ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜ. ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΠΛΗΡ/ΚΗΣ & ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δρ. Γ. ΓΑΡΔΙΚΗΣ 5 Επίγεια ψηφιακή τηλεόραση
Επίγεια τηλεόραση: Η ασύρματη εκπομπή και λήψη του τηλεοπτικού σήματος αποκλειστικά από επίγειους σταθμούς. Συνήθως η παραγωγή του σήματος γίνεται στον πάροχο σταθμό, από όπου στέλνεται για εκπομπή σε ένα κεντρικό σημείο εκπομπής (που συνήθως βρίσκεται σε ένα υπερυψωμένο μέρος βουνό κλπ.) Αναλογική επίγεια τηλεόραση (PAL, SECAM, NTSC κλπ) Digital Switchover Η διαδικασία μετάβασης στην ψηφιακή μετάδοση (μέχρι το 2012). Ευρωπαϊκά πρότυπα DVB Τ, DVB Τ2. (ΗΠΑ: ATSC, Κίνα: DTTB, Κορέα: T DMB, Ιαπωνία: ISDB T) Οι μπάντες/περιοχές συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι Band III (174 230 MHz VHF ) και Band IV&V (470 862 MHz UHF ). Το εύρος ζώνης του σήματος είναι συνήθως όσο και της αναλογικής TV δηλ. 8 MHz. 2
Σημείο εκπομπής Σταθμός παραγωγής Δέκτης 3 Η αποστολή του σήματος από τον πάροχο σταθμό προς το σημείο εκπομπής γίνεται συνήθως είτε με απευθείας ασύρματη μικροκυματική ζεύξη είτε μέσω μισθωμένης τηλεπικοινωνιακής γραμμής.
Εκτείνεται γύρω από το σημείο εκπομπής, εξαρτάται από την ισχύ εκπομπής, τα χαρακτηριστικά εκπομπής (διαμόρφωση, ρυθμός κώδικα) και το ανάγλυφο του εδάφους. Συνήθως εκτείνεται σε ακτίνα μερικών δεκάδων χιλιομέτρων. 4
Βασικότερο πλεονέκτημα: η ευρωστία και η μεγάλη «αντοχή» του σήματος, που επιτρέπει τη λήψη από κινούμενους χρήστες αλλά και από κεραίες εσωτερικού χώρου Βασικότερο μειονέκτημα: η περιορισμένη περιοχή κάλυψης (σε σχέση με τη δορυφορική εκπομπή). Γι αυτό απαιτούνται πολλαπλά σημεία εκπομπής για να καλυφθεί π.χ. μια ολόκληρη χώρα. 5
Απώλειες του σήματος λόγω σκίασης (δηλ. παρεμβολής εμποδίων μεταξύ του σημείου εκπομπής και του δέκτη κτιρίων, δέντρων κλπ) Πολυδιαδρομική διάδοση (παραμόρφωση του σήματος λόγω άφιξης στο δέκτη πολλαπλών «αντιγράφων» του σήματος από διαφορετικές ανακλάσεις) Ολίσθηση Doppler στο πεδίο της συχνότητας λόγω κίνησης του δέκτη Έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες διάδοσης στον κινούμενο δέκτη λόγω πολυπλοκότητας του περιβάλλοντος διάδοσης. Απότομες μεταβολές του σηματοθορυβικού λόγου (SNR) Παρεμβολές από ηλεκτρικές συσκευές >> Ο σκοπός ενός προτύπου επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης είναι να «θωρακίσει» το MPEG 2 Transport Stream (όπως αυτό παράγεται από τον πολυπλέκτη) επαρκώς ώστε να ληφθεί σωστά παρ όλα τα παραπάνω προβλήματα. 6
Περιγράφουν τη διαδικασία εκπομπής ενός MPEG 2 TS σε ένα επίγειο περιβάλλον. Πρότυπο DVB Τ («Digital Video Broadcas ng (DVB); Framing structure, channel coding and modula on for digital terrestrial television») 1997. Διαθέσιμο στο eclass. Πρότυπο DVB T2 («Digital Video Broadcas ng (DVB); Frame structure channel coding and modula on for a second genera on digital terrestrial television broadcas ng system (DVB T2)» 2009. Όπως και το DVB S2, έτσι και το DVB T2 προσφέρει μεγαλύτερη χωρητικότητα, αυξημένη αντοχή σε θόρυβο και διαλείψεις, μεγαλύτερη ευελιξία μεταφέρει όχι μόνο MPEG 2 TS αλλά οποιοδήποτε ψηφιακό σήμα. Υποστηρίζει έτσι ένα πλήθος υπηρεσιών, όχι μόνο τηλεόραση. 7 Και τα δύο είναι Ευρωπαϊκά πρότυπα προτυποποιημένα από τον ETSI.
Για την προστασία και τη μετάδοση του σήματος χρησιμοποιούνται από το διαμορφωτή οι τρεις βασικοί μηχανισμοί που χρησιμοποιούνται και στο δορυφορικό σύστημα: 1. Κωδικοποίηση καναλιού Channel coding (2 σταδίων) 2. Διεμπλοκή Interleaving (2 σταδίων) 3. Διαμόρφωση Modula on MPEG 2 TS 1 η Κωδικοποίηση 1 η Διεμπλοκή 2 η Κωδικοποίηση 2 η Διεμπλοκή Διαμόρφωση Εκπομπή 8
9 Κωδικοποίηση καναλιού (channel coding) ονομάζεται η διαδικασία προσθήκης bytes πλεονασμού στο stream που μεταδίδεται. Αυτά τα επιπλέον bytes δίνουν στον δέκτη τη δυνατότητα να ανιχνεύει και να διορθώνει τα λάθη που συμβαίνουν κατά τη μετάδοση (μέχρι ένα συγκεκριμένο ποσοστό). Όσο περισσότερα bytes προστίθενται (δηλ. όσο μικρότερο είναι το κλάσμα του ρυθμού κώδικα) τόσο αυξάνεται η ικανότητα διόρθωσης λαθών στο δέκτη, αλλά μειώνεται το ωφέλιμο διαθέσιμο εύρος ζώνης. Στο DVB T (και στο DVB S) χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση οι αλγόριθμοι Reed Solomon (1ο στάδιο) και συνελικτικός (2 ο στάδιο) Στο DVB T2 (και στο DVB S2) χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση οι αλγόριθμοι BCH (1 ο στάδιο) και LDPC (Low Density Parity Check 2 ο στάδιο)
Στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση χρησιμοποιείται διαμόρφωση πλάτους φάσης (Amplitude Phase Modula on), όπου τόσο το πλάτος όσο και η φάση του φέροντος διαμορφώνονται από την ομάδα από bits (σύμβολο) που εκπέμπεται. S(t) = A(t) cos(2πf C t + φ(t)) Διαμόρφωση πλάτους Διαμόρφωση φάσης 10
Μπορούμε να απεικονισουμε τη διαμόρφωση ένα διάγραμμα όπου κάθε σύμβολο (που μεταφράζεται σε τιμή φάσης και πλάτους) αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο σημείο. Το διάγραμμα αυτό λέγεται διάγραμμα I Q (I Q diagram) ή διάγραμμα σηματαστερισμού (constellaˆon diagram). Το πλάτος και η φάση του φέροντος ανά πάσα στιγμή παρίστανται με ένα διάνυσμα με αφετηρία την αρχή των αξόνων («phasor»). π.χ. Για τη διαμόρφωση QPSK το διάγραμμα σηματαστερισμού έχει ως εξής: 10 00 φ(t) 11 11 01
Στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση χρησιμοποιούνται τέσσερις διαμορφώσεις διαφορετικής «τάξης»: QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM. (Η τελευταία μόνο στο DVB T2) QPSK (2 bits/symbol) 16 QAM (4 bits/symbol) 12
13 64 QAM (6 bits/symbol)
14 256 QAM (8 bits/symbol) μόνο στο DVB T2
Η πτώση του σηματοθορυβικού λόγου προκαλεί τυχαίες μεταβολές τόσο στο πλάτος όσο και στη φάση του λαμβανόμενου σήματος. Έτσι, στο δέκτη, τα σημεία του σηματαστερισμού παρουσιάζουν αποκλίσεις. 15 QPSK (εκπομπή) QPSK (λήψη) SNR = 10dB QPSK (λήψη) SNR = 6dB
Όσο μεγαλύτερη είναι η τάξη της διαμόρφωσης, τόσο αυξάνεται ο αριθμός των bits που αντιπροσωπεύει κάθε σύμβολο. Επειδή ο αριθμός των συμβόλων που εκπέμπονται ανά δευτερόλεπτο είναι σταθερός, αυξάνεται το bit rate που μπορεί να σταλεί. Όμως... Όσο μεγαλύτερη είναι η τάξη της διαμόρφωσης, τόσο πιο κοντά μεταξύ τους είναι τα σημεία του σηματαστερισμού. Έτσι, υπάρχει μεγαλύτερος κίνδυνος σε περίπτωση χαμηλού SNR ένα σύμβολο να ληφθεί λανθασμένα ως κάποιο «γειτονικό» του. Έτσι, συμβαίνει λάθος το οποίο καλείται να διορθώσει η κωδικοποίηση καναλιού. Π.χ. Ένα «00» μπορεί να ληφθεί λανθασμένα ως «01» 16 Αυτό σημαίνει ότι σήμα που εκπέμπεται με διαμόρφωση υψηλότερης τάξης απαιτεί υψηλότερο SNR στο δέκτη για να ληφθεί σωστά.
Συνεπώς υπάρχουν δύο παράμετροι που ορίζουν τη χωρητικότητα (σε ωφέλιμο bitrate) και την αντοχή του σήματος: Α. Ρυθμός κώδικα στην κωδικοποίηση καναλιού Χαμηλός ρυθμός κώδικα (δηλ. πολλά bits πλεονασμού) > σήμα που μπορεί να ληφθεί σωστά ακόμη και σε χαμηλό SNR Υψηλός ρυθμός κώδικα > Μεγαλύτερο ωφέλιμο bitrate (αυξημένη χωρητικότητα) Β. Σχήμα (τάξη) διαμόρφωσης Διαμόρφωση μικρής τάξης (π.χ. QPSK) > σήμα που μπορεί να ληφθεί σωστά ακόμη και σε χαμηλό SNR Διαμόρφωση μεγάλης τάξης (π.χ. 256 QAM) > Μεγαλύτερο ωφέλιμο bitrate (αυξημένη χωρητικότητα) 17 Ο συνδυασμός σχήματος διαμόρφωσης και ρυθμού κώδικα που επιλέγουμε στον πομπό λέγεται σχήμα μετάδοσης (transmission scheme). Το σχήμα μετάδοσης ορίζει: 1) το ωφέλιμο bitrate (δηλ. Το μέγιστο bitrate του MPEG 2 Transport Stream) και 2) το ελάχιστο απαιτούμενο SNR στον δέκτη ώστε να ληφθεί σωστά το σήμα (δηλ. για να μην υπερβούμε τη μέγιστη ικανότητα διόρθωσης του αποκωδικοποιητή καναλιού)
18 Modula on Code Rate Ωφέλιμο bitrate (Mbits/s) Ελάχιστο απαιτούμενο SNR στον δέκτη (db) QPSK 1/2 5,53 3,1 QPSK 2/3 7,37 4,9 QPSK 3/4 8,29 5,9 QPSK 5/6 9,22 6,9 QPSK 7/8 9,68 7,7 16 QAM 1/2 11,06 8,8 16 QAM 2/3 14,75 11,1 16 QAM 3/4 16,59 12,5 16 QAM 5/6 18,43 13,5 16 QAM 7/8 19,35 13,9 64 QAM 1/2 16,59 14,4 64 QAM 2/3 22,12 16,5 64 QAM 3/4 24,88 18,0 64 QAM 5/6 27,65 19,3 64 QAM 7/8 29,03 20,1 Τιμές για σήμα DVB T σε κανάλι 8MHz, Guard Interval = 1/8
Στην επίγεια ψηφιακή λήψη έχουμε έντονο το περιβάλλον της πολυδιαδρομικής διάδοσης (mulˆpath) δηλ. της άφιξης στον δέκτη πολλαπλών αντιγράφων του σήματος λόγω ανακλάσεων. 19 Η πολυδιαδρομική διάδοση προκαλεί διαφορετική εξασθένηση σε διαφορετικές συχνότητες («συχνοεπιλεκτικές διαλείψεις» frequency selec ve fading), κάτι που οδηγεί σε «παραμόρφωση» του φάσματος του σήματος Φάσμα σήματος DVB T που εκπέμπεται (εύρος 8MHz) Φάσμα σήματος DVB T που λαμβάνεται με συχνοεπιλεκτικές διαλείψεις λόγω πολυδιαδρομικής διάδοσης
Για να αντιμετωπιστεί το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση η τεχνική της Ορθογωνικής Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας Orthogonal Frequency Division Mulˆplexing (OFDM). Το OFDM χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην πράξη στο DVB T και σήμερα χρησιμοποιείται σε όλα τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα (π.χ. WiFi, WiMAX, κινητά 4 ης γενιάς κλπ) αλλά και ενσύρματα συστήματα (π.χ. στο DSL) Στο OFDM, αντί αν διαμορφώσουμε ένα μόνο φέρον, διαιρούμε το διαθέσιμο φάσμα σε έναν μεγάλο αριθμο Ν υπο φερόντων (subcarriers). Τα υπο φέροντα βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, δεν παρεμβάλλουν όμως το ένα στο άλλο επειδή είναι μεταξύ τους ορθογώνια. 20 Κάθε υπο φέρον διαμορφώνεται σύμφωνα με κάποια από τις προαναφερθείσες διαμορφώσεις (QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM) και μεταφέρει μόνο ένα μέρος (μερικά bits) της πληροφορίας.
21 Στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση, το συνολικό εύρος του σήματος W=8MHz διαιρείται συνήθως σε Ν=6817 υπο φέροντα, τα οποία απέχουν μεταξύ τους Δf=1.1kHz.
Κάθε υπο φέρον μεταφέρει το 1/6817 των συνολικών bits που μεταδίδονται. Οι συχνοεπιλεκτικές διαλείψεις που συμβαίνουν στην πολυδιαδρομική διάδοση δεν επηρεάζουν όλο το σήμα, αλλά μόνο κάποια υπο φέροντα. Έτσι, χάνονται μόνο τα bits που μεταφέρονται από αυτά τα υπο φέροντα. Τα bits αυτά ανακτώνται από τον αποκωδικοποιητή καναλιού. Η χρήση του OFDM επιτρέπει ακόμη τη χρήση μονοσυχνοτικών δικτύων (Single Frequency Networks SFNs) δηλαδή την κάλυψη μιας μεγάλης περιοχής από πολλές διεσπαρμένες κεραίες εκπομπής που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα και εκπέμπουν το ίδιο ακριβώς ψηφιακό τηλεοπτικό σήμα. Αυτό δεν ήταν δυνατόν στην αναλογική τηλεόραση, όπου κεραίες γειτονικών περιοχών έπρεπε να λειτουργούν σε διαφορετικές συχνότητες για την αποφυγή παρεμβολών, ακόμη και αν εξέπεμπαν το ίδιο σήμα. 22