.

125 Οι τιμές των OFDM παραμέτρων που θα χρησιμοποιήσουμε φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Οι γραφικές παραστάσεις που εξάγουμε χρησιμοποιώντας το MATLAB φαίνονται παρακάτω : Σχήμα 5.4: OFDM σήμα στο δέκτη μέσω φυσικού καναλιού 125

126 Σχήμα 5.5: OFDM σήμα στο δέκτη υπό την παρουσία ασύρματου καναλιού κανάλι 5.7 Συμπεράσματα Αρχικά μελετήσαμε την διάδοση οπτικής και μη επαφής, εξάγαμε τους αντίστοιχους τύπους των απωλειών και βασιζόμενοι σε αυτούς υπόλογίσαμε την λαμβανόμενη ισχύ στην κεραία ενός δέκτη για τις περιπτώσεις που πρεμβάλλεται δορυφορικό και επίγειο κανάλι. Τέλος, μελετήσαμε την την OFDM μετάδοση μέσω ασύρματου καναλιού, και εξάγαμε με τη βοήθεια του MATLAB τις γραφικές παραστάσεις του OFDM σήματος για τις περιπτώσεις διάδοσης μέσω φυσικού και ασύρματου καναλιού. Συγκρίνοντας τες συμπεραίνουμε ότι το σήμα φτάνει σημαντικά πιο εξασθενημένο στο δέκτη στην περίπτωση που παρεμβάλλεται το ασύρματο κανάλι. 126