UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Simon Žibrat MERITVE KAKOVOSTI SIGNALA DVB-T Diplomsko delo Maribor, oktober 2014
MERITVE KAKOVOSTI SIGNALA DVB-T Diplomsko delo Študent(ka): Študijski program: Smer: Mentor: Lektor(ica): Simon Žibrat Visokošolski strokovni študijski program elektrotehnika Avtomatika doc. dr. Iztok Krambeger Tatjana Horvat, višja knjižničarka in predmetna učiteljica slovenskega jezika Maribor, oktober 2014
i
MERITVE KAKOVOSTI SIGNALA DVB-T Ključne besede: DVB-T, enofrekvenčno omrežje, razmerje mofulacijske napake, ramensko slabljenje, razmerje napake bitov UDK: 004.383.3:621.391(043.2) Povzetek V svetu najbolj razširjen standard za sprejem prizemnih televizijskih programov je DVB-T. V diplomskem delu je DVB-T predstavljen od nastanka do lastnosti in posebnosti. Predstavljeni so tudi sorodni standardi in opisane lastnosti DVB-T omrežij za vzpostavitev učinkovitega prizemnega oddajnega omrežja. Diplomsko delo se osredotoča na meritve kakovosti signala DVB-T oddajnikov, zato so opisane komponente oddajniškega sistema, ki s svojimi lastnostmi vplivajo na izhodni signal oz. signal, ki ga merimo. Predstavitev merilnih parametrov, z namenom meritve posameznega parametra, je kot uvod v peto poglavje, kjer je podrobnejša analiza in teoretična razlaga vseh parametrov, katerih meritve so bile izvajane. Opis meritev z merilnimi rezultati ter opis postopka za doseganje želenih merilnih rezultatov je podan v šestem poglavju. V nadaljevanju sledi še predstavitev predkorektorja, ki je integrirano orodje, kjer s pomočjo grafičnega uporabniškega vmesnika lahko spreminjamo lastnosti signala, ter tako dosegamo želeno obliko izhodnega signala. Ob merilnih rezultatih je v želji po znižanju obratovalnih stroškov oddajnega sistema zelo pomembna tudi učinkovitost oddajnikov, ki je v povezavi z nekaterimi merilnimi parametri in ji je zato namenjeno osmo poglavje. ii
QUALITIY MEASUREMENTS OF DVB-T SIGNAL Key words: DVB-T, Single Frequency Network-SFN, Modulation Error Ratio-MER, Shoulder Attenuation, Bit Error Ratio-BER UDK: 004.383.3:621.391(043.2) Abstract DVB-T is the world most spread standard for reception of ternrestrial television programmes. In my thesis DVB-T is explained from its start of existence to its characteristics and specialities. Similar standards are also presented together with requirements of DVB-T networks for establishment of efficient terrestrial transmission network. Thesis is focusing on the quality measurement of the DVB-T signal from transmitters. That is why components of the transmission system are described, which are with their characteristics influencing on the output signal or signal that is measured. Presentation of the measurement parameters with purpose of measurement of each single parameter is representing the intro to the fifth chapter, where detailed analysis and theoretical explanation of the parameters which were measured is presented. Description of the measurement together with results and description of the measuring process to achieve the desired measurement results is presented in the sixth chapter. In following chapter you are able to find presentation of the pre-corrector, which is an integrated tool, where you can change the characteristics of the output signal with help of the graphical user interface in order to gain the desired form of the output signal. To reduce the operational costs of the transmission system it is important to take care of the efficiency of the transmitter, not only the measurements of the signal, as efficiency is dependent on the measurement parameters everything surrounding this topic is presented in the eight chapter. iii
Kazalo 1 UVOD... 1 2 PREGLED STANDARDOV DVB... 3 2.1 Zgodovina DVB... 3 2.2 DVB-T... 3 2.2.1 Lastnosti DVB-T... 4 2.2.2 COFDM... 6 2.2.3 Razdelitev kanala... 8 2.2.4 Vstavljanje podnosilcev... 9 2.2.5 Vstavljanje zaščitnega intervala... 10 2.2.6 Kanalna sinhronizacija... 11 2.2.7 Osnovna konstelacija... 12 2.3 DVB-T2... 14 2.4 DVB-T ali DVB-T2... 15 2.5 DVB-H... 19 2.6 DVB-S in DVB-S2... 19 2.7 DVB-C in DVB-C2... 21 3 LASTNOSTI OMREŽIJ DVB-T IN KOMPONENTE ODDAJNIŠKEGA SISTEMA DVB-T. 23 3.1 Enofrekvenčno omrežje... 23 3.2 Oddajniški sistem DVB-T... 27 3.2.1 Vzbujalnik... 28 3.2.2 Ojačevalnik... 28 3.2.3 Harmonski filter... 29 3.2.4 Smerni sklopnik... 30 3.2.5 Kanalni filter... 30 3.2.6 RF toge cevi... 32 3.2.7 Koaksialni kabli... 33 3.2.8 Združevalnik... 34 3.2.9 Oddajne antene... 36 4 MERILNI PARAMETRI... 37 5 OPIS MERILNIH PARAMETROV... 41 5.1 Ramensko slabljenje... 41 5.2 Konstelacija... 43 iv
5.3 Meritev nivoja... 47 5.4 Razmerje napake bitov... 48 5.5 Razmerje modulacijske napake... 49 5.6 Faktor oblike... 51 5.7 Meritve na kanalu merjenje amplitude, faze in časovnega zamika... 52 6 MERITVE IN REZULTATI... 54 6.1 Ramensko slabljenje... 56 6.2 Konstelacija... 58 6.3 Meritev nivoja... 60 6.4 Razmerje napake bitov... 61 6.5 Razmerje modulacijske napake... 62 6.6 Faktor oblike... 68 6.7 Merjenje amplitude, faze in časovnega zamika... 70 7 PREDKOREKCIJA... 72 8 ENERGETSKI IZKORISTEK ODDAJNIKOV DVB... 77 8.1 Tehnologije za povečanje učinkovitosti delovanja oddajnikov... 78 9 SKLEP... 83 v
A. Kazalo slik Slika 2.1: Teoretični blok diagram modulatorja COFDM [3]... 7 Slika 2.2: Praktična implementacija modulatorja COFDM z IFFT [3]... 7 Slika 2.3: Razdelitev kanala... 8 Slika 2.4: Vstavljanje podnosilcev... 9 Slika 2.5: Vstavljanje zaščitnega intervala... 10 Slika 2.6: Markerji za sinhronizacijo... 11 Slika 2.7: Preslikovanje podatkov na OFDM simbole frekvenčno prepletanje... 12 Slika 2.8: Vrste modulacije konstelacije [3]... 13 Slika 2.9: Bitne hitrosti glede na razmerje C/N... 16 Slika 2.10: Primerjava bitnih hitrosti med DVB-T in DVB-T2... 17 Slika 2.11: Konstelacija DVB-T in DVB-T2... 18 Slika 3.1: Sinhronizacija v frekvenčni domeni... 23 Slika 3.2: MFN in SFN topologij... 24 Slika 3.3: Sinhronizacija časovne domene... 25 Slika 3.4: Shema end to end omrežja s prenosom referenčnega signala... 26 Slika 3.5: Blokovni diagram oddajniškega sistema digitalne televizije (DTV)... 27 Slika 3.6: Blok diagram vzbujalnika R&S SX800... 28 Slika 3.7: Pot RF signal od delilnika signala preko polja šestih ojačevalnikov do združenega izhoda... 29 Slika 3.8: Smerni sklopnik in harmonski filter v oddajniku... 30 Slika 3.9: Pasovno prepustni filter... 31 Slika 3.10: Meritev odbojnega slabljenja 8-pasovnega prepustnega filtra... 31 Slika 3.11: Primer RF toge cevi s prirobnico in kolenom... 32 Slika 3.12: Meritev odbojnega slabljenja 3 toge cevi... 33 Slika 3.13: RF kabel... 33 Slika 3.14: Meritev odbojnega slabljenja RF kabla... 34 Slika 3.15: Združevalnik... 35 Slika 3.16: Meritev vnešenaga slabljenja za kanal 69 širokopasovni vhod... 35 Slika 3.17: UHF panel... 36 Slika 3.18: UHF antenski sistem dve nadstropji, tri smeri... 36 Slika 5.1: Meritev ramenske razdalje... 41 Slika 5.2: Kritična maska (spodnja krivulja) in nekritična maska (zgornja krivulja) izhodnega signala, frekvenca glede na središče 8 MHz DVB-T kanala... 42 vi
Slika 5.3: Vpliv belega šuma [3]... 44 Slika 5.4: Fazno trepetanje/nihanje (Phase jitter) [3]... 45 Slika 5.5: I/Q napake modulatorja [3]... 46 Slika 5.6: I/Q fazna napaka [3]... 46 Slika 5.7: Efekt preostalega nosilca [3]... 47 Slika 5.8: NRP-Z51, toplotni senzor merilnik moči... 48 Slika 5.9: Shema za določanje BER pred Viterbi... 49 Slika 5.10: Vektor napake za določanje MER [3]... 50 Slika 5.11: Amplituda in skupinska zakasnitev (problem s preostalimi nosilci) [10]... 53 Slika 5.12: Meritev amplitude in faze (problem s preostalimi nosilci) [10]... 53 Slika 6.1: Merilno okolje... 54 Slika 6.2: Blokovna shema merilnega instrumenta R&S ETL... 55 Slika 6.3: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po metodi tangenta... 56 Slika 6.4: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po kazalčni metodi... 57 Slika 6.5: Ramensko slabljenje z rezultati metode tangenta in kazalčne metode... 58 Slika 6.6: Konstelacijski diagram (EFA merilni instrument) [3]... 59 Slika 6.7: TPS informacije v meniju Overview na R&S ETL... 59 Slika 6.8: Konstelacijski diagram (ETL merilni instrument)... 60 Slika 6.9: Odčitek izhodne moči, merjen z NRP-Z51... 61 Slika 6.10: Izhodni nivo, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu... 61 Slika 6.11: BER, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu... 62 Slika 6.12: MER... 63 Slika 6.13: MER (potrebna korekcija)... 63 Slika 6.14: MER s Span = 200... 64 Slika 6.15: Cliff (brickwall) efekt... 65 Slika 6.16: Vpliv MER na pokritost... 66 Slika 6.17: Razlika v pokritosti za različne MER... 67 Slika 6.18: Zmanjšanje MER v primeru uporabe pooddajnika... 67 Slika 6.19: CCDF meritev... 69 Slika 6.20: Meritev CCDF za beli šum in DVB-T signal (pristop ovojnica), merjeno z instrumentom R&S FSU... 70 Slika 6.21: Meritev amplitude in faze... 71 Slika 6.22: Meritev amplitude in časovnega zamika... 71 Slika 7.1: Grafični vmesnik linearnega predkorektorja v R&S SX800... 73 Slika 7.2: Blok diagram modula za predkorekcijo v vzbujalniku... 74 vii
Slika 7.3: Grafični vmesnik linearnega prekorektorja v R&S SX800... 75 Slika 7.4: Grafični vmesnik za frekvenčno korekcijo v R&S SX800... 76 Slika 8.1: Cilj optimalno razmerje med MER, stroški in učinkovitostjo... 77 Slika 8.2: Doseganje višje učinkovitosti z nižanjem napetosti... 78 Slika 8.3: Arhitektura Doherty... 79 Slika 8.4: Impedančne krivulje glavnega ojačevalnika in ojačevalnika vrhov... 80 Slika 8.5: Krivulja učinkovitosti ojačevalnika z uporabo tehnologije Doherty [15]... 81 Slika 8.6: Modulacija ovojnice... 82 B. Kazalo tabel Tabela 2.1: Kapaciteta kanala (Mbit/s) glede na izbrano modulacijo, kodirno razmerje in zaščitni interval... 5 Tabela 2.2: Primerjava DVB-T in DVB-T2... 18 Tabela 2.3: Primerjava med DVB-S in DVB-S2 sistemom... 20 Tabela 2.4: Pregled načinov in funkcij v DVB-C in DVB-C2... 21 Tabela 3.1: Število paketov transportnega toka na en super okvir... 25 Tabela 3.2: Trajanje mega okvirja... 27 Tabela 5.1: Mejne vrednosti DVB-T kanala za kritično in nekritično masko... 43 viii
C. Uporabljene kratice ACM Adaptive Coding and Modulation adaptivno kodiranje in modulacij AM Aplitude modulation amplitudna modulacija APSK Amplitude phase shift keying amplitudno-fazna modulacija ASI Asynchronous serial interface asinhronski serijski vmesnik AWGN Additive white Gaussian noise dodatni beli Gaussov šum C/N Carrier-to-noise ratio razmerje nosilec-šum CATV Cable television kabelska televizija CCETT Centre Commun d Etudes en Télédiffusion et Télécommunication Center za študij televizijskega oddajanja in telekomunikacij European Committee for Electrotechnical Standardization Evropski komite za CENELEC elektrotehniško standardizacijo CF Crest factor faktor oblike COFDM Coded orhogonal frequency division multiplex kodiran ortogonalni frekvenčni multipleks CPE Common Phase Error skupna fazna napaka DC/DC Direct current to direct current converner enosmerno enosmerni pretvornik DSP Digital signal processor digitalni signalni procesor DTT Digital terestrial television digitalna prizemna televizija DTV Digital Television digitalna televizija DVB Digital video broadcast digitalno video oddajanje DVB-C Digital video broadcasting cable digitalno kabelsko oddajanje DVB-C2 Digital video broadcasting cable 2 digitalno kabelsko oddajanje 2 DVB- DSNG Digital Satellite News Gathering digitalno satelitsko zbiranje novic DVB-H Digital video broadcasting Handheld digitalno ročno oddajanje DVB-S Digital video broadcasting satellite digitalno satelitsko oddajanje DVB-S2 Digital video broadcasting satellite 2 digitalno satelitsko oddajanje 2 DVB-T Digital video broadcasting terestrial digitalno prizemno oddajanje DVB-T2 Digital video broadcasting terestrial 2 digitalno prizemno oddajanje 2 Lite Digital video broadcasting terestrial 2 Lite digitalno prizemno oddajanje 2 Lite EBU European Broadcasting Union Evropsko združenje za radiodifuzijo ELG European Launching Group Evropska začetna skupina EPG Electronic program guide elektronski programski vodič ETSI European Telecommunications Standards Institute Evropski telekomunikacijski institut za standarde EVM Error vector magnitude napaka vektorske velikosti FEC Forward error correction vnaprejšnje popravljanje napak FEF Future Extension Frames razširitveni okvirji za prihodnost FFT Fast Fourier transform hitra Fourierjeva transformacija FIR Finite impulse response končni impulzni odziv FM Frquency modulation frekvenčna modulacija GI Guard interval zaščitni interval GPS Global Positioning System globalni sistem pozicioniranja ix
HbbTV Hybrid brodacast broadband TV hibridna televizija HDTV High definition television televizija visoke ločljivosti HP High priority visoka prioriteta IFFT Inverse Fast Fourier transform inverzna hitra Fourierjeva transformacija LDMOS Laterally diffused metal oxide semiconductor bočno razpršen kovinsko oksidni polprevodnik LDPC Low density parity code paritetna koda nizke gostote LP Low priority nizka prioriteta MFN Multi frequency network večfrekvenčno omrežje MIP Megaframe Initialization Packet paket inicializacije mega okvirja MISO Multiple Inputs, Single Output več vhodov, en izhod MPE Multi Protocol Encapsulation večprotokolno vstavljanje MPEG2 Moving Picture Experts Group 2 skupina ekspertov za gibljive slike 2 MPEG-4 Moving Picture Experts Group 4 skupina ekspertov za gibljive slike 4 MTBF Mean time between failures srednji čas med odpovedima OFDM Orhogonal frequency division multiplex - ortogonalni frekvenčni multipleks PAPR Peak-to-Average Power Ratio razmerje med maksimalno in povprečno (močjo) PayTV Pay TV plačljiva televizija PID Packet identifier identifikator paketa PLL Phase Locked Loop fazno zaključena zanka PLP Physical Layer Pipe vodnik fizičnega nivoja PPS Pulse Per Second - impulz na sekundo QAM Quadrature Amplitude Modulation kvadraturna amplitudna modulacija QPSK Quadrature phase shift keying kvadraturna modulacija s faznim pomikom RF Radio frequency radijska frekvenca RMS Root-mean-square efektivna vrednost S/N Signal-to-noise ratio razmerje signal-šum SDTV Standard definition television televizija standardne ločljivosti SFN Single frequency network enofrekvenčno omrežje SMATV Satellite Master Antenna Television skupni televizijski krožnik/antena SMPA Switch mode power amplifier močnostni ojačevalniki v stikalnem načinu STB Set-top-box televizijski komunikator STS Synchronisation Time Stamp sinhronizacijski časovni žig TPS Transmission Parameter Signalling signalizacija prenosnega parametra UHDTV Ultra high definition television televizija ultra visoke ločljivosti UHF Ultra high frequency ultra visoka frekvenca VOD Video On Demand video na zahtevo db MHz Decibel decibel Megahertz megahertz x
1 UVOD Za prenos signalov po zraku se uporablja radiofrekvenčni spekter, ki je razdeljen na področja in je naravna dobrina. Del tega spektra, ki se ga uporablja za radiodifuzijo televizijskih programov, je razdeljen na kanale. Zaradi potreb po prostih oddajnih televizijskih kanalih in dejstva, da je ta del spektra bil že zelo zaseden, se z razvojem digitalne tehnike uporaba le-te omogoči tudi na področju televizijskega oddajanja. Za prehod na digitalno oddajanje prizemne televizije so se posamezne države kljub dejstvu, da je prehod precej kompleksen in drag postopek, odločile že takoj v začetku, ko se je pojavila možnost digitalnega prizemnega oddajanja (DVB-T). Nekatere države so prehod opravile pozneje, preostale pa morajo opraviti prehod najkasneje do roka za zaključek digitalizacije v Evropi, ki je določen za leto 2015. V Sloveniji smo to storili 1. decembra 2010. S takim prehodom se je precejšnji del spektra sprostil, saj se v digitalnem načinu oddajanja na enem kanalu lahko oddaja več programov, za razliko od analognega načina, kjer en program zaseda en kanal. Poleg tega pa digitalni način oddajanja prinaša še druge prednosti, kot so: boljša kakovost zvoka in slike, možnost prenosa slike v visoki ločljivosti (HDTV) kakor tudi uporaba dodatnih možnosti, kot so npr. elektronski programski vodič (EPG), video na zahtevo (VoD), plačljiva TV (Pay TV), hibridna televizija (HbbTV) in druge. Poleg digitalnega prizemnega oddajanja DVB-T/T2 je prehod iz analognega v digitalni način oddajanja prisoten tudi v digitalnih kabelskih sistemih (DVB-C/C2) in digitalnih satelitskih sistemih (DVB-S/S2). O zgodovini DVB-T in ostalih standardih digitalnega video oddajanja (DVB) je podrobneje napisano v drugem poglavju. Oddajniki za radiodifuzijo so podvrženi strogim standardom glede kakovosti oddajanja signala, saj lahko že manjše napake privedejo do motenj v oddajanju, kar pa ima lahko za posledico izpad sprejema pri zelo velikem številu gledalcev. Pri prehodu iz analognega načina oddajanja v nov oddajni standard DVB-T je še posebej pomembno, da se, preden oddajno omrežje ali posamezni oddajnik začne z rednim obratovanjem, opravi testiranje celotnega sistema z vsemi zahtevanimi meritvami. Ko gre za preventivne ali vzdrževalne meritve, se lahko te omejijo le na nekaj najpomembnejših, 1
po potrebi pa se opravijo še preostale. Da bi zadovoljili zahtevam za preizkus oddajnika, je ključnega pomena razumevanje in poznavanje pravilnih postopkov. Ob tem je pomembna tudi kakovost in dinamični razpon uporabljene merilne opreme, saj le-ta zagotavlja točnost opravljenih meritev. V diplomskem delu želimo podati značilnosti in lastnosti DVB-T ter predstaviti meritve kakovosti DVB-T signala. Meritve so bile izvajane na oddajni strani, kjer lahko s spreminjanjem ustreznih parametrov vplivamo na kakovost oddajanega signala. 2
2 PREGLED STANDARDOV DVB 2.1 Zgodovina DVB DVB Project je združenje približno 200 svetovnih podjetij, katerih cilj je, da se dogovarjajo glede specifikacij za oddajanje in drugih digitalnih sistemov. Začetki DVB segajo v leto 1991, ko so operaterji in proizvajalci opreme začeli razpravljati o oblikovanju evropske platforme za razvoj digitalne prizemne televizije. Pridružili so se jim še regulativni organi z namenom, da se oblikuje skupina za nadzor razvoja digitalne televizije v Evropi. Nastala je Evropska začetna skupina (ELG), ki je vključevala glavne evropske medijske interesne skupine, proizvajalce opreme, regulatorje in druge. Septembra 1993 je bil s strani vseh udeležencev ELG podpisan memorandum o soglasju. Skupina se je preimenovala v DVB Project in lotili so se razvoja digitalne televizije v Evropi. V tem času je bila pripravljena študija o pričakovanjih in možnostih za digitalno prizemno televizijo v Evropi, kjer so bili predstavljeni novi koncepti in predlogi. V DVB Project se razvijajo in določajo specifikacije, ki pa morajo biti s strani evropskega organa za standardizacijo (EBU/CENELEC/ETSI Joint Technical Committee) odobrene. S tem so specifikacije s strani Evropskega komiteja za elektrotehniško standardizacijo (CENELEC) ali Evropskega telekomunikacijskega inštituta za standarde (ETSI) formalno standardizirane. DVB Project upravlja projektna pisarna, katere osebje so uslužbenci Evropske zveze za radiodifuzijo v Ženevi in deluje izključno v interesu članov DVB Project. [16] 2.2 DVB-T Leta 1993, ko je DVB Project začel z razvojem standardov za kabelske in satelitske sisteme, so le-ti bili prioritetni pred digitalno prizemno televizijo (DTT), saj je bilo na vidiku manj tehničnih težav in delo za regulatorje je bilo preprostejše. Razvoj sistema za DTT pa 3
je bil v tistem trenutku preveč nepredvidljiv in potrebno je bilo raziskati možnosti glede šuma, okolja, pasovne širine in večpotne interference. Prva različica DVB-T standarda je bila objavljena marca 1997 in je v dvanajstih letih postal najbolj razširjen DTT standard na svetu. Ker je prilagodljiv, omogoča, da je omrežje zasnovano za zagotavljanje široke palete storitev od HDTV do večkanalnega sprejema standardne ločljivosti (SDTV), fiksnega ter mobilnega sprejema. [16] 2.2.1 Lastnosti DVB-T V DVB-T lahko prenos digitalnih TV programov poteka s pasovno širino 8, 7 ali 6 MHz. Obstajata dva različna načina delovanja: 2K in 8K način, kjer 2K pomeni 2046 točk inverzne Fourierjeve transformacije (IFFT) in 8K pomeni 8192 točk IFFT. Za DVB-T velja, da se uporabljajo nosilci dolžine približno 250 µs za 2K način in 1 ms za 8K način. Odvisno od zahtev lahko izberemo enega ali drugega. V načinu 2K je razmik med podnosilci večji približno 4 khz, vendar je trajanje simbola veliko krajše, v primerjavi z 8K načinom z razmikom podnosilcev 1 khz, ki je veliko manj dovzeten za širjenje v frekvenčnem prostoru zaradi Dopplerjevega efekta in odbojev. Je pa zato slednji veliko bolj dovzeten za večje zamude odboja. V enofrekvenčnih omrežjih (SFN) bo vedno izbran 8K način, ker omogoča večje razdalje med oddajniki. DVB-T standard omogoča tudi fleksibilni nadzor prenosa parametrov. Poleg simbolne dolžine, ki je posledica izbire načina 2K ali 8K, lahko znotraj območja od do nastavljamo zaščitni interval simbolne dolžine. Izbiramo lahko tudi tip modulacije (kvadraturna modulacija s faznim pomikom (QPSK), 16-kvadraturna amplitudna modulacija (16-QAM), 64-kvadraturna amplitudna modulacija (64-QAM)). DVB-T oddajanje je lahko prilagojeno posameznim zahtevam glede robustnosti ali kodirnega razmerja ( do ). Poleg tega DVB-T standard kot možnost omogoča hierarhično kodiranje. V tem primeru ima modulator dva vhoda za transportni tok in dva posamično nastavljiva, vendar enaka, vhoda za vnaprejšnje popravljanje napak (FEC). Ideja pri tem je, da se uporabi velika zaščita pred napakami npr. z izbiro kodirnega razmerja, in sicer z nizko podatkovno hitrostjo, nato pa se prenaša z zelo robustno vrsto modulacije. Ta pot transportnega niza se potem imenuje visoko prioritetna (HP) pot. Drugi transportni tok ima višjo podatkovno hitrost, uporabi se nižja zaščita pred napakami (kodirno razmerje ) in se prenaša npr. z 64-QAM modulacijo. 4
To je nizko prioritetna (LP) pot. Na sprejemni strani se visoko prioritetni signal lažje demodulira kot nizko prioritetni. Glede na sprejemne pogoje se na sprejemni strani izbere LP ali HP. [3] DVB-T parametri, ki so na izbiro: - modulacija nosilcev (QPSK 2 bita na nosilec, 16-QAM 4 bite na nosilec, 64- QAM 6 bitov na nosilec) - kodirno razmerje (CR) notranje zaščite pred napakami - dolžina zaščitnega intervala (GI) 1 1 1 1,,, 4 8 16 32 1 2 3 5 7,,,, 2 3 4 6 8 - FFT dolžina število nosilcev (2k 1705 nosilcev, 8k 6817 nosilcev) - parameter modulacije (1 enonivojska, 2, 4 hierarhična) Glede na izbiro parametrov dobimo različne lastnosti signala in različne podatkovne hitrosti, kar je razvidno v tabeli 2.1. Tabela 2.1: Kapaciteta kanala (Mbit/s) glede na izbrano modulacijo, kodirno razmerje in zaščitni interval modulacija QPSK 16-QAM 64-QAM bitov na nosilec kodirno razmerje zaščitni interval 1/4 1/8 1/16 1/32 2 1/2 4.976 5.529 5.855 6.032 2 2/3 6.635 7.373 7.806 8.043 2 3/4 7.465 8.294 8.782 9.048 2 5/6 8.294 9.216 9.758 10.053 2 7/8 8.709 9.676 10.246 10.556 4 1/2 9.953 11.059 11.709 12.064 4 2/3 13.271 14.745 15.612 16.086 4 3/4 14.929 16.588 17.564 18.096 4 5/6 16.588 18.431 19.516 20.107 4 7/8 17.418 19.353 20.491 21.112 6 1/2 14.929 16.588 17.564 18.096 6 2/3 19.906 22.118 23.419 24.128 6 3/4 22.394 24.882 26.346 27.144 6 5/6 24.882 27.647 29.273 30.160 6 7/8 26.126 29.029 30.737 31.668 Učinek in delovanje sistema sta odvisna od izbrane kombinacije modulacije in kodirnega razmerja. Načeloma se lahko kombinirata kateri koli vrednosti, vendar pa je za dobro 5
delovanje sistema pomembno, da se izbira teh parametrov upošteva kot celota. Z izbiro višjega kodirnega razmerja se povečuje tudi razmerje nosilec/šum (C/N) ter razpoložljiva kapaciteta kanala. Zaščitni interval se uporablja za zaščito pred odboji. Dolžina zaščitnega intervala je definirana glede na razmerje s koristnim intervalom. Za 8K način delovanja je največji zaščitni interval 224 µs in za 2K način je največji interval 56 µs. Izbira ustreznega zaščitnega intervala je odvisna predvsem od razdalje med oddajniki, ko gre za enofrekvenčna omrežja, in od naravnega okolja (odboji), ko gre za večfrekvenčna omrežja. Več o tem v poglavju 2.2.5. 2.2.2 COFDM V zgodnjih 60-ih je ameriško podjetje Bell Laboratories odkrilo tehnike z razpršenim spektrom, ki so bile uporabljane v vojaške namene. V začetku 80-ih pa je francoski raziskovalni laboratorij Centra za študij televizijskega oddajanja in telekomunikacij (CCETT) proučeval, kako to tehniko uporabiti v namene oddajanja. Določili so modulacijski sistem, ki je dovolj robusten in učinkovit za prenos digitalnih podatkov: kodiran ortogonalni frekvenčni multipleks (COFDM). Načeloma si modulator COFDM lahko predstavljamo, kot je vidno na sliki 2.1, da je sestavljen iz več sto QAM modulatorjev in pripadajočih preslikovalnikov (angl.:mapper). 6
Slika 2.1: Teoretični blok diagram modulatorja COFDM [3] Dejansko pa je ortogonalni frekvenčni multipleks simbol (OFDM) ustvarjen s postopkom večkratnega procesa preslikovanja, v katerem nastaneta dve tabeli, čemur sledi hitra inverzna Fourierjeva transformacija (IFFT) slika 2.2. Slika 2.2: Praktična implementacija modulatorja COFDM z IFFT [3] 7
2.2.3 Razdelitev kanala Značilnosti prenosnega kanala niso konstantne v časovni domeni, vendar pa v kratkem času karakteristika razširjanja prizemnega kanala postane stabilna. Da bi se izkoristile te lastnosti, COFDM izvaja delitev prizemnega prenosnega kanala po časovni in frekvenčni domeni. Posledično je radio frekvenčni (RF) kanal organiziran kot ozek frekvenčni podpas in kot sklop majhnih sosednjih časovnih segmentov, kot je prikazano na sliki 2.3. Slika 2.3: Razdelitev kanala 8
2.2.4 Vstavljanje podnosilcev Vsaka časovnofrekvenčna celica je opremljena z namenskim podnosilcem. Skupina podnosilcev v časovnem segmentu se imenuje OFDM simbol. Da bi se izognili motnjam notranjih nosilcev, je oddaljenost podnosilcev nastavljena enako, kot je inverzno trajanje nosilca in zato so podnosilci pravokotni slika 2.4. Slika 2.4: Vstavljanje podnosilcev 9
2.2.5 Vstavljanje zaščitnega intervala Nastanek odboja je kot zakasnjen odgovor prvotnega signala. Tako je začetek danega OFDM signala predmet onesnaženja od zakasnjenega konca prejšnjega. Da bi se izognili temu efektu, je med vsak OFDM simbol vstavljen zaščitni interval, kot prikazuje slika 2.5. V času trajanja zaščitnega intervala naj bi sprejemnik ignoriral sprejeti signal in ta lastnost ima za posledico izgubo zmogljivosti prenosnega kanala. Slika 2.5: Vstavljanje zaščitnega intervala 10
2.2.6 Kanalna sinhronizacija Da bi sprejemnik pravilno demoduliral signal, mora opraviti vzorčenje znotraj uporabne periode OFDM simbola (in ne znotraj zaščitnega intervala). Nato se mora časovno okno natančno postaviti v trenutku, kjer se vsak OFDM simbol pojavi v zraku. DVB-T uporablja pilotne podnosilce, razširjene znotraj prenosnega kanala, kot markerje za sinhronizacijo, kot nam prikazuje slika 2.6. Slika 2.6: Markerji za sinhronizacijo Te opisane funkcije sestavljajo osnovne karakteristike modulacije COFDM. Čeprav vse te funkcije vplivajo na izgubo kapacitete ali zmanjšanje bitne hitrosti, pa nasprotno omogočajo obvladovanje pokrivanja na račun kompromisa med kanalno robustnostjo in kapaciteto kanala. Za izboljšanje modulacije COFDM je potrebna ublažitev nekaterih stranskih učinkov. Ker prihaja do frekvenčnega popuščanja na sosednjih frekvenčnih podpasovih, so sosednji podatkovni biti porazdeljeni čez oddaljene podnosilce znotraj vsakega OFDM simbola. To funkcijo poznamo kot frekvenčno prepletanje. Digitalni podatki so najprej kodirani z zaščitno kodo. Potem je vstavljen zaščitni interval (s podvajanjem bitov) med ponovitvami 11
zaščitenih podatkov. Na koncu se uporabi algoritem frekvenčnega prepletanja (slika 2.7), ki je sinhroniziran s prenosnim okvirjem, in se izvede preslikava podatkovnega plaza na tesno razporejene podnosilce. Slika 2.7: Preslikovanje podatkov na OFDM simbole frekvenčno prepletanje 2.2.7 Osnovna konstelacija Preslikava podatkov na OFDM simbole pomeni posamično modulacijo vsakega podnosilca glede na eno od treh osnovnih DVB-T kompleksnih konstelacij. Odvisno od izbranih konstelacij, ki so prikazane na sliki 2.8 (2 bita (QPSK), 4 biti (16-QAM) ali 6 bitov (64-QAM)), se vsaka izmed njih v trenutku prenese na svoj podnosilec. Vsaka konstelacija ima posebno robustnost, glede na minimalno razmerje C/N pa tolerira uspešnost demodulacije. Konstelacija QPSK je 4- do 5-krat bolj popustljiva glede šuma kot pa 64- QAM. 12
Slika 2.8: Vrste modulacije konstelacije [3] Iz tega lahko povzamemo, da je COFDM postopek za prenos, ki namesto enega nosilca uporablja veliko podnosilcev v enem prenosnem kanalu. Je posebej ustvarjen za lastnosti prizemnega oddajnega kanala, ki vsebuje več odbojev. Informacije, ki se posredujejo, so opremljene z zaščito pred napakami in so porazdeljene po vseh podnosilcih. Podnosilci so vektorsko modulirani in vsakokrat prenesejo del informacije. S COFDM se izdelajo daljši simboli kot v primeru prenosa z enim nosilcem, iz česar sledi, da lahko s pomočjo zaščitnega intervala odpravimo medsimbolne interference zaradi odbojev. Zaradi zaščite pred napakami in dejstva, da se podatki prenašajo preko mnogo podnosilcev, obstaja možnost za obnovo originalnega podatkovnega niza brez napak, kljub izgubi delčka podatkov, in odboja. Kot že omenjeno, ima DVB-T sposobnost hierarhične modulacije. To pomeni, da sta dva popolnoma ločena podatkovna tokova modulirana v en signal. Visoko prioritetni HP niz je integriran znotraj nizko prioritetnega LP niza. Operaterji lahko tako ciljajo na dve različni vrsti sprejemnikov z dvema popolnoma različnima storitvama. Tako so zaradi težavnosti sprejema mobilne TV storitve v visoko prioritetnem nizu, storitvam, ki se sprejemajo na fiksnih antenah, pa je namenjen nizko prioritetni niz. Med največje prednosti, ki jih je omogočil DVB-T, pa štejemo enofrekvenčna omrežja. Enofrekvenčno omrežje (SFN) je omogočeno z uporabo OFDM modulacije z ustreznim zaščitnim intervalom. SFN je omrežje več oddajnikov, ki delujejo na isti frekvenci. Več o tem bomo navedli v poglavju 3.1. 13
2.3 DVB-T2 Digitalno prizemno oddajanje 2 (DVB-T2) je druga generacija sistema za digitalno prizemno televizijo, ki je trenutno najnaprednejši, saj ponuja večjo robustnost, prilagodljivost in najmanj 50 % večjo učinkovitost kot kateri koli drugi digitalni prizemni televizijski (DTT) sistem. V DVB-T2 je omogočena distribucija programov SDTV, HDTV, televizija ultra visoke ločljivosti (UHDTV), mobilna televizija in kombinacije le-teh. DVB-T2 izpolnjuje vse nove zahteve, vključno s povečano kapaciteto, robustnostjo in možnostjo uporabe obstoječe sprejemne antene. Prva verzija DVB-T2 standarda je bila objavljena leta 2009 (EN 302 755) in posodobljena leta 2011 s podskupino T2-Lite za mobilni in prenosni sprejem. Nove tehnologije, uporabljene v DVB-T2 so: - večkratni fizični nivo nam omogoča ločeno nastavljanje robustnosti vsakega dostavljenega programa znotraj kanala za izpolnjevanje zahtevanih pogojev za sprejem, kot npr. s sobno ali s strešno anteno, prav tako pa tudi sprejemniku varčevati z energijo tako, da dekodira samo en program namesto celotnega multipleksa programov; - alamouti kodiranje je metoda za izboljšanje pokritosti s signalom v majhnih enofrekvenčnih omrežjih; - rotirana konstelacija zagotavlja dodatno stabilnost; - razširjeno prepletanje vključuje bitno, celično, časovno in frekvenčno prepletanje; - razširitveni okvirji za prihodnost FEF omogočajo standardu ustreznost tudi v prihodnosti, npr. uporaba novih modulacij. Digitalno prizemno oddajanje 2 Lite (DVB-T2 Lite) je bilo predstavljeno v juliju 2011 in je prva oblika dodatnega profila, ki omogoča uporabo FEF pristopa. Predstavljeno je bilo kot dodatek k DVB-T2 z dvema dodatnima stopnjama kodiranja s paritetno kodo nizke gostote (LDPC), in sicer z namenom podpore za mobilno in prenosno televizijo ter zmanjšanja stroškov izvajanja. Ker so bili v DVB-T2 Lite vključeni samo elementi za mobilni ter prenosni sprejem in je podatkovna hitrost znižana na 4 Mbit/s po enem vodniku fizičnega nivoja (PLP), je zato izvedba čipovja (angl.:chipsets) poenostavljena za 50 %. FEF mehanizem omogoča, da sta DVB-T2 Lite in DVB-T2 Base poslana po enem RF 14
kanalu tudi, kadar dva profila uporabljata različne velikosti razširitvenih okvirjev za prihodnost ali zaščitni interval. V državah, kjer poteka oddajanje v DVB-T, obstaja možnost hkratnega oddajanja DVB-T2. Zaradi masovne proizvodnje pa so sprejemniki za DVB-T2 cenovno že zelo primerljivi s sprejemniki DVB-T. Prva država, kjer so začeli oddajanje po standardu DVB-T2, je bila Velika Britanija, in sicer marca 2010 vzporedno z DVB-T. V letih 2010 in 2011 je DVB-T2 bil zagnan tudi v Italiji, na Švedskem in Finskem, zunaj Evrope pa v Zambiji, Namibiji, Nigeriji, Keniji, Ugandi itd. 2.4 DVB-T ali DVB-T2 Nekatere države že nekaj let uspešno oddajajo v DVB-T tehniki, nekatere izmed njih pa se že odločajo tudi za prehod na DVB-T2. Tiste, ki še niso izvedle prehoda z analogne televizije, imajo tako na izbiro DVB-T ali DVB-T2, kar je vsekakor zelo ugodna rešitev. V primeru obstoječih DVB-T storitev je prehod na DVB-T2 zahtevnejši, ker morajo uporabniki, ki bi želeli sprejemati DVB-T2 zamenjati televizijski komunikator (STB) ali televizijski sprejemnik. S takim sprejemnikom pa lahko seveda sprejemajo tud DVB-T signal. Značilnosti spektra DVB-T in DVB-T2 so podobne, saj si delita isti frekvenčni pas in oba temeljita na OFDM prenosu z zaščitnim intervalom. Z oddajanjem v DVB-T2 ter zmanjševanjem razmerja med maksimalno in povprečno močjo (PAPR) se pri istem izhodnem signalu (MER=34) poveča pokritost za 0,4 db v primerjavi z DVB-T. Za doseganje večje kapacitete so v DVB-T2 razširjeni naslednji parametri: - nova generacija FEC in višja konstelacija (256-QAM) rezultirata s 25 30 % povečanjem zmogljivosti, približujoč se Shannonovi meji; - povečanje OFDM nosilcev z 8K na 32K; znotraj SFN omrežij je zaščitni interval 1/16 namesto 1/4, kar rezultira z do 18 % povečanjem; - optimiziranje razpršenih pilotov glede na zaščitni interval in minimiziranje trajnih nosilcev, kar rezultira s približno 10 % zmanjšanjem; - povečanje pasovne širine (za 8 MHz se uporabi pasovna širina 7,77 MHz namesto 7,61 MHz) nakazuje povečanje za 2 % in - razširjeno prepletanje, vključno s celičnim, časovnim in frekvenčnim prepletanjem. 15
Z razširjenim področjem COFDM parametrov se DVB-T2 zelo približa fizikalnim mejam v primerjavi z DVB-T, kot je to razvidno s slik 2.9 in 2.10, saj skupaj z izboljšano bitno korekcijo napak omogoča povečanje kapacitete do skoraj 50 % v večfrekvenčnih omrežjih (MFN) in še več v SFN omrežjih. Slika 2.9: Bitne hitrosti glede na razmerje C/N 16
Slika 2.10: Primerjava bitnih hitrosti med DVB-T in DVB-T2 V DVB-T2 sistemu je prav tako na voljo več funkcij za večjo vsestranskost in grobost pri sprejemu pod kritičnimi pogoji: - rotirana konstelacija (slika 2.11), ki zagotavlja obliko raznolikosti modulacije za pomoč pri sprejemu višjega kodirnega razmerja v zahtevnih prenosnih kanalih; - posebne tehnike zmanjševanja razmerja maksimalne in povprečne moči (PAPR) oddajnega signala, ki ima vpliv na boljši izkoristek močnostnih ojačevalnikov; - več vhodov, en izhod (MISO) način prenosa, ki uporablja modificirano obliko Alamouti kodiranja; - na fizičnem nivoju časovno rezanje vključuje varčevanje energije in omogoča različne fizične nivoje tako, da imajo različne nivoje robustnosti. 17
Slika 2.11: Konstelacija DVB-T in DVB-T2 V tabeli 2.2 je prikazana primerjava (v SFN) med DVB-T in DVB-T2 glede na kapaciteto, in sicer za velike zaščitne intervale. Razvidno je 67 % povečanje kapacitete, ki pa jo je z uporabo še večjih zaščitnih intervalov mogoče povečati še za 20 % na račun izgube pokritosti s signalom za 3 %. Tabela 2.2: Primerjava DVB-T in DVB-T2 DVB-T DVB-T2 Modulacija 64-QAM 256-QAM Velikost FFT 8K 32K Zaščitni interval 1/4 1/16 Napredno popravljanje napak - FEC 2/3CC + RS 3/5 ldpc + BCH Razpršeni nosilci 8,30% 4,20% Trajni nosilci (opomba 1) 2,00% 0,39% L1 overhead 1,00% 0,65% Način nosilca razširjen razširjen Kapaciteta 19,9Mbit/s 33,2 Mbit/s opomba 1: vključeni samo trajni nosilci, brez razpršenih nosilcev 18
2.5 DVB-H Digitalno ročno oddajanje (DVB-H) je tehnična specifikacija za prenos digitalne televizije do ročnih oz. prenosnih sprejemnikov, kot so mobilni telefoni in dlančniki. DVB-H je bil objavljen novembra 2004 kot uradni standard s strani ETSI. Je specifikacija fizičnega sloja, ki je zasnovana tako, da omogoča učinkovito dostavo IP vstavljenih podatkov preko prizemnih omrežij. DVB-H je tesno povezan z DVB-T in tudi z izpeljanimi spremembami nekaterih drugih DVB standardov. Pri razvoju so upoštevali dobre rezultate mobilnega sprejema DVB-T in poskušali doseči pomembne prilagoditve za mobilni sprejem, to je prihranek energije, odlično zmogljivost in robustnost v celičnem okolju in okrepljeno podporo za sprejem z eno anteno v enofrekvenčnih omrežjih. [16] Ker je DVB-H razširitev DVB-T z omejeno združljivostjo, lahko uporabljata oba isti multipleks. Z mehanizmom večprotokolnega vstavljanja (MPE) je omogočen prenos podatkovnih omrežnih protokolov na vrhu transportnega toka skupine ekspertov za gibljive slike 2 (MPEG2). Uporablja se vnaprejšnje popravljanje napak in s tem se izboljša tudi robustnost ter mobilnost signala. Poleg načina 2K in 8K, ki je na voljo v DVB-T, je dodan še 4K, ki omogoča boljšo prilagodljivost pri načrtovanju omrežij. 2.6 DVB-S in DVB-S2 Za začetek digitalnih satelitskih storitev se šteje konec leta 1994 v Južni Afriki in na Tajskem. Prva komercialna uporaba sistema je bila leta 1994 v Franciji. Sčasoma je digitalno satelitsko oddajanje (DVB-S) postalo najbolj priljubljen standard za digitalno satelitsko televizijo z več kot 100 milijoni sprejemnikov po celem svetu. Kljub vsemu pa ni presenetljivo, da so se po desetih letih odločili za prenovo sistema. Tako je DVB razvil nov sistem DVB-S2, ki naj bi izkoristil prednosti naprednih tehnik kodiranja, modulacije in sistemov za odpravo napak. Sistem omogoča vrsto novih storitev, med katerimi je z uvedbo najnovejše tehnologije video stiskanja prisotna tudi HDTV za široko komercialno uporabo. [16] DVB-S uporablja QPSK modulacijo skupaj z različnimi orodji za kanalno kodiranje in odpravo napak. Več dodatkov se je pojavilo z digitalnim satelitskim zbiranjem novic (DVB- DSNG), kot je npr. uporaba 8-PSK in 16-QAM modulacije. Digitalno satelitsko oddajanje 2 (DVB-S2) ima sledeče ključne tehnične karakteristike: 19
- Na voljo so štirje načini modulacije s QPSK in 8-PSK, namenjene oddajanju aplikacij v nelinearnih satelitskih transponderjih, ki so krmiljeni blizu nasičenja. 16- amplitudno fazna modulacija (16-APSK) in 32-APSK zahtevata višji nivo C/N in ciljata predvsem na profesionalne aplikacije, kot sta zbiranje novic in interaktivne storitve. - DVB-S2 uporablja sistem za zelo zmogljivo vnaprejšnje popravljanje napak (FEC), ki je ključnega pomena, da se omogoči doseganje odličnih rezultatov v prisotnosti velikega nivoja šuma in motenj. Sistem za vnaprejšnje popravljanje napak temelji na združevanju Bose-Chaudhuri-Hcquengham (BCH) kode z nizko občutljivim preverjanjem paritete LDPC na notranjem kodiranju. - Adaptivno kodiranje in modulacija (ACM) omogoča spreminjanje oddajnih parametrov na osnovi korak po korak, odvisno od posebnih pogojev glede na dostavne poti za vsakega posameznega uporabnika. Usmerjena je k ciljanim interaktivnim storitvam in k profesionalnim aplikacijam točka-do-točke. - DVB-S2 omogoča pogojno združljivost z DVB-S sprejemniki, ki omogočajo hierarhično modulacijo, tako da le-ti še naprej delujejo, hkrati pa zagotavlja dodatne zmogljivosti in storitve za nove sprejemnike. Tabela 2.3: Primerjava med DVB-S in DVB-S2 sistemom EIRP Satelita (dbw) 51 53,7 Sistem DVB-S DVB-S2 DVB-S DVB-S2 Modulacija in kodiranje QPSK 2/3 QPSK 3/4 QPSK 7/8 8PSK 2/3 Simbolno razmerje 27,5 (a = 0,35) 30,9 (a = 0,2) 27,5 (a = 0,35) 29,7 (a = 0,25) C/N (v 27,5 Mhz) (db) 5,1 5,1 7,8 7,8 Uporabna pod. hitrost (Mbit/s) 33,8 46 (gain = 36%) 44,4 58,8 (gain = 32%) Število SDTV programov 7 MPEG-2 10 MPEG-2 10 MPEG-2 13 MPEG-2 15 AVC 21 AVC 20AVC 26AVC Število HDTV programov 1-2 MPEG-2 3-4 AVC 2 MPEG-2 5 AVC 2 MPEG-2 5 AVC 3 MPEG-2 6 AVC DVB-S2 je bil uradno predstavljen marca 2005 in je bil zelo dobro sprejet. Tako je bilo mogoče npr. svetovno prvenstvo v nogometu leta 2006 že gledati preko DVB-S2. V Evropi in ZDA večje število ponudnikov uporablja DVB-S2 v povezavi s MPEG4 naprednim video kodiranjem, z namenom dostave HDTV storitev. Po svetu je tako že več kot 250 milijonov DVB-S/S2 sprejemnikov. 20
2.7 DVB-C in DVB-C2 Standard za digitalno kabelsko oddajanje (DVB-C) je ETSI prvič objavil decembra 1994, kmalu za tem pa postal najbolj pogosto uporabljan prenosni sistem za digitalni kabelsko televizijo po celem svetu v sistemih, ki segajo od večjih omrežij kabelske televizije CATV, do manjših sistemov z eno glavno anteno (SMATV). Več faktorjev je vplivalo na odločitev DVB, da podobno kot prizemni in satelitski tudi kabelski standard potrebuje drugo generacijo. Kot vsi DVB standardi je tudi digitalno kabelsko oddajanje 2 (DVB-C2) nastalo na osnovi komercialnih zahtev, kot so: vsaj 30 % povečanje kapacitete, podpora različnim vhodnim protokolom in izboljšave na področju odprave napak. V novem standardu ni bilo zahteve za združljivost z DVB-C, vendar pa so vsi DVB-C2 sprejemniki sposobni sprejemati tudi DVB-C storitve. [16] DVB-C in DVB-C2 ponujata številne možnosti izbire načinov (tabela 2.4), ki so optimizirani za različne lastnosti in zahteve omrežij glede na različne planirane storitve za dostavo kabelskih storitev do strank. Tabela 2.4: Pregled načinov in funkcij v DVB-C in DVB-C2 DVB-C DVB-C2 Vhodni vmesnik Enojni transportni niz (TS) Večkratni transportni niz in transportni niz s splošno enkapsulacijo (GSE) Način Konstantno kodiranje in modulacija Spremenljivo kodiranje in modulacija, Adaptivno kodiranje in modulacija Napredno popravljanje napak Reed Salomon LDPC + BCH Prepletanje Bitno prepletanje Bitno, časovno in frekvenčno prepletanje Modulacija Enojni nosilec QAM COFDM Nosilci ni na voljo Razpršeni ali trajni nosilci Zaščitni interval ni na voljo 1/64 ali 1/128 modulacijska shema 16 do 256 QAM 16 do 4096 QAM DVB-C2 omogoča uporabo inovativnih storitev, kot so video na zahtevo (VOD), televizija visoke ločljivosti (HDTV), s čimer je omogočeno, da so operaterji še naprej konkurenčni in tako lahko planirajo selitev storitev iz DVB-C v DVB-C2. Pokazale so se tudi odlične lastnosti glede šuma, kjer se približa Shanonovim mejam maksimalne teoretične hitrosti prenosa v kanalu za določen nivo šuma. Izbrana modulacijska shema COFDM je 21
neobčutljiva na odboje, ki se pojavljajo v tipičnih hišnih koaksialnih omrežjih ter zelo robustna glede na impulzne šumne odboje. DVB-C2 omogoča tudi oddajanje zelo širokih kanalov (32 MHz), kar bo operaterjem omogočalo zelo učinkovito deljenje razpoložljivih sredstev med posamezne stranke in storitve. Prva komercialna dostopnost do demodulacijskega čipa DVB-C2 je bila januarja 2012, tako da so prve naprave imele vgrajene DVB-C2 sprejemnike že aprila 2012. 22
3 LASTNOSTI OMREŽIJ DVB-T IN KOMPONENTE ODDAJNIŠKEGA SISTEMA DVB-T 3.1 Enofrekvenčno omrežje Enofrekvenčno omrežje (SFN) deluje kot takšno, kadar oddajniki tega omrežja oddajajo enak signal v vsakem trenutku. Povzeta pravila za SFN so, da vsak oddajnik, povezan v SFN, mora oddajati: - na isti frekvenci - ob istem trenutku - enake bitne podatke Ta pravila predstavljajo osnove, ko potem z vzpostavitvijo distribucijskega omrežja mora priti do sinhronizacije vseh SFN oddajnikov v časovni (slika 3.3) in frekvenčni (slika 3.1) domeni. V enofrekvenčnem načinu vsi oddajniki delujejo na isti frekvenci, kar je z ekonomskega vidika zelo ugodno glede na frekvenčne vire, saj se upravljalci omrežij in operaterji dandanes srečujejo z zmanjševanjem razpoložljivega frekvenčnega spektra. Slika 3.1: Sinhronizacija v frekvenčni domeni 23
Vsi oddajniki oddajajo identični signal in morajo delovati popolnoma sinhrono med sabo, za razliko od MFN, kjer vsi oddajniki oddajajo na drugi frekvenci. Na sliki 3.2 se vidi, da v MFN oddajniki uporabljajo vsak svojo frekvenco, kar predstavlja 24 MHz spektra za 3 oddajnike, v SFN pa le 8 MHz. Slika 3.2: MFN in SFN topologija Za namen sinhronizacije je signal v DVB-T zaklenjen na najboljši mogoč referenčni signal. To je signal iz globalnega sistema pozicioniranja (GPS), ki je na voljo po vsem svetu. GPS satelit oddaja en impulz na sekundo (PPS), na katerega je zaklenjen 10 MHz oscilator v GPS sprejemnikih in ta predstavlja referenčni signal za DVB-T oddajnike. Upoštevana pa mora biti tudi razdalja med oddajniki, ki je povezana z zaščitnim intervalom in svetlobno hitrostjo, tj. z zakasnitvijo signala. Če v večpotnem sprejemu zakasnitev med točkami ni večja od dolžine zaščitnega intervala, se je možno izogniti tudi medsimbolnim motnjam. Signale iz oddajnikov večjih razdalj je potrebno dovolj zmanjšati. Prag za navidezno delovanje brez napak je nastal iz enakih pogojev kot za šum. Zato je še posebej pomembno, da so nivoji znotraj SFN pravilno umerjeni. Ni vedno maksimalna moč oddajnika tista, ki je najboljša, ampak tista, ki je pravilna. Zato planiranje omrežja zahteva tudi topografske podatke. Program, ki se oddaja, je distribuiran preko optičnega, satelitskega ali mikrovalovnega omrežja iz procesnega centra, kjer so locirani tudi MPEG2/MPEG4 multiplekserji. Zaradi različnih dolžin poti prihaja do različnih zakasnitev transportnega niza. Kljub temu pa je potrebno, da vsak modulator v SFN omrežju enake pakete transportnega toka procesira v 24
COFDM simbole popolnoma sinhrono z vsemi ostalimi modulatorji v omrežju, kar pomeni, da morajo biti vsi enaki paketi, enaki biti in enaki bajti procesirani ob enakem času. Tako potem lahko vsak DVB-T oddajnik v SFN omrežju oddaja popolnoma enake COFDM simbole točno ob istem času. Slika 3.3: Sinhronizacija časovne domene DVB-T modulacija je sestavljena iz okvirjev, ti pa iz 68 DVB-T COFDM simbolov. Znotraj okvirja se prenašajo informacije o signalizaciji prenosnega parametra (TPS) in razpršeni piloti s celotnega DVB-T kanala. Štirje okvirji tvorijo en super okvir. Tabela 3.1: Število paketov transportnega toka na en super okvir kodirno razmerje QPSK 2K QPSK 8K 16QAM 2K 16QAM 8K 64QAM 2K 64QAM 8K 1/2 252 1008 504 2016 756 3024 2/3 336 1344 672 2688 1008 4032 3/4 378 1512 756 3024 1134 4536 5/6 420 1680 840 3360 1260 5040 7/8 441 1764 882 3528 1323 5292 Pomembno je torej, da je super okvir v SFN omrežju sestavljen iz popolnoma enakih paketov transportnega niza in da vsak modulator v tem omrežju ustvari in oddaja super okvir v enakem času sinhronizirano. V SFN omrežjih imajo GPS sprejemniki na izhodu 25
10 MHz referenčni signal, kakor tudi 1 PPS, in sicer na oddajniški lokaciji in v procesnem centru, kjer je multipleksiran transportni tok sestavljen. 1 PPS in 10 MHz referenčni signal se prav tako lahko prenašata iz procesnega centra preko distribucijskega omrežja, kot prikazuje Slika 3.4. V takem primeru na oddajniški lokaciji ni potreben GPS sprejemnik. Slika 3.4: Shema end to end omrežja s prenosom referenčnega signala Ob multiplekserjih so tudi vstavljalniki paketov, ki v transportni tok vstavljajo posebne pakete transportnega toka v en mega okvir. Zato so ti paketi poimenovani s paketi inicializacije mega okvirja (MIP). MIP ima poseben identifikator paketa (PID) =0x15, tako da je lahko identificiran in vsebuje podatke o časovni referenci, ter kontrolne informacije DVB-T modulatorjev. Med drugim vsebuje tudi štetje časa nazaj do časa, kjer je bil zadnji 1 PPS impulz sprejet na MIP vstavljalniku. Ta časovni žig z ločljivostjo 100 ns na korak je uporabljen za avtomatsko meritev razdalje. To informacijo sprejme in obdela SFN adapter, ki lahko avtomatsko popravi zakasnitev signala iz predvajalnega centra do oddajnika s pomočjo hranilnika. Zahtevana informacija je tudi največja zakasnitev v omrežju. Te informacije se vnese ročno v oddajnik ali pa se prenaša v MIP paketu in tako se vsak SFN vmesnik nastavi na ta čas. MIP paketi vsebujejo tudi kazalec o začetku naslednjega mega okvirja v številu paketov transportnega toka. Trajanje mega okvirja je podano v tabeli 3.2. [3] 26
Tabela 3.2: Trajanje mega okvirja Pasovna širina kanala Zaščitni interval 8 MHz 7 MHz 6 MHz 5 MHz / T u = 1/32 0,5026560 s 0,5744640 s 0,6702080 s 0,8042496 s / T u = 1/16 0,5178880 s 0,5918720 s 0,6905173 s 0,8286208 s / T u = 1/8 0,5483520 s 0,6266880 s 0,7311360 s 0,8773632 s / T u = 1/4 0,6092800 s 0,6963200 s 0,8123733 s 0,9748480 s Podane so približne vrednosti! Uporaba tega kazalca omogoči vsem modulatorjem začetek mega okvirja ob istem času. MIP se lahko uporabi tudi za oddajanje dodatnih informacij, kot so parametri za DVB-T oddajanje, kar omogoči kontrolo in konfiguracijo celotnega SFN omrežja iz enega centra, vendar pa ni nujno, da vsi modulatorji to možnost podpirajo. 3.2 Oddajniški sistem DVB-T Slika 3.5: Blokovni diagram oddajniškega sistema digitalne televizije (DTV) 27
3.2.1 Vzbujalnik Vzbujalnik (angl.:exciter) pripravi oz. obdela RF signal tako, da je pripravljen za oddajanje. Vhodni signal (MPEG-2 ali MPEG-4 transportni tok), v večini primerov iz asinhronega serijskega vmesnika (ASI), je moduliran na nosilni signal na določeni frekvenci, tj. na frekvenci kanala. Na sliki 3.6 je primer vzbujalnika, ki je sestavljen iz naslednjih modulov: vhodni del, matična plošča z mikro kontrolerjem, kodirnikom, predkorektorjem, sistemom fazno zaključene zanke (PLL) in enosmerno enosmernim pretvornikom (DC/DC), RF vmesnik z modulatorjem, sintetizatorjem in demodulatorjem, usmernik in ostali opcijski deli. Slika 3.6: Blok diagram vzbujalnika R&S SX800 3.2.2 Ojačevalnik Z uporabo vzporednih bočno razpršenih kovinsko oksidnih polprevodniških (LDMOS) ojačevalnikov se RF signal, ki ga je generiral vzbujalnik, močnostno ojači. Ker je za prenos signala na velike razdalje potrebna velika moč, je signal razdeljen na več ojačevalnih poti. Ojačevalnemu procesu sledi seštevanje signala iz posamičnih 28
ojačevalnih poti s pravilnimi fazami, ko na izhodu dobimo signal visoke moči, kot je prikazano na sliki 3.7. Slika 3.7: Pot RF signal od delilnika signala preko polja šestih ojačevalnikov do združenega izhoda 3.2.3 Harmonski filter Podobno kot kanalni filter je tudi harmonski filter (slika 3.8) namenjen preprečevanju motenj drugih kanalov, le da tu ne gre za sosednje kanale, ampak kanale, ki so večkratniki izbrane oddajne frekvence. Oddajani signal mora biti sestavljen izključno iz koristnega osnovnega signala, brez višjih harmonskih komponent. 29
Slika 3.8: Smerni sklopnik in harmonski filter v oddajniku 3.2.4 Smerni sklopnik Smerni sklopnik, ki ga vidimo na sliki 3.8 levo od harmonskega filtra, se uporablja za ločitev dela izhodne moči (od 30 do 60 db) za testne namene meritve. To je potrebno za zaščito merilnih in testnih instrumentov, ki bi jih velike moči poškodovale oziroma uničile. 3.2.5 Kanalni filter Ena izmed osnovnih zahtev TV oddajnikov je, da mora izhodni signal biti moduliran samo na enem (izbranem) kanalu. Ta kanal ne sme imeti vpliva oz. motiti sosednjih kanalov. Da se zagotovi skladnost s to zahtevo, se uporabi kanalni filter, ki je pasovno prepustni filter (slika 3.9) in se uporablja za dušenje signala zunaj ozkega pasu. Koristni signal pa bi naj prepuščal s čim manjšim slabljenjem. Običajno se ti filtri uporabljajo kot komponente združevalnikov za slabljenje stranskih kanalov, da se dosežejo dodatne ločitve bližnjih oddajnikov, ki so povezani na isti antenski sistem. Obstajajo različne konstrukcijske izvedbe kakor tudi izvedbe s kritično in nekritično masko. Karakteristiko odbojnega slabljenja pasovno prepustnega filtra vidimo na sliki 3.10. 30
Slika 3.9: Pasovno prepustni filter Trc1 S11 db Mag 10 db / Ref 0 db S11 40 Cal int 1 30 20 10 0-10 -20-30 -40 Ch1 Center 842 MHz Pwr 0 dbm Span 10 MHz Date: 22.DEC.2010 08:56:08 Slika 3.10: Meritev odbojnega slabljenja 8-pasovnega prepustnega filtra 31
3.2.6 RF toge cevi Za večje oddajniške moči so RF toge cevi v večini primerov izdelane iz kvalitetnega bakra z majhnimi izgubami, da se zagotovi visoka prevodnost. Zunanji del je lahko izdelan tudi iz aluminija. Cevi so povezane s posrebrenimi kontakti znotraj medeninastih spojk in pritrjene s cevnimi objemkami. Notranji vodniki pa so povezani brez objemk in so spojeni s pomočjo posrebrenih natičnih kontaktov. Standardne dimenzije so:, 1, 3, 4, 5, 6. Slika 3.11 prikazuje sestavne dele RF toge cevi, slika 3.12 pa karakteristiko odbojnega slabljenja takšne cevi. Slika 3.11: Primer RF toge cevi s prirobnico in kolenom 32
Trc1 S11 db Mag 5 db / Ref 0 db 0 S11-5 -10 Cal int Δ Δ Δ Δ R 1 2 3 4 842.00000-4.200000 4.200000 3.805000-3.805000 MHz MHz MHz MHz MHz -35.229 0.353-3.944-3.169-0.013 db db db db db 1-15 -20-25 -30-35 -40 Δ1 Δ4 R Δ3 Δ2-45 Ch1 Center 842 MHz Pwr 0 dbm Span 12 MHz Date: 25.JAN.2011 10:26:12 Slika 3.12: Meritev odbojnega slabljenja 3 toge cevi 3.2.7 Koaksialni kabli Za prenos manjših moči, se namesto togih cevi uporabljajo RF kabli. Narejeni so v različnih dimenzijah in z različnimi lastnostmi (fleksibilnost, dušenje) za različne primere uporabe. V večini sta zunanji in notranji vodnik izdelana iz bakra, kot dielektrik pa je uporabljena pena ali zrak (slika 3.13) Slika 3.13: RF kabel 33
Trc1 S11 db Mag 10 db / Ref 0 db Cal int 1 S11 0-10 R Δ 1 Δ 2 Δ 3 Δ 4 818.00000-4.200000 4.200000-3.805000 3.805000 MHz MHz MHz MHz MHz -36.945 0.781-11.678 1.684-15.505 db db db db db -20-30 -40 Δ1Δ3 R -50 Δ2 Δ4-60 -70-80 Ch1 Center 818 MHz Pwr -10 dbm Span 20 MHz Date: 13.DEC.2010 11:36:25 Slika 3.14: Meritev odbojnega slabljenja RF kabla 3.2.8 Združevalnik Združevalnik se uporablja za združevanje signalov iz več oddajnikov v en oddajni antenski sistem. Združevalniki (slika 3.15) za digitalna omrežja v večini primerov uporabljajo 3-, 4-, 6- in tudi 8-krožne filtre za zagotavljanje delovanja brez motenj sosednjih kanalov, uglašene po kritični maski. Skladni morajo biti s standardi EN 300 744 (DVB-T) in EN 302 755 (DVB-T2), prav tako pa morajo omogočati hkratno delovanje analognih in digitalnih oddajniških sistemov. Grajeni so glede na maksimalne izhodne moči in morajo omogočati nastavitev moči na širokopasovnem vhodu. 34
Slika 3.15: Združevalnik Slika 3.16: Meritev vnešenaga slabljenja za kanal 69 širokopasovni vhod in kanal 64 ozkopasovni vhod 35
3.2.9 Oddajne antene Smerni širokopasovni ultra visokofrekvenčni (UHF) paneli (slika 3.17) so namenjeni za uporabo v vertikalno in horizontalno polariziranih oddajnih televizijskih sistemih. Lahko se uporabijo za vsesmerne sisteme, za horizontalne neusmerjene sisteme ali za prilagojene vzorce sevanja. Od števila vgrajenih panelov je odvisna maksimalna oddajna moč sistema. Na sliki 3.18 je viden primer uporabe panelov v antenskem sistemu. Slika 3.17: UHF panel Slika 3.18: UHF antenski sistem dve nadstropji, tri smeri 36
4 MERILNI PARAMETRI V standardu ETSI 101290 [6] so podane smernice za meritev DVB-T oddajnikov. Predstavljeni so merilni parametri z opisom namena meritve: Meritev natančnosti frekvence Za uspešno obdelavo OFDM signalov je potrebno ohraniti določeno natančnost nosilne frekvence v oddajniku, saj je ta zelo pomembna za delovanje SFN omrežja. Meritev pasovne širine kanala Z meritvijo širine kanala se lahko prepričamo, če je natančnost frekvence vzorčenja ohranjena na strani modulatorja. Meritev je primerna za preverjanje točnosti frekvence vzorčenja na strani modulatorja. Meritev simbolne dolžine Preverjanje zaščitnega intervala se lahko izvede s previdno oz. natančno meritvijo frekvence. Ta meritev velja za primere, kjer obstaja negotovost, če modulator deluje pravilno in proizvaja signal s pričakovanim ali določenim zaščitnim intervalom. Fazni šum lokalnega oscilatorja Fazni šum se lahko pojavi v oddajniku, frekvenčnem pretvorniku ali sprejemniku zaradi naključnih motenj v fazi oscilatorjev. V OFDM sistemih lahko fazni šum povzroči skupno fazno napako (CPE), ki vpliva na vse nosilce hkrati, in je lahko zmanjšan ali popravljen z uporabo trajnih nosilcev. 37
RF signalna moč Meritev signalne moči ali želene moči je priporočena za nastavitev in preverjanje izhodnega nivoja signala iz oddajnika. RF spekter Da bi preprečili motnje drugih kanalov, mora oddajni spekter biti v skladu s spektralno masko, ki je definirana za prizemna omrežja. Ramensko slabljenje (Linearity characterization) Ramensko slabljenje se lahko uporablja za ovrednotenje linearnosti OFDM signala brez sklicevanja na spektralno masko. Učinkovitost (izkoristek) Uporablja se za primerjavo splošne učinkovitosti oddajnikov DVB. Skladna motnja (Coherent interferer) Z meritvijo se identificira skladno motnjo, ki lahko vpliva na zanesljivost I/Q analize ali meritve BER. BER proti razmerju C/N v odvisnosti od izhodne moči oddajnika Ovrednoti se razmerje bitne napake (BER) oddajnika, ker se C/N spreminja s ponavljajočimi meritvami v območju srednje vrednosti izhodne moči oddajnika. Meritev se lahko uporablja za primerjanje rezultatov oddajnikov s teorijo ali za primerjavo z drugimi oddajniki. 38
BER pred Viterbi dekoderjem Ta meritev podaja kodirno uspešnost delovanja oddajnika, kanala in sprejemnika. BER pred Red Salomon dekoderjem BER je primarni parameter, ki podaja kvaliteto digitalne prenosne povezave (linka). BER za Red Salomon dekoderjem Meritev se opravlja z namenom, da pridobimo informacije o vzorcu, s katerim se pojavljajo bitne napake. Napaka modulacijskega razmerja (MER) Meritev nam podaja rezultat analize K nosilcev in je eden od najpomembnejših merilnih rezultatov (angl.:figure of merit) pri meritvah oddajnikov. Zadušitev nosilca (Carrier Suppression) Preostali nosilec je neželen signal, ki je dodan centralnemu nosilcu OFDM signala. Lahko nastane z enosmerno izravnavo napetosti moduliranega I in Q signala ali s presluhom moduliranega nosilca znotraj modulatorja. Amplitudno neravnovesje Namen meritve je ločiti QAM popačenja, ki izhajajo iz amplitudnega neravnovesja I in Q signala od ostalih popačenj. 39
Kvadraturna napaka Faza dveh nosilcev, ki dovajata I in Q signal v modulatorja mora biti pravokotna. Če njuna fazna razlika ni 90 stopinj, se kot tipičen rezultat pojavi popačenje konstelacijskega diagrama. Trepetanje faze Trepetanje faze oscilatorja povzročijo nihanja v fazi ali v frekvenci. Uporaba takšnega oscilatorja za modulacijo digitalnih signalov se rezultira kot nezanesljivo vzorčenje v sprejemniku, ker obnova nosilcev ne more slediti nihanju faze. Splošna zakasnitev signala Meritev in nastavitev zakasnitve signala v OFDM oddajnikih na določeno vrednost nam omogoči sinhronizacijo oddajnikov znotraj SFN omrežja. SFN sinhronizacija Nujen predpogoj za SFN sinhronizacijo je, da je sinhronizacijski časovni žig (STS) pravilno vstavljen v MIP. Ta test preveri, če so zaporedne STS vrednosti samodosledne. Uspešnost sistemske napake Uspešnost sistemske napake opisuje delovanje digitalnih prenosov od vhodnega MPEG-2 transportnega toka v osnovni sistem DVB do MPEG-2 transportnega toka kot izhoda iz sistema DVB. 40
5 OPIS MERILNIH PARAMETROV 5.1 Ramensko slabljenje Sistem DVB-T ne izkorišča celotne pasovne širine kanala, kar pomeni, da je nekaterim podnosilcem vrednost postavljena na 0 z namenom, da ne povzroča motenj v sosednjem kanalu. Vendar pa se zaradi nelinearnosti še vedno pojavljajo komponente zunaj kanala z vplivom na spekter ter njegovo obliko in iz le-te izhaja izraz ramensko slabljenje. Na sliki 5.1 je prikazana metoda za meritev ramenske razdalje. Zahteva zajem slike spektra, kotomer in ravnilo. Navodilo: Zaznajte maksimalni nivo spektra. Narišite premico med točko na spektru, ki je oddaljena 300 Hz od prvega (zadnjega) nosilca v DVB-T spektru, in točko, ki je oddaljena 700 Hz od prvega (zadnjega) nosilca. Narišite vzporednico tej premici tako, da poteka skozi maksimum DVB-T spektra med označenima točkama pri 300 Hz in 700 Hz. Slika 5.1: Meritev ramenske razdalje 41
Izmerite razdaljo med maksimalnim nivojem spektra in narisano vzporednico pri oddaljenosti točke 500 Hz od prvega (zadnjega) nosilca. Izmerjena vrednost predstavlja ramensko razdaljo. Na ta način meri vrednosti instrument R&S ETL v TV analizator načinu (metoda tangenta ). Za dodatno znižanje ramen se lahko uporabi izhodni filter s kritično ali nekritično masko. Na sliki 5.2 je na karakteristiki prikazana razlika med obema tipoma filtrov, v tabeli 5.1 pa so prikazane mejne vrednosti za oba primera. 0-10 -20-30 -40-50 [db] -60-70 -80-90 -100-110 -120-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Slika 5.2: Kritična maska (spodnja krivulja) in nekritična maska (zgornja krivulja) izhodnega signala, frekvenca glede na središče 8 MHz DVB-T kanala 42
Tabela 5.1: Mejne vrednosti DVB-T kanala za kritično in nekritično masko nekritični primer kritični primer frekvenca (MHz) relativni nivo (db) relativni nivo (db) -12.0-110.0-120.0-6.0-85.0-95.0-4.2-73.0-83.0-3.9-32.8-32.8 +3.9-32.8-32.8 +4.2-73.0-83.0 +6.0-85.0-95.0 +12.0-110.0-120.0 5.2 Konstelacija Konstelacijski diagram je grafični prikaz fazne in kvadraturne komponente kvadraturnoamplitudne modulacije (QAM) signala v X in Y osi. V primeru modulacije z več nosilci konstalacijski diagram običajno predstavlja vsoto signalnih stanj vseh nosilcev. Signal, ki je moten ali vsebuje šum, bo prikazan z efektom, podobnim oblaku. Čim manjše so rezultirajoče konstelacijske točke, boljša je kakovost signala. Če izvajamo meritve direktno na izhodu oddajnika, morajo biti vidne samo majhne konstelacijske točke. S konstelacijsko analizo se lahko zaznajo naslednje merilne vrednosti: - razmerje signal/šum - fazno trepetanje nihanje - I/Q amplitudno neravnovesje - I/Q fazna napaka - napaka modulacijskega razmerja MER Beli šum Vpliv dodatnega belega Gaussovega šuma (AWGN) se kaže v oblakasti obliki konstelacijskih točk. Večja je točka, večji je efekt šuma. Parameter signal/šum (S/N) se lahko določi z analizo distribucijske krivulje. Efektivna vrednost komponente šuma ustreza 43
standardni deviaciji. Vpliv šuma je viden na vsakem podnosilcu DVB-T. Na sliki 5.3 je konstelacijski diagram, kjer je viden vpliv šuma. Slika 5.3: Vpliv belega šuma [3] Fazno trepetanje se kaže v progastem popačenju na konstelacijskem diagramu. Povzroča ga oscilator v modulatorju in ima vpliv na vsak nosilec DVB-T. Na sliki 5.4 je prikazan konstelacijski diagram, kjer je viden vpliv trepetanja faze. 44
Slika 5.4: Fazno trepetanje/nihanje (Phase jitter) [3] I/Q napake modulatroja Signalne veje Re(t) in Im(t) modulatorja s slike 2.2 morajo nakazovati pravo razmerje nivojev eden glede na drugega. Prav tako mora biti pravilno nastavljen fazni zamik za 90 stopinj in ne sme biti nobenega prekrivanja Re(t) in Im(t) signalov z enosmerno komponento. Če ti pogoji niso pravilno izpolnjeni, pride do I/Q napak. Primer takšnih napak vidimo na sliki 5.5, kjer je prikazan konstelacijski diagram z I/Q amplitudnim neravnovesjem v I/Q mešalniku modulatorja. Vzorec je pravokotno popačen oz. stisnjen v eni smeri (horizontalni ali vertikalni). 45
Slika 5.5: I/Q napake modulatorja [3] I/Q fazna napaka povzroči romboidno obliko konstelacijskega diagrama, kot ga vidimo na sliki 5.6. Ta učinek lahko preverimo le na centralnem (sredinskem) nosilcu, kjer tudi vsi ostali nosilci prikazujejo šumu podobne motnje zaradi tega efekta. Slika 5.6: I/Q fazna napaka [3] 46
Preostali nosilec, prisoten v I/Q mešalniku, premakne konstelacijski diagram iz centra v eno smer. Sam vzorec ostane nepoškodovan, je pa učinek mogoče opazovati le na centralnem nosilcu in vpliva samo na ta nosilec ali njegovo bližino. Pomanjkanje dušenja za nosilec je opazno kot padec MER v srednjem pasu DVB-T spektra. Do pa tega pride zaradi enosmerne komponente v Re(t) in Im(t) za IFFT v modulatorju. Poglavje 5.2 je povzeto po [3]. Slika 5.7: Efekt preostalega nosilca [3] 5.3 Meritev nivoja Vrednost nivoja signala prikazuje povprečno moč digitalno moduliranega signala na vhod merilnega instrumenta. Potrebno je upoštevati, da prikazana moč odraža le zmanjšano moč na smernem sklopniku. Merilna negotovost je <1,0 db. Za bolj natančne meritve moči se priporoča uporaba natančnejšega instrumenta, in sicer toplotnega senzorja, ki ga prikazuje slika 5.8. 47
Slika 5.8: NRP-Z51, toplotni senzor merilnik moči 5.4 Razmerje napake bitov V DVB-T poznamo tri razmerja za napake bitov BER zaradi notranje in zunanje zaščite pred napakami: - BER pred Viterbi - BER pred Red Salomon - BER za Red Salomon Najpomembnejši med temi je BER pred Viterbi, saj zagotavlja največ informacij. Lahko je določen z uporabo po Viterbi podatkovnega toka v drugem konvolucijskem koderju z enako konfiguracijo kot na koncu oddajnika. Če je podatkovni tok pred Viterbi primerjan s tem za konvolucijskim koderjem (z upoštevanjem zakasnitve konvolucijskega koderja) in sta enaka, potem ni napak. Razlike, in s tem bitne napake, se potem določi s primerjalnikom za I in Q vejo. Štetje bitnih napak je povezano s številom bitov, prenesenih znotraj določenega obdobja, in tako zagotovi BER= bitne napake/preneseni biti. 48
Slika 5.9: Shema za določanje BER pred Viterbi 5.5 Razmerje modulacijske napake MER je meritev vsote vseh motenj, ki se pojavijo na prenosni liniji. Podaja se v db, podobno kot razmerje signal/šum (S/N), in če je prisoten le Gaussov šum, sta MER ter S/N enaka. Ob meritvah MER se predpostavlja, da so dejanski zadetki v področju konstelacije potisnjeni iz središča zaradi motilcev. Motilci so razporejeni vektorji napake, ki kažejo od sredine konstelacijskega polja v točko dejanskega zadetka. Dolžine teh vektorjev so merjene glede na čas in oblikovana je efektivna vrednost ali pa je merjena maksimalna vrednost v časovnem oknu. 49
Slika 5.10: Vektor napake za določanje MER [3] Za kvantitativno oceno konstelacijskih točk v konstelacijskem diagramu glede na njihovo odstopanje od teoretične lokacije se lahko uporabita razmerje modulacijske napake in napaka vektorske velikosti (EVM). Lahko izberemo MER ali EVM kot merilni parameter. Večja, kot je vrednost teh dveh parametrov, večja je kakovost signala. MER RMS(dB) = 20log 1 N N 1 n0 vektor_napake U RMS 2 db (5.1) EVM RMS(dB) = 20log 1 N N 1 n0 vektor_napake U MAX 2 db (5.2) 50
max vektor napake MER MAX = 100% URMS (5.3) Kot referenca za U RMS nam v zgornjih enačbah služi vrednost QAM signala. Najpogosteje pa je za podajanje MER uporabljeno logaritmično merilo: MER db MER % = 20log 100 (5.4) Vrednost MER je torej združena količina, ki vsebuje vse morebitne posamezne napake. Predstavitev MER v odvisnosti od števila podnosilcev [MER (f)] je v DVB-T še posebej pomembna, ker omogoča celotno opazovanje v kanalu. Z lahkoto se opazijo območja z motenimi nosilci. Pogosto se v povezavi z DVB-T meritvami poda le ena vrednost MER, vendar ta vrednost ne vsebuje veliko praktičnih informacij. [3] 5.6 Faktor oblike Zaradi pravilnega dimenzioniranja pasivnih komponent oddajniškega sistema glede na moč je pomembna meritev faktorja oblike (CF). Faktor oblike je razmerje med maksimalno izhodno napetostjo in efektivno napetostjo: CF U 20 log MAX (5.5) URMS V izjemnih primerih so lahko trenutne maksimalne vrednosti izhodne napetosti tudi do 20 db nad vrednostjo efektivne napetosti in ob takih napetostih lahko hitro pride do poškodb močnostnih delov sistema. Te vrednosti so bile v analognem načinu oddajanja precej nižje. Obstajata dve merilni metodi za CF. Glede na različen pristop so tudi rezultati različni. Merjenje visokih vrednosti CF je lahko zelo problematično. Statistično se pojavlja efekt znotraj omejenega dinamičnega območja in vrhovi lahko nastopijo le enkrat na teden ali enkrat na mesec, mogoče celo enkrat na leto. 51
Za sinusni signal je CF vrednost povečana za oz. 3.01 db. Za prenos informacij v brezžičnih telekomunikacijskih sistemih je sinusni signal oz. nosilec moduliran s signalom osnovnega pasu, ki vsebuje želene podatke. Če modulacija povzroči spremembo amplitude nosilca, se poveča tudi CF. Razlika v odvisnosti od časa tega nosilca amplitude je znana pod imenom ovojnica moduliranih signalov. Prva možnost določanja CF temelji na najvišjem amplitudnem vrhu, ki se pojavi v moduliranem signalu in efektivni vrednosti signala. Poimenovanje tega načina je pristop nosilec, saj poleg ovojnice upošteva tudi RF nosilec. To je pomembno pri dimenzioniranju oddajniških komponent, saj se kritične maksimalne (temenske) vrednosti pojavljajo, ko gre za določanje dielektrične moči. Druga možnost za določanje CF vključuje razmerje najvišje vrednosti modulirane ovojnice in njene efektivne vrednosti. Poimenovanje tega načina je pristop ovojnica. Analogna obravnava je tudi za osnovni pas signala. Faktor oblike, ki je določen na ta način, nam poda rezultat, ki je za 3,01 db nižji od rezultata, dobljenega po načinu pristop nosilec. Ta pristop je pomemben, ko razmišljamo o delovanju ojačevalnika v RF območju ali pa D/A pretvornika v osnovnem pasu. Enakovredno razmerju maksimalne/temenske in efektivne napetosti lahko CF izražamo tudi z razmerjem moči. To je razmerje maksimalne moči P PEP in povprečne moči P AVG. Ob podajanju vrednosti CF moramo vedno povedati, kateri pristop smo uporabili (nosilec ali ovojnica), da lahko določimo ekvivalentno vrednost. 5.7 Meritve na kanalu merjenje amplitude, faze in časovnega zamika V analognem načinu oddajanja je bila meritev na kanalu zelo pomembna. V DVB-T pa je zaradi kanalne korekcije v sprejemnikih postala manj pomembna, saj so tolerance večje in zato ne pride do opaznega zmanjšanja kvalitete. Kljub temu pa moramo biti pozorni na obliko merjenega signala. Na sliki 5.11 je meritev amplitude in skupinske zakasnitve, na sliki 5.12 pa amplitude in faznega zamika. 52
Slika 5.11: Amplituda in skupinska zakasnitev (problem s preostalimi nosilci) [10] Slika 5.12: Meritev amplitude in faze (problem s preostalimi nosilci) [10] 53
6 MERITVE IN REZULTATI Merilno okolje vzpostavimo z dvema ali tremi instrumenti. V primeru, da imamo zunanji vir referenčne frekvence, sta dovolj le dva instrumenta, da kvalitetno opravimo vse pomembne meritve oddajniškega sistema. Tako je minimalna konfiguracija sestavljena iz TV analizatorja R&S ETL in termalnega merilca moči R&S NRP-Z51. Blokovna shema instrumenta ETL je prikazana na sliki 6.2. Slika 6.1: Merilno okolje Za opravljanje meritev na TV oddajnikih lahko obstajajo specifične nacionalne direktive kakor tudi specifične zahteve upravljalcev omrežja, lahko pa se meritve opravijo po priporočenih specifikacijah, ki so pogosto uporabljene za ugotavljanje skladnosti na sami lokaciji ali pri proizvajalcu opreme. 54
Slika 6.2: Blokovna shema merilnega instrumenta R&S ETL Meritve oddajnika se lahko opravljajo, če je v oddajnem sistemu na voljo merilno mesto (smerni sklopnik) in sicer med oddajanjem. Prav tako pa lahko opravimo meritve med tem, ko oddajnik ne oddaja v zrak oz. izhodni signal ni speljan na oddajno anteno, temveč na umetno anteno breme. V tem primeru je po potrebi omogočena tudi prekinitev oddajanja, kar pa ni zaželjeno, če se meritve izvajajo med tem, ko je signal speljan na oddajno anteno. Meritve so se opravljale z merilnim instrumentom R&S ETL katerega blokovno shemo vidimo na sliki 6.2. S tem instrumentom lahko opravimo vse meritve, ki so opisane v nadaljevanju. Omogoča nam opravljanje kvalitetnih meritev saj ima dovolj velik dinamični razpon in občutljivost. Tehnični podatki so dosegljivi na povezavi http://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/ ETL_dat-sw_en_5213-7748-22_V1600.pdf Uporabljen je bil tudi R&S NRP-Z51 katerega tehnični podatki so dosegljivi na povezavi http://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/ NRP-Family_dat-sw_en_5213-5539-22_v1000.pdf 55
6.1 Ramensko slabljenje Meritev se izvaja po določilih ETSI TR 101 290 [6], in sicer na merilni točki med ojačevalno stopnjo in izhodnim filtrom. S pomočjo merilnega instrumenta R&S ETL se lahko ramensko slabljenje izmeri s kazalčnimi meritvami (markerji) v načinu spektralni analizator ali z uporabo metode tangenta v TV analizator načinu (slika 6.3). Slika 6.3: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po metodi tangenta Za meritev v načinu spektralni analizator postavimo kazalce na +- 4,2 MHz od centralne frekvence in odčitamo rezultate (slika 6.4). Nesimetrična ramena in vpliv na sosednji kanal sta pokazatelja za slabo kvaliteto signala, vendar pa v primeru, da imamo signal na sosednjem kanalu, moramo upoštevati, da sosednji kanal lahko vpliva tudi na našo meritev. 56
Izboljšanje merilnega rezultata: če ne dosegamo zahtevane vrednosti, lahko rezultat poskusimo popraviti z linearno predkorekcijo (opis v poglavju 7), kljub temu da ojačevalniki v oddajnikih delujejo v precej linearnem AB razredu. Vpliv na merilni rezultat ima tudi izhodna moč oz. lahko na meritev ramenskega slabljenja vplivamo s spreminjanjem enosmerne napajalne napetosti ojačevalnih stopenj.. Slika 6.4: Ramensko slabljenje z rezultati, dobljenimi po kazalčni metodi Za meritve ramenskega slabljenja se uporabljata obe metodi, vendar pa zaradi različnih definicij prihaja do odstopanj v merilnih rezultatih, kar je razvidno s slike 6.5. 57
Slika 6.5: Ramensko slabljenje z rezultati metode tangenta in kazalčne metode 6.2 Konstelacija S pomočjo konstelacijskega diagrama znotraj modulacijske analize dobimo prikaz stanja signalov, ki se zgodi v kvadraturni modulaciji v diskretnih časovnih intervalih. Po priporočilih mora biti pri meritvah dokumentiran tudi konstelacijski diagram. Meritev se izvaja na FULL SPAN in v srednjem območju (3408 za 8K način). Iz nepravilnega diagrama s posebnostmi v srednjem pasu je razvidna nepravilna I/Q prilagoditev. Na sliki 6.6 vidimo konstelacijski diagram 64-QAM modulacije. Na I osi zunaj konstelacije na levi in desni strani so lepo vidni razpršeni in trajni piloti. Razpršeni piloti se uporabijo za oceno kanala ter korekcijo in s tem predstavljajo kontrolno točko v diagramu konstelacije, ki je vedno poravnan na isto mesto. 58
Slika 6.6: Konstelacijski diagram (EFA merilni instrument) [3] Prav tako so vidni TPS nosilci znotraj konstelacije na I osi. TPS nosilci služijo kot hitra informacija o kanalu od oddajnika do sprejemnika. Slika 6.7: TPS informacije v meniju Overview na R&S ETL Pri meritvi konstelacije mora biti območje nosilcev na izbiro. V interesu je prikazovanje vseh diagramov, eden nad drugim, za nosilce od 0 do 6817 (za 8K). Območje nosilcev izbiramo s start/stop številom nosilcev ali pa s center/span številom nosilcev. Ob podatkovnih nosilcih se lahko upoštevajo tudi pilotni nosilci in TPS nosilci, vendar se na njih ne bo izvajala matematična konstelacija. 59
Slika 6.8: Konstelacijski diagram (ETL merilni instrument) 6.3 Meritev nivoja»pri definiciji izhodnega nivoja oddajnika je velika razlika med analognim in digitalnim oddajnikom. V DVB-T imamo brezšumni signal, v nasprotju z AM moduliranim analognim signalom, kjer se uporablja impulzna maksimalna moč kot definicija moči. Pri digitalnem oddajanju se uporablja povprečna izmerjena moč. Pri digitalni televiziji je povprečna moč konstantna in ni odvisna od prisotnosti vsebine kot pri analogni televiziji. Na izhod iz oddajnika je lahko priključen pasovni filter, in sicer s kritično ali nekritično masko. Sam filter ima dušenje med 0,1 db in 0,8 db, odvisno od tehnologije izdelave, zato se izhodna moč meri pred filtrom in prav tako za filtrom. Za te meritve se uporabi termalni senzor, saj le-ta zagotavlja največjo natančnost meritve. Alternativno lahko uporabimo tudi R&S ETL TV analyzer v načinu TV Analyzer / Receiver.«[11] 60
Enak senzor se uporabi tudi za meritev odbite moči, ki se meri na istih merilnih sklopnikih. Slika 6.9: Odčitek izhodne moči, merjen z NRP-Z51 Slika 6.10: Izhodni nivo, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu 6.4 Razmerje napake bitov Merimo tri razmerja za napake bitov: - BER pred Viterbi - BER pred Red Salomon - BER za Red Salomon Za vse meritve je merilni postopek enak oz. dobimo vse tri rezultate hkrati prikazane na R&S ETL (slika 6.11) 61
Slika 6.11: BER, odčitan iz Overview meritve na ETL instrumentu BER pred Viterbi je v območju 10-9 za izhod iz oddajnika in 10-2 za vhod sprejemnika v slabih sprejemnih pogojih. Viterbi dekoder je sposoben popraviti le nekaj bitnih napak, preostale pa prepusti BER pred Red Salomon. Štetje popravkov Red Salomon dekoderja in primerjava le-teh s prenesenimi biti nam poda BER pred Red Salomon. Tudi Red Salomon dekoder ne more popraviti vseh bitnih napak, in to ima za posledico pakete transportnega toka z napakami. Ti so označeni (angl.:flagged) v glavi transportnega niza z indikatorjem napake transporta, ko je bit=1. Štetje paketov transportnega niza z napako omogoča izračun BER za Red Salomon. BER je zelo pomemben merilni rezultat. To še posebej velja za izvajanje meritev na sprejemni strani kakor tudi za zgodnje ugotavljanje nepravilnosti v delovanju oddajnika. 6.5 Razmerje modulacijske napake MER je ključni parameter za kakovost signalov digitalne televizije. Na vhodu v DTV sprejemnik MER»določa«, ali bo sprejeti signal lahko dekodiran v uporabno sliko ali ne. Vrednost MER na izhodu iz oddajnika pa je seveda povezana z vrednostjo MER na sprejemni strani. Pojavlja se vprašanje, kako visoka naj bo vrednost MER na oddajniški strani, da bo imel pozitiven vpliv na pokritost oz. sprejem. 62
Slika 6.12: MER Slika 6.13: MER (potrebna korekcija) 63
Frekvenčno odvisna krivulja za MER se izračuna iz parametrov in se prikazuje na merilnem instrumentu brez nosilcev (TPS, trajni in razpršeni), ki so avtomatsko odstranjeni. Običajno krivulja za MER ne sme imeti nobenih vrhov. Vrh v območju centralnega nosilca nam nakazuje težave s preostankom nosilcev, kot je to vidno na sliki 6.14. Pomanjkanje dušenja za nosilec je opazno kot padec MER. S fino nastavitvijo nagiba za I in Q na enostaven način zmanjšamo in zožimo vrh v območju centralnega nosilca, za lažje opazovanje pa si nastavimo območje opazovanja na 200 nosilcev. Slika 6.14: MER s Span = 200»Odvisno od koncepta omrežja in predvidenih situacij sprejema se lahko opredelijo minimalne zahteve za MER na sprejemni strani. Ob predpostavki Gaussovega prenosnega kanala so sledeče zahteve globalno sprejete kot veljavna podlaga za načrtovanje omrežij: 64
- DTV omrežja za stacionarni sprejem z zunanjo anteno (npr. DVB-T s 64-QAM in kodirnim razmerjem 2/3), z visokim pretokom podatkov ter nizko robustnostjo signala: sprejemni MER pribl. > 18 db; - DTV omrežja za stacionarni sprejem z notranjo anteno (npr. DVB-T s 16-QAM in kodirnim razmerjem 2/3), s povprečnim pretokom podatkov ter srednjo robustnostjo signala: sprejemni MER pribl. > 12 db. Če opisane približne minimalne vrednosti niso dosežene, nastopi prelom t. i. cliff oz. brickwall efekt. V takih primerih nenadoma sprejem TV signala ni več mogoč. Slika 6.15: Cliff (brickwall) efekt Pokritost je opredeljena s padcem prenosnega signala na raven šuma. S tem je določena RF pokritost. Znižanje MER vpliva na COFDM signal in zato se pokritost konča tam, kjer je dosežena minimalna vrednost MER za sprejemnik. Ker je RF pokritost prevladujoča fizikalna lastnost, povečevanje MER na oddajniku omogoča povečanje COFDM pokritosti, vendar pa le do RF pokritosti. Če se MER na oddajniku zviša nad minimalno zahtevano vrednost za sprejemni MER, ima nadaljnje večanje vedno manjši vpliv. Vpliv MER se približuje mejni vrednosti, saj od določenega nivoja naprej MER na oddajniški strani le malo vpliva na»sprejemni MER«. 65
Če je na izhodu iz oddajnika vrednost MER 16 db nad mejno točko preloma, ima to vpliv na sprejemni MER, ki je za 0,1 db manjši, kot pa, če je MER 26 db nad točko preloma (slika 6.16). Glede na RF pokritost ta vpliv ustreza približno 97,5 % oddajne moči. Če pa je signal iz oddajnika 20 db nad vrednostjo preloma, je vpliv na sprejemni MER -0,04 db. To ustreza približno 99 % oddajne moči. Z drugimi besedami pomeni izboljšanje MER za 6 db na oddajni strani le 0,06 db izboljšanja sprejemnih pogojev. Preračunano je razlike nivoja na sprejemni strani le 1,5 %. Slika 6.16: Vpliv MER na pokritost Za DVB-T signal, 64-QAM in s kodirnim razmerjem 2/3, z veliko kapaciteto in majhno robustnostjo mora biti MER na sprejemni strani vsaj 18 db. Za dva proučena scenarija ima to za posledico zahtevan MER na oddajniku 34 db in 38 db. Slika 6.17 nam prikazuje poenostavljeno razlago korelacije: MER na oddajniku 34 db in 38 db je za COFDM pokritost zelo blizu teoretično dosegljivi vrednosti 100 %. S povečanjem MER iz 34 db na 38 db dosežemo le približno 1,5 % razlike v pokritosti. 66
Slika 6.17: Razlika v pokritosti za različne MER Obstajajo pa tudi primeri, v katerih je velik MER na izhodu iz oddajnika pomemben za večjo pokritost. To velja, kadar se uporabljajo pooddajniki v verigi, kot je prikazano na sliki 6.18. Na vsakem izmed teh je MER degradiran za nekaj db. Zadnja postaja v taki oddajniški verigi lahko ima že občutno manjši MER od 34 db, zato je v takem primeru koristno, če je MER na glavnem oddajniku dovolj velik.«[9] Slika 6.18: Zmanjšanje MER v primeru uporabe pooddajnika 67
6.6 Faktor oblike»na periodičnih signalih je možno faktor oblike (CF) določiti z merjenjem maksimalne in efektivne (ali povprečne) vrednosti napetosti ali pa z merjenjem moči z uporabo toplotnega senzorja ali osciloskopa. To pa ne velja za merjenje signalov, kot je npr. moduliran OFDM signal. Medtem ko je lahko povprečna vrednost natančno določena le v nekaj sekundah z uporabo toplotnega senzorja za merjenje moči, pa je magnituda maksimalne moči zelo odvisna od trajanja meritve. Dopolnilna kumulativna porazdelitvena funkcija (CCDF) je statistična verjetnost pojavljanja vrhov signala, ki so večji za faktor»k«(v db) od povprečne vrednosti (slika 6.19). Tudi v tem primeru je pomembno razlikovanje med pristopom: nosilec ali ovojnica. V praksi je visoke vrednosti CF, ki so višje od 12 db za pristop ovojnica in 15 db za pristop nosilec, navidezno nemogoče izmeriti kljub zelo sofistični merilni opremi. Verjetnost nivojev merilnega signala, ki so za 1 db višji, je nižja za faktor 60, ko se uporabi pristop ovojnica. Z drugimi besedami moramo čas merjenja pomnožiti s 60, da posnamemo vrhove signala, ki so 13 db nad povprečno ali RMS vrednostjo. Da posnamemo vrednosti pri 14 db, moramo pomnožiti čas merjenja z 10.000, pri 15 db pa s sedem milijoni. Glede na čas trajanja vrha signala približno 110 ns za DVB-T signal pri 8 MHz leži vrednost amplitude 12 db nad povprečno vrednostjo in se v povprečju pojavi na vsako sekundo ob pristopu ovojnica. Pri 15 db ti vrhovi nastopijo enkrat na vsakih 60 dni. Z drugimi besedami vrh signala, ki je 12 db nad povprečno ali RMS vrednostjo, nastopi vsakih 7,6 milijonov vzorcev med signalno analizo.«[12] 68
Slika 6.19: CCDF meritev Če se ne zavedamo zahtev glede verjetnosti, zlahka dobimo občutek, da so merilne vrednosti realistične, saj so stabilne kljub povečanju merilnega intervala za 2 ali celo 10. Merjena vrednost je potem sprejeta kot CF (čeprav napačno pod določenimi pogoji). Prav tako je pomembno zagotoviti, da ima merilni instrument zadostno dinamično območje in da ni pretvornika ali IF ojačevalnika, ki bi omejeval CF. 69
Slika 6.20: Meritev CCDF za beli šum in DVB-T signal (pristop ovojnica), merjeno z instrumentom R&S FSU 6.7 Merjenje amplitude, faze in časovnega zamika Z meritvami na kanalu pridobimo informacije o linearnem popačenju v prenosnem kanalu na podlagi amplitude in faznega zamika (slika 6.21). Merimo lahko amplitudo frekvenčnega odziva s fazo frekvenčnega odziva ali pa amplitudo frekvenčnega odziva s skupinsko zakasnitvijo (slika 6.22). Meritev izvajamo za kanalnim filtrom in združevalnikom, ki povzročata linearna popačenja izhodnega signala. Ta popačenja lahko kompenziramo z izenačevalnikom, ki je vgrajen v oddajnik (predkorektor v vzbujalniku), opisan v poglavju 7. 70
Slika 6.21: Meritev amplitude in faze Slika 6.22: Meritev amplitude in časovnega zamika 71
7 PREDKOREKCIJA Močnostni ojačevalniki zaradi njihove nelinearne karakteristike proizvajajo motnje znotraj in zunaj kanala. Ta nelinearna popačenja so praktično konstantna skozi celo življenjsko dobo polprevodniških oddajnikov, za razliko od starejših cevnih modelov. Kanalni filter za ojačevalnikom odpravlja motnje zunaj kanala. Strmi robovi oz. strma karakteristika proizvaja nelinearna popačenja (amplituda, frekvenčni odziv, skupinska zakasnitev) v prepustnem pasu in na robovih kanala. Te napake se lahko spreminjajo kot posledica spremembe karakteristike filtra zaradi vpliva okolice. V teh primerih je potrebna adaptivna nastavitev linearnega predkorektorja, da se lahko zagotovi zadostna kakovost signala iz oddajnika. 72
Slika 7.1: Grafični vmesnik linearnega predkorektorja v R&S SX800 Linearna popačenja, ki niso zaznana z avtomatično nadzorno funkcijo, se lahko pojavijo v RF antenskih dovodnih kablih in drugih vstavljenih komponentah, npr. v kanalnih združevalnikih. Na sliki 7.2 je prikazan blokovni diagram predkorektorja, ki med drugim omogoča tudi avtomatsko predkorekcijo. Digitalni osnovni pas (digital baseband) signala najprej prehaja skozi linearni frekvenčno odzivni predkorektor. Ta popravi vsa linearna popačenja, ki nastanejo v in za kanalnim filtrom s pomočjo učinkovitega digitalnega končnega impulzno odzivnega (FIR) filtra. Sledi nelinearni predkorektor, ki popravlja trenutno amplitudo in popačenje faze, ki se pojavlja v izhodnih močnostnih ojačevalnikih. 73
Slika 7.2: Blok diagram modula za predkorekcijo v vzbujalniku Signal, vrnjen iz merilnih točk, je na voljo na vhodu predkorektorja preko izbirnega stikala, kjer je ta signal demoduliran, digitaliziran in posnet skupaj z nepopačenim osnovnim signalom. Digitalni signalni procesor (DSP) izračunava popačenje iz signalnih krivulj, izračuna karakteristiko in jo nastavi. Omogočena je zamenjava karakteristike iz spomina brez izklopa signala ali predkorekcije. Poleg adaptivnega načina predkorekcije je možen tudi ročni vnos. Nastavitve in upravljanje se izvaja preko grafičnega vmesnika. 74
Slika 7.3: Grafični vmesnik linearnega prekorektorja v R&S SX800 V ročnem načinu se karakteristika vnese oz. ustvari postopoma in sicer se v polju med začetno in končno točko postavijo vmesne točke. Skozi te točke potem poteka krivulja, ki se jo pošlje v predkorektor. V adaptivnem načinu se kvaliteta signala nenehno spremlja na izhodu in se takoj avtomatsko izvajajo popravki. Odstopanja in meje se prav tako nastavijo preko uporabniškega vmesnika in, če so presežene, se karakteristika popravi brez prekinitve oddajanja. 75
Slika 7.4: Grafični vmesnik za frekvenčno korekcijo v R&S SX800 76
8 ENERGETSKI IZKORISTEK ODDAJNIKOV DVB Izkoristek oddajnikov je definiran kot razmerje povprečne oddane RF moči in sprejete električne moči. Pri samih meritvah oddajnikov nismo merili sprejete električne moči in na ta način računali izkoristka, ampak smo se na podlagi izkušenj ter dobre prakse posvetili nastavitvam ojačevalnikov, in sicer na način, da smo pri minimalni možni napajalni napetosti poskušali doseči zahtevane merilne rezultate. Pri tem postopku je pomembno spremljati MER in ramensko slabljenje ter s pomočjo predkorektorja doseči zahtevane rezultate. Za operaterje in upravljalce oddajniških omrežij je vse bolj pomemben podatek o stroških porabljene energije oddajnikov. Pomembno je, da se doseže optimalno razmerje (slika 8.1) med stroški, MER in učinkovitostjo. Slika 8.1: Cilj optimalno razmerje med MER, stroški in učinkovitostjo Nekateri proizvajalci so se tem zahtevam prilagodili z novimi generacijami oddajnikov. V teh uporabljajo različne tehnologije, s pomočjo katerih se lahko ob nastavitvah izenačevalnika doseže optimalni nivo energijske učinkovitosti za opredeljene MER vrednosti oddajnika. Vrednosti MER lahko dosegajo 38 db in več, vendar pa so vrednosti 77
energetske učinkovitosti lahko tudi do 38 % večje (v standardu COFDM), če je MER nastavljen na 33 db (podatek velja za UHF področje). Večji MER na izhodu iz oddajnika pomeni tudi, da moramo imeti tudi večje ramensko slabljenje. Običajno to lahko dosežemo z uporabo visoke napajalne napetosti ojačevalnika, kar povečuje maksimalni dovoljeni nepopačeni nivo (angl.:headroom), poveča porabo energije in s tem zmanjša energetsko učinkovitost. Povečanje headroom-a pomeni dvig kvalitete signala, obenem pa povečanje neuporabljene energije. Za zmanjšanje porabe energije se zdi smiselno znižati headroom v največjem možnem obsegu, vendar pa ob tem ne sme biti kompromisov pri zahtevah glede kakovosti signala. Presežki od zahtev kakovosti signala avtomatično vodijo v zmanjšanje učinkovitosti. Nižji je MER na izhodu iz oddajnika, boljša je možnost, da se z nižanjem headroom-a doseže povečanje učinkovitosti oddajnika. To pomeni, da ne glede na pokritost s signalom obstaja direktna povezava med nivojem MER in porabo energije oddajnika, posledično torej tudi med MER in stroški obratovanja omrežja. Slika 8.2: Doseganje višje učinkovitosti z nižanjem napetosti 8.1 Tehnologije za povečanje učinkovitosti delovanja oddajnikov Ojačevalna tehnologija Doherty ni novost, saj jo je razvil Wiliam H. Doherty v Bell Labs že leta 1936. Takrat so bile modulacije preprostejše, večinoma amplitudne modulacije (AM). V zadnjem času pa se je opravil prehod iz analogne frekvenčne modulacije (FM) v kompleksne enonosilne ali večnosilne digitalne modulacije. S tem prehodom je tehnologija Doherty dobila novo uporabnost v želji operaterjev in upravljalcev omrežij po znižanju 78
porabe električne energije in stroškov.[8] Tehnologije se prej ni dalo tako koristno uporabiti zaradi velike pasovne širine (npr.: IV/V od 470 MHz do 862 MHz) in pasovne širine posameznega kanala (od 6 MHz do >20 MHz). Ojačevalnik Doherty je sestavljen iz dveh ojačevalnikov. Prvi, glavni (v nadaljevanju: Main) ojačevalnik, deluje v AB razredu in ojačuje srednje moči signala z majhnim popačenjem. Delovna točka je nastavljena tako, da takrat, ko ojačevalnik doseže nastavljeno moč, gre v nasičenje in se poraba ne poveča. Drugi, vrhovni (v nadaljevanju: Peak) ojačevalnik, ki je namenjen za ojačevanje vrhov signala, pa deluje v razredu C, ki ima sicer najboljši izkoristek, vendar pa ustvarja velike motnje pri majhnih amplitudah. Tako dobimo dober izkoristek z delovanjem prvega ojačevalnika pri nižjih tokovih in z delovanjem drugega ojačevalnika, ki črpa električni tok le za vrhove signala, da se zagotovi maksimalna moč. Slika 8.3: Arhitektura Doherty Ojačevalnik doseže optimalno učinkovitost, ko deluje v kompresiji. Ker pa je impedanca bremena konstantna v AB razredu ojačevalnikov, se to zgodi le redko (ko je modulacija maksimalna). Metoda Doherty uporablja»bremensko«modulacijo. V primeru simetričnih ojačevalnikov Doherty (enaka Main in Peak pot) deluje samo Main ojačevalnik, ko je modulacija nizka. Impedanca bremena je izbrana tako, da Main ojačevalnik deluje z visoko učinkovitostjo pri nizki modulaciji in gre v kompenzacijo že pri četrtini izhodne moči. Če se nivo vhodnega signala dodatno poveča, bo tudi Peak ojačevalnik ojačal vhodni 79
signal in s tem se bo impedanca bremena Main ojačevalnika dinamično zmanjšala. Od tega trenutka naprej Main ojačevalnik obratuje z maksimalno učinkovitostjo in na izhodu je lahko celo več moči zaradi zmanjšanja impedance bremena. Na sliki 8.4 lahko vidimo krivuljo impedance bremena za Main in Peak ojačevalnik. Na sliki 8.5 je prikazana krivulja učinkovitosti. Slika 8.4: Impedančne krivulje glavnega ojačevalnika in ojačevalnika vrhov Kljub temu da tranzistorji v Main ojačevalniku dajejo na izhodu bistveno večjo povprečno moč kot ojačevalniki v AB razredu, pa je temperatura spoja bistveno nižja zaradi dobre učinkovitosti, kar povzroči višji srednji čas med odpovedima (MTBF). Pomanjkljivost klasične Dohery arhitekture pa je zelo ozkopasovni združilnik, ki temelji na λ/4 linijski transformaciji. Rezultat tega je povečanje stroškov izdelave zaradi potrebe po večih ozkopasovnih ojačevalnikih. Prednost tehnologije Doherty v primerjavi s klasičnimi oddajniškimi sistemi je predvsem ta, da niso potrebne nobene spremembe v arhitekturi sistema oddajnika. Edina razlika je v strukturi ojačevalnika. 80
Slika 8.5: Krivulja učinkovitosti ojačevalnika z uporabo tehnologije Doherty [15] Kompleksnost ojačevalnikov Doherty je v samem združevanju dveh ojačevalnikov, zato nastavitve delovne točke, vhodnih nivojev, izhodne impedance ter združevanje nikakor niso enostavni. Zaradi teh in drugih dejstev je tudi proizvodnja takšnih ojačevalnikov dražja, vendar pa moramo na zmanjševanje stroškov gledati skozi celo življenjsko dobo oddajnika. Močnostni ojačevalniki v stikalnem načinu (SMPA): s to tehnologijo izdelave oddajnikov se dosegajo še boljši izkoristki, vendar pa ima ta način velik vpliv na celoten oddajniški sistem, ker vpliva na vse komponente oddajnika, vključno z modulatorjem, vzbujalnikom, ojačevalnikom in filtrom. V ojačevalnikih, ki temeljijo na tej tehnologiji, se uporabljajo visokofrekvenčni polprevodniki tipa GaN. Tehnologija izdelave teh komponent še ni tako razvita in množična ter zato ni cenovno sprejemljiva za izdelavo komercialnih oddajnikov velikih moči. Modulacija ovojnice: pri tej metodi je napetost za napajanje izhodnih tranzistorjev modulirana z ovojnico RF signala. Da bi zagotovili visoko kakovosten OFDM moduliran signal, mora napajalna napetost slediti ovojnici z odgovarjajočo hitrostjo in ovojnica mora ostati sinhronizirana z moduliranim RF krmiljenjem tranzistorjev. V primeru neusklajenosti je potrebno popraviti MER z adaptivno predkorekcijo. Uporaba kompleksne modulacije 81
ovojnice zahteva precej večje število močnostnih elementov (posledično nižji MTBF) in zato so tudi stroški bistveno večji v primerjavi z AB razredom ojačevalnikov. Učinkovitost izhodne stopnje je zelo odvisna od učinkovitosti modulatorja ovojnice. Ker napajalna napetost tranzistorjev ni konstantna, se delovna točka premika (še posebej pri nizkih napetostih). Ta dejstva kažejo na prednost uporabe tehnologije Doherty v oddajnikih. Slika 8.6: Modulacija ovojnice 82