Y37BKS / A7B37BKS – Laboratorní cvičení
3. DVB-T – parametry, přenosové rychlosti
3. MĚŘENÍ NA SYSTÉMU ZEMSKÉ DIGITÁLNÍ TELEVIZE DVB-T – PARAMETRY, PŘENOSOVÉ RYCHLOSTI SYSTÉMU Cíl měření 1) 2) 3) 4)
Seznamte se s možnostmi měření testovacím přijímačem EFA. Zobrazte výsledné spektrum signálu vysílače systému zemské digitální televize. Sledujte přenosové rychlosti systému v závislosti na volbě parametrů DVB-T systému. Pokuste se zvolit správné parametry DVB-T systému tak, aby bylo možno přenášet předepsané zkušební MPEG sekvence. Změřte skutečné datové rychlosti MPEG sekvencí. V nepovinné části sledujte vliv velikosti datového toku na kvalitu obrazu. 5) Zjistěte nastavení parametrů 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
Testovací vysílač
cca –3dB
DVB-T přijímač
cca –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 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 vysílání symbol M
symbol M+1
amplituda
symbol M–1
čas CP
užit. část
Obr. 2: Cyklický prefix (CP) v ochranném intervalu 7. 2. 2012 (Ulovec) 1/5
Y37BKS / A7B37BKS – Laboratorní cvičení
3. DVB-T – parametry, přenosové rychlosti
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. Signál systému DVB-T je složen z datových nosných vln, z TPS nosných vln a z pilotních nosných vln. Na výslednou přenosovou rychlost systému má zásadní vliv zvolená modulace na datových nosných vlnách, používají se digitální modulace QPSK nebo 16-QAM anebo 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 rozlišitelnost jednotlivých stavů (vzdálenost mezi jednotlivými body v konstelačním diagramu) a klesá tak odolnost modulace proti šumu a vícecestnému šíření. (Datových nosných vln je v módu 2k 1512 a v módu 8k 6048). Systém DVB-T používá dvou stupňovou ochranu proti vzniku (anebo alespoň pro detekci) chyb, které mohou vzniknout (a vždy v určité míře vznikají). První stupeň ochrany je v přijímači tvořen obvody Viterbiho dekodéru, poměr konvolučního kódování (definován jako bitová rychlost na vstupu / bitová rychlost na výstupu konvolučního kodéru v modulátoru) lze pro systém DVB-T zvolit 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 nebo 7/8. Druhý stupeň představují obvody Reed-Solomonova dekodéru, při kódování v modulátoru je ze 188 vstupních bytů vytvořeno 204 výstupních, tedy je přidáno 16 kontrolních bytů. Protichybové zabezpečení zvyšuje robustnost přenosu, naopak ovšem způsobuje snížení užitečné přenosové rychlosti. .
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: Spektrum signálu OFDM Poznámky k měření Testovací vysílač • Kmitočet střední nosné 810 MHz: RF FREQUENCY → FREQUENCY → 810. 7. 2. 2012 (Ulovec)
2/5
Y37BKS / A7B37BKS – Laboratorní cvičení
• • • • • • • • •
3. DVB-T – parametry, přenosové rychlosti
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 °. Výstupní úroveň signálu –50 dBm: RF LEVEL → RF LEVEL → –50. Kódový poměr 2/3: I/Q CODER → CODE RATE → 2/3. 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 → vše smazat (CLEAR) a stisknout ENTER.
Generátor MPEG–2 • Zkušební MPEG sekvence DIVER.GTS: užijte ESCape, šipkami nalistujte DIVER.GTS a potvrďte stiskem ENTER; pro případ, že opustíte aktuální adresář, používané zkušební sekvence jsou uloženy v adresáři GTS_LIVE. Testovací přijímač • Kmitočet přijímaného signálu 810 MHz: RF → 810 ENT. 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! V základní obrazovce (po stisknutí MEASURE) můžete sledovat mimo jiné velikost užitečného datového toku (TS BIT RATE), mód (FFT MODE), poměr pro ochranný interval (GUARD INTERVAL), modulaci datových nosných vln (ORDER OF QAM) a kódový poměr (CODE RATE). Přístroj umožňuje zobrazení a měření na spektru signálu (bude využito v bodě 2) a dále například impulsové odezvy, charakteristik kanálu, konstelačních diagramů (což však není předmětem tohoto měření). K bodu 2) Signál DVB-T byl navržen tak, aby šířka pásma kanálu Bs odpovídala již zavedené šířce TV kanálu (v naší zemi 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“ a popište obě osy (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; ADD. NOISE → OFF.
7. 2. 2012 (Ulovec)
3/5
Y37BKS / A7B37BKS – Laboratorní cvičení
3. DVB-T – parametry, přenosové rychlosti
Obr. 4: Změřené spektrum celkového signálu systému zemské digitální televize K bodu 3) Testovací vysílač • Volte požadované hodnoty parametrů dle tabulky níže (ovládání viz poznámky k měření). Testovací přijímač • Měřte velikost užitečného datového toku MEASURE – parametr je označen TS BIT RATE. Nejprve do tabulky doplňte tři možné modulace (viz stručná teorie) datových nosných vln, libovolná jedna z nich se pro varianty 1, 2, 5 a 6 bude opakovat. Pro nastavení systému volte parametry dle tabulky (případně další vaše vlastní varianty 7, 8, 9) a měřte a zapisujte (maximální nabízenou) užitečnou datovou rychlost přenosu (nezapomeňte udat jednotky). Varianta
Mód
1 2 3 4 5 6 (7) (8) (9)
8k 2k 8k 8k 8k 8k
Modulace datových nosných 1: 1: 2: 3: 1: 1:
Ochranný interval 1/8 1/8 1/8 1/8 1/32 1/8
Kódový poměr 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 5/6
Užitečná datová rychlost
K bodu 4) Testovací vysílač • Skutečné datové toky zkušebních MPEG sekvencí lze změřit v menu I/Q CODER – parametr je označen USEFUL DATA RATE, sledujte ve sloupci MEASURE. • Volte požadované hodnoty parametrů na základě měření v předchozím bodě. 7. 2. 2012 (Ulovec)
4/5
Y37BKS / A7B37BKS – Laboratorní cvičení
3. DVB-T – parametry, přenosové rychlosti
Generátor MPEG–2 • Požadovaná zkušební MPEG sekvence: užijte ESCape, šipkami nalistujte požadovanou sekvenci a potvrďte stiskem ENTER; pro případ, že opustíte aktuální adresář, používané zkušební sekvence jsou uloženy v adresáři GTS_LIVE. Testovací přijímač • Měřte velikost užitečného datového toku MEASURE – parametr označen TS BIT RATE. Nastavení systému musí zabezpečit, aby výsledná užitečná nabízená datová rychlost byla dostačující pro skutečný datový tok přenášeného obsahu (audio, video a data). Změřte a zapište skutečné datové rychlosti zkušebních sekvencí (nezapomeňte udat jednotky). Zjistěte a zaznamenejte, které varianty nastavení systému z předchozího měření jsou použitelné pro přenos. zkušebních sekvence DIVER.GTS (1 program) FLOWERGA.GTS (3 programy) TRANS_QU.GTS (4 programy)
skutečný datový tok
varianty
V nepovinné části lze sledovat vliv velikosti datového toku na kvalitu obrazu. Například multiplex tří programů – FLOWERGA.GTS obsahuje třikrát tutéž sekvenci při datových tocích přibližně 2, 4 a 6 Mbit/s. Programy je možné sledovat pomocí DVB-T přijímače. K bodu 5) K testovacímu přijímači připojte namísto testovacího vysílače prutovou anténu. S využitím testovacího přijímač zjistěte a zaznamenejte, jak vypadají spektra a jaké se používá nastavení parametrů pro reálné vysílání DVB-T na území Prahy, sledujte též možné přenosové rychlosti systému. Počet televizních programů můžete zjistit pomocí DVB-T přijímače (MENU → NASTAVENÍ → Diagnostika). Kanál / frekvence
Mód
Modulace dat. nosných
Ochranný interval
Kódový poměr
Užitečná datová rychlost
(Počet TV programů)
41. / 634 MHz 53. / 730 MHz 59. / 778 MHz 64. / 818 MHz Závěrečné otázky – vypracují se na konci měření • Je rádiový kanál 8 MHz široký dostatečný pro přenos signálu DVB-T se spektrem podle obr. 4? • Jaká modulace při měření v bodě 3 poskytovala největší užitečnou datovou rychlost přenosu a kolik TV programů při průměrném datovém toku 5 Mb/s na jeden TV program je možno přenést pro nastavení s touto modulací? • Jak se odlišují spektra signálu skutečného vysílání a systému v laboratoři?
7. 2. 2012 (Ulovec)
5/5
