KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
5. MĚŘENÍ NA VYSÍLAČI DIGITÁLNÍ TELEVIZE Cíl měření 1) Seznamte se s možnostmi měření testovacím přijímačem EFA. 2) Zobrazte výsledné spektrum signálu vysílače systému zemské digitální televize. 3) Zobrazte konstelační diagramy jednotlivých nosných vln signálu vysílače systému zemské digitální televize. 4) Určete minimální úrovně signálu potřebné pro příjem v závislosti na použité modulaci jednotlivých datových nosných vln. 5) Zobrazte spektra a konstelační diagramy pro reálné vysílání zemské digitální televize. Přístrojové vybavení pracoviště Měřící generátor MPEG–2 Rohde&Schwarz DVG Testovací vysílač Rohde&Schwarz SFQ 20 Testovací přijímač Rohde&Schwarz EFA 40 DVB-T přijímač LG M2762D Prutová anténa Blokové schéma Generátor MPEG2
-3dB
Testovací vysílač
DVB-T přijímač
-3dB Testovací přijímač
Obr. 1: Blokové schéma Stručná teorie Pro přenos signálu zemské digitální televize (DVB-T = Digital Video BroadcastingTerrestrial) je využíván modulační princip ortogonální frekvenčně dělený multiplex (OFDM = Orthogonal Frequency-division Multiplexing). Od běžných typů digitálních modulací se odlišuje tím, že využívá pro přenos dat mnoha nosných frekvencí (Multi-carrier System). (V dalším textu bude občas pojem „nosná frekvence“ nahrazen pouze slovem „nosná“.) Modulační rychlost na každé z nosných je zlomkem přenosové rychlosti původní, symbolový interval na každé nosné je proto prodloužen násobně podle počtu nosných. Navíc je možné vytvořit časovou rezervu, kdy se symbolový interval rozšíří o tzv. ochranný interval (Guard Interval), při němž se detekce zastaví a ignorují se tím zpožděné signály (až do jisté hodnoty zpoždění) vzniklé vícecestným šířením. Pro účely synchronizace je v době symbol M
symbol M+1
amplituda
symbol M–1
čas CP
užit. část
Obr. 2: Cyklický prefix (CP) v ochranném intervalu 1/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
vysílání ochranného intervalu délky ∆T zopakována závěrečná část symbolu (prefix nebo také cyklický prefix), viz obr. 2. Poměr délky ochranného intervalu a užitečné délky symbolu Tu se volí 1/2n, ∆T/Tu= 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Nosné frekvence jsou vhodně zvoleny tak, aby byly vzájemně ortogonální, což usnadňuje jejich rozlišení (výhodné pro demodulaci). Každá tato nosná frekvence je modulována číslicovou modulací. Pro DVB-T se užívá N = 2048 nebo 8192 nosných, odtud mód 2K nebo 8K. Ve skutečnosti je aktivních nosných méně: 1705 resp. 6817 a navíc z toho počet užitečných datových činí: 1512 resp. 6048. Průběh výsledného signálu, který vznikl součtem mnoha náhodných příspěvků (data pro jednotlivé dílčí nosné jsou znáhodněna), se tak blíží průběhu šumu. Jednotlivé příspěvky N dílčích pásem, z nichž se skládá výsledné spektrum znázorňuje obr. 3. Rozestup nosných ∆f je dán délkou užitečné části symbolu ∆f = 1/Tu a jeho hodnota přibližně činí 1116,1 Hz v módu 8K resp. 4464,3 Hz pro mód 2K. .
Bs = (N-1) ⋅ ∆f = 7,61 MHz 0
2⋅∆f ∆⋅f
1
3⋅∆f
4⋅∆f
6⋅∆f
5⋅∆f
7⋅∆f
8⋅∆f
10⋅∆f
9⋅∆f
(N - 1)⋅∆f
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
∆f
∆f
0,2 0,1 0
Bs´ = (N+1) ⋅ ∆f = 2∆f + Bs
f
Obr. 3: Dílčí pásma spektra signálu OFDM Poznámky k měření Testovací vysílač • kmitočet střední nosné 810 MHz: RF FREQUENCY → FREQUENCY → 810 • po celou dobu měření vypnuto vícecestné šíření: MODULATION → DVB-T COFDM → FADING → OFF, totéž platí o šumu: MODULATION → DVB-T COFDM → NOISE → OFF • modulace např. 16-QAM: MODULATION → DVB-T COFDM → CONSTELLATION → 16-QAM • nulové amplitudové nevyvážení I/Q modulátoru: MODULATION → DVB-T COFDM → I/Q AMPL. IMBALANCE → 0 % • nulové fázové nevyvážení I/Q modulátoru: MODULATION → DVB-T COFDM → I/Q PHASE ERROR → 0 ° • kódový poměr 3/4: I/Q CODER → CODE RATE → 3/4 • mód 8K: I/Q CODER → FFT MODE → 8K • ochranný interval 1/8: I/Q CODER → GUARD INTERVAL → 1/8 • všechny nosné zapnuté: I/Q CODER → SPECIAL → EDIT CARRIERS → DISABLE CARIER → CLEAR (vše se smaže) → ENTER • výstupní úroveň signálu –10 dBm: RF LEVEL → RF LEVEL → –10
2/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
•
5. DVB-T
zkušební MPEG sekvence: DIVER.GTS (nastavuje se na generátoru MPEG–2; pokud je třeba změnit, užijte ESCape, šipkami nalistujte a potvrďte stiskem ENTER; pro případ, že opustíte aktuální adresář, sekvence je uložena v adresáři GTS_LIVE)
Testovací přijímač • Kmitočet přijímaného signálu 810 MHz: RF → 810 → ENT • ADD. NOISE → OFF (nabídka se zobrazí až po aktivování měření, viz MEASURE níže) K bodu 1) V krátkosti se seznamte s možnostmi měření testovacím přijímačem EFA. Měření se vyvolají stiskem tlačítka MEASURE. V jiném menu (např. SETUP nebo SPEC. FUNCTION) neměňte žádná nastavení! K bodu 2) Signál DVB-T byl navržen tak, aby jeho frekvenční šířka Bs odpovídala již zavedené šířce pásma TV kanálu (obvykle 8 MHz v pásmu UHF), pro oba módy činí po zaokrouhlení 7,61 MHz (je možno volit i jiná nastavení systému vyhovující odlišným šířkám pásma kanálu jako např. 6 MHz nebo 7 MHz). V různých literaturách je šířka definována jinými způsoby, dva možné ukazuje obr. 3. Měřením ověřte, zda výsledný signál lze přenést kanálem o šířce pásma 8 MHz. Do obr. 4 doplňte hodnotu a jednotku přijatého výkonu „LVL“, porovnejte ji s hodnotou nastavenou na vysílači, popište obě osy v obrázku (udejte hodnoty i jednotky). Testovací přijímač • Zobrazení spektra: MEASURE → SPECTRUM/TIME DOMAIN → SPECTRUM • Nastavení zobrazení: AVERAGE CNT: 50; DETECTOR: RMS; START FREQ: –4.48 MHz; STOP FREQ: 4.48 MHz
Obr. 4: Změřené spektrum celkového signálu systému zemské televize
3/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
K bodu 3) Spektrum signálu systému DVB-T se skládá z datových nosných vln, z TPS nosných vln a z pilotních nosných vln. Pro modulace datových nosných vln se používají digitální modulace QPSK (4-PSK), 16-QAM a 64-QAM. Čím více stavů má modulace tím je větší přenosová rychlost systému. Avšak při stejné úrovni vysílaného signálu se s rostoucím počtem stavů modulace zmenšuje vzdálenost mezi jednotlivými body konstelačního diagramu. Proto klesá odolnost modulace proti šumu a vícecestnému šíření. Datových nosných vln je v módu 2K 1512 a v módu 8K 6048. Na 17 pozicích v módu 2K a na 68 v 8K se nacházejí TPS (Transmission Parameter Signalling) nosné vlny. Nesou informaci o typu modulace datových nosných vln, o hodnotě ochranného intervalu, o zvolené hodnotě kódového poměru konvolučního kodéru, o vysílacím módu a o číslu rámce (rámec = frame je tvořen 68 OFDM symboly, 4 rámce vytvářejí tzv. superrámec = superframe). Během jednoho OFDM symbolu (ten je dán stavem všech užitých nosných vln po dobu trvání OFDM symbolu) nesou všechny TPS vlny stejnou informaci – 1 bit TPS sekvence. Celá sekvence TPS informace je tvořena 68 bity (tj. jedna sekvence za jeden rámec), z toho informačních je 37 bitů. Jsou modulovány diferenciální modulací. Pilotní nosné vlny jsou nemodulované a používají se k odhadu stavu kanálu. Jde jednak o pilotní nosné vlny se stálou pozicí (kontinuální) a jednak o pilotní nosné vlny, které slouží alternativně i jako datové nosné vlny (rozprostřené). Rozložení nosných vln v čase i ve frekvenci je patrný z obr. 5. V obr. 5 nahoře jsou konstelační diagramy, které tvoří koncové body vektorů signálu vyjádřeného v signálovém prostoru (I a Q představují osy pro soufázovou a kvadraturní Q
I
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
t
f Kontinuální pilotní nosná
Rozprostřená pilotní nosná
Data
TPS
Obr. 5: Naměřený konstelační diagram pro 64-QAM pro všechny nosné vlny a teoretický diagram s vyznačeným typem nosných vln (nahoře); rozložení nosných vln ve spektru (dole) 4/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
složku signálu) za určitý časový úsek (např. 5000 symbolů), vlevo je změřený diagram a vpravo jsou naznačeny ideální pozice jednotlivých stavů modulace a zároveň zde je vyznačeno, jakých stavů mohou nabývat výše uvedené typy nosných vln (odtud je patrné jaké modulace jsou pro nosné použity). Ve spodní části obr. 5 je rozložení nosných vln v čase i ve frekvenci, svislá osa vyjadřuje čas (symbol 0, symbol 1, symbol 2, … ) a vodorovná frekvenci. Frekvence je zde nepřímo vyjádřena indexem k, který je počítán od nuly (první nosná vlna) do 1704 v módu 2K či do 6816 v módu 8K (poslední nosná vlna), na obrázku je několik počátečních a koncových nosných vln, další informace o rozložení jednotlivých nosných vln jsou v tabulkách v příloze. Při určování typů nosných vln sledujeme větší počet symbolů (v obr. 5 je jich zachyceno deset). Datovou nosnou vlnu určíme z obrázku 5, např. k = 1. Nosná vlna TPS je v obr. 5 vidět pouze jediná: 1687 pro mód 2K, respektive 6799 pro mód 8K. Jiné určíme z tabulky v příloze. Pilotní nosné vlny kontinuální jsou v obr. 5 zachyceny tři, jako příklad poslouží poslední nosná vlna 1704 pro mód 2K, respektive 6816 pro mód 8K, další jsou uvedeny v tabulce v příloze. Rozprostřené pilotní nosné vlny určíme pomocí obr. 5. Vidíme, že v každém symbolu se pozice rozprostřené pilotní nosné vlny opakuje s periodou 12 nosných vln a pro různé symboly se navíc pozice rozprostřených pilotních nosných vln o tři posouvají. Výsledkem je, že téměř každá třetí nosná vlna je rozprostřená pilotní, např. k = 3. V obr. 5 jsou popsány některé pozice (např. první a poslední nosná vlna) zároveň jako rozprostřené pilotní nosné vlny a jako kontinuální pilotní nosné vlny, aby bylo vidět pravidelnost v rozložení; nicméně tyto nosné vlny chápejme stále pouze jako kontinuální pilotní nosné vlny. Rozprostřená pilotní nosná vlna je taková pozice, na které se přenášejí také datové symboly. Příklady nosných vln odpovídající domácí přípravě jsou vyznačeny v obr. 6. k=1 k=3
k = 1687 (2K mód) = 6799 (8K mód)
k = 1704 (2K mód) = 6816 (8K mód)
t
Obr. 6: Rozložení nosných vln ve spektru – příklady (odpovídá domácí přípravě) Testovací vysílač • zvolte požadovanou konstelaci: MODULATION → DVB-T COFDM → CONSTELLATION → postupně QPSK, 16-QAM Testovací přijímač • přepněte přijímač do režimu zobrazení konstelačního diagramu: MEASURE → CONSTELL DIAGRAM • nastavení rozsahu zobrazených nosných vln: START/STOP CARR – zadávají se hodnoty a potvrzují se stiskem ENT; pro sledování pouze jediné nosné vlny zadáte její pořadí do hodnoty počáteční i konečné nosné vlny (do STOP CARR nelze zadat nižší číslo než do START CARR a obráceně)
5/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
Zadávejte jednotlivé nosné dle domácí přípravy. Sledujte počty stavů a zakreslete konstelační diagramy všech typů nosných vln při modulaci datových nosných QPSK a 16-QAM: QPSK 16-QAM Datová nosná
Datová nosná Q
Q
I
TPS nosná
I
TPS nosná Q
Q
I
Pilotní nosná - kontinuální
I
Pilotní nosná - kontinuální
Q
Q
I
Pilotní nosná - rozprostřená
I
Pilotní nosná - rozprostřená
Q
Q
I
I
6/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
K bodu 4) Pro správnou funkci přijímače je nutné přivést na jeho vstup signál s odstupem C/N vyšším nebo rovným minimální hodnotě závislé na zvolené konfiguraci systému. Tu zajistíme jistou hodnotou vysílaného výkonu. Pro zběžné měření, kdy není nutné přímo sledovat chybovost přenosu dat měrným přijímačem, je možné minimální hodnotu vysílaného výkonu určit podle výpadku obrazu, čímž získáme alespoň přibližné výsledky. Na testovací přijímači zároveň zobrazujte konstelační diagram všech nosných vln. Testovací vysílač • modulace: MODULATION → DVB-T COFDM → CONSTELLATION → 64-QAM resp. 16-QAM resp. QPSK • výstupní úroveň –55 dBm: RF LEVEL → RF LEVEL → –55 a dále snižujte až na výpadek obrazu Měření je dobré začít s modulací 64-QAM, poté změřit 16QAM a na závěr QPSK. Sledujte obraz na DVB-T přijímači. Na testovací přijímači zároveň zobrazujte konstelační diagram všech nosných vln. Na testovacím vysílači snižujte výstupní výkon (nejprve v krocích po 1 dB) a zaznamenejte jeho hodnotu (a jednotku) v okamžiku, kdy dojde k rozpadu obrazu (případně upřesněte na desetinu dBm): Modulace Min. výkon [
64-QAM
16-QAM
QPSK
]
K bodu 5) K testovacímu přijímači připojte namísto testovacího vysílače prutovou anténu, kterou umístěte blízko okna. Podle postupů v bodech 2) a 3) zjistěte, jak vypadají spektra a konstelační diagramy signálů pro reálné vysílání DVB-T. Můžete otestovat následující frekvence: 634 MHz (41. kanál), 730 MHz (53. kanál), 778 MHz (59. kanál) a 818 MHz (64. kanál). Domácí příprava – bez vypracované domácí přípravy nebude povoleno zahájení měření • Jaká je šířka pásma kanálu určeného pro přenos TV signálu v UHF pásmu? • Pro účely měření v bodě 3) vyhledejte podle přílohy a podle obr. 5 a 6 další tři příklady hodnot indexu k pro každý typ nosných vln a doplňte je do tabulky: typ nosné vlny index k datová 1 TPS 1687 pilotní nosná – kontinuální 1704 pilotní nosná – rozprostřená 3 • Která ze tří modulací datových nosných je nejvíce náchylná na šum (resp. na rušení)? Zdůvodněte proč:
7/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
KTR - LABORATORNÍ CVIČENÍ
5. DVB-T
Závěrečné úkoly a otázky – vypracují se při, případně na konci měření • Je možné přenášet signál zemské digitální televize kanálem určeným původně pro analogovou televizi? (Posuďte frekvenční šířku kanálu a šířku pásma přenášeného signálu). • Pro jakou modulaci datových nosných vln jste změřili nejnižší hodnotu vstupního výkonu požadovanou pro příjem systému DVB-T? • Popište, jak se odlišují spektra a konstelační diagramy změřené na reálných signálech od spektra a konstelačního diagramu změřených na signálu z testovacího vysílače?
Přílohy Rozmístění TPS – v tabulce jsou uvedeny hodnoty
(v tabulce je uváděn index k) Rozmístění kontinuálních pilotů
(v tabulce je uváděn index k)
8/8
LS 2010-11 (14.2.2011)
