Sorozatban készülnek az egyszerre nyolc QAM csatornát direct jelszintézissel előállító modulátorok
A tartalomból: - Az elektromos jelek előállításának múltja - A QAM és az OFDM moduláció Miért van szükség az új modulációs módokra A QAM és az OFDM moduláció egyszerűen fogalmazva A moduláló jel kialakítása A QAM és az OFDM jelek vétele A reflexiók hatásának vizsgálata Az új moduláció új szemléletet igényel - A QAM jelek szintjének mérése A QAM jel szintjének mérése egyszerűen Az analóg és digitális jeleket vegyesen tartalmazó rendszerek szintezése - A QAM jelek előállításának legújabb technikája DDS - Direct Digital Synthesis eljárásról röviden A direct QAM eljárással működő CW-4268 bemutatása - IP átvitel – csomagvesztés – FEC kell, vagy mégsem? Beszéljünk világosan a problémákról, mielőbb szabaduljunk meg a tévhitektől - IP hálózaton továbbított transport stream átalakítása QAM jellé
hírek A CableWorld Kft. technikai magazinja 2008. október
Számunk fő témája:
A QAM és az OFDM moduláció, valamint a DDS technika
39.
A QAM-nél Jel, jelátvitel, moduláció
hírek A szikratávírótól az OFDM modulációig
Az információelméletben a jel a kommunikációs csatorna állapotainak egy sorozata, amelyet üzenetté lehet dekódolni. A kommunikációs rendszerben a küldő az üzenetet jelekké kódolja, s ezeket a kommunikációs csatorna segítségével eljuttatja a vevőhöz. A jel és a kommunikációs csatorna nagyon sokféle lehet. Gondoljunk a római császárok 0 állapotból 1 állapotba (lefelé) fordított hüvelykujjára, amely jel a vesztésre álló gladiátor számára végzetes információt közvetített. De gondolhatunk pl. a pápua új-guineai Maramba törzsre, amelynek évezredek óta egyedüli, mindennapi nélkülözhetetlen kommunikációs eszköze a jó két méter hosszú Garamut dob. Minden felnőttnek saját jele van, s az üzenetek 3 fő részből állnak, a bevezető címrészből, a fő részből és a lezárásból (nem kísértetiesen hasonló az IP üzenetekhez?). Gondolhatunk a füstjelekre is, amelyeket az ősi Kínában a Nagy Fal védői is használtak a veszély jelzésére, s néhány óra alatt toronyról-toronyra akár 300 mérföldre továbbították az információt. Az indiánok füstjeleikhez a füstöt nedves fű tűzre tételével és elvételével modulálták. De még ma, a XXI. században is használják a füstjeleket! Gondoljunk csak a pápaválasztásra (fehér füst Igen – Nem: egybites digitális füstmoduláció, DFM). Ne menjünk azonban ennyire messzire, a gémeskutat régen az Alföldön hírközlésre is használták: a gém helyzetének állításával látótávolságnyira jelezték a legeltető pásztoroknak a delelés, itatás, étkezés idejét. Egy másik jelrendszerrel a csendőrveszélyt üzenték meg a betyároknak pártolóik. A jelek szemiotikai elemzése helyett foglalkozzunk most csak az elektromos jelekkel. Az első elektromos jel előállítást és átvitelt az amerikai Samuel Finley Breese Morse (civilben festőművész) mutatta be 1838-ban. Miután megalkotta a Morse kódrendszert, amelyben minden betűnek rövid és hosszú jelekből és szünetből álló jelcsoportok felelnek meg, már nem volt másra szükség, mint ezt a ki-be kapcsolós egybites aszinkron soros digitális modulációt valamely két állapotot megkülönböztetni tudó csatornára alkalmazni, amely lehet egy nyomógomb (távíróbillentyű), csend és hang (hajókürt), fény és sötét (fényjel), zász- Morse fényjelek lelójelzés, átfolyó áram stb. stb. adása hajón
A zseniális morze kód kiválóan bevált, s hamarosan megjelent az igény a jel átvitelére a látótávolságnál, hallótávolságnál távolabbra, a vezetékes átvitel lehetőségein túlra. A vezetéknélküli átvitel (a rádió?) lehetőségét Alekszander Sztyepanovics Popov orosz fizikus ismerte fel, akinek 1895. május 7-én az egyik helyiségből a másikba sikerült üzenetet küldenie úgy, hogy adóként szikrainduktort használt. Ebből a kísérletből később gyakorlati célra alkalmas szikratávíró berendezést hozott létre, amellyel sikeresen teremtett összeköttetést az orosz flotta hajói között. A szikratávíró mégis az olasz Guglielmo Marconi találmányaként vált közismertté – szegény Popov úgy járt, mint a mi Jedlik Ányosunk. A szikratávíró hatalmas karriert futott be, Marconi 1901. december 12-én szikratávíró készülékével áthidalta az Európa és Kanada közötti távot, Skócia partjaitól a kanadai Newfoundlandig. 1912-ben a Titanic A Magyar Posta szikrais szikratávírón adta le a vészjeleket távíró adója 1906-ból és nem a jeleken múlt a katasztrófa. Az 1914-ben létesített csepeli szikratávírót pedig 1919-ben Kun Béla használta Leninnel folytatott levelezéséhez (a bajt itt sem a jelátvitel okozta). A XX. század elején a nagyközönség érdeklődése már a hang vezetéknélküli átvitele felé fordult. Ehhez már nem lehetett csak úgy rádörrenteni a szikrainduktort az antennára, itt nagyfrekvenciás szinuszgenerátor amplitúdóját változtatták a hangfrekvencia ütemében, s ezzel létrehozták az AM (amplitúdómoduláció) alapú rádiót. Ez a modulációs mód adó- és vevőoldali egyszerűségével olyan előnyöket nyújtott, hogy az 1940es években meginduló televízió képjeleinek átviteléhez is ezt választották. Időközben – kihasználva azt, hogy a szinuszos vivő amplitúdóján kívül frekvenciájának és fázisának módosítása is hordozhat információt – igen sokféle modulációt dolgoztak ki, amelyek mindegyike optimalizálva van valamely átviendő jel és közvetítő közeg fizikai jellemzőinek összeegyeztetésére. Nem ijesztésül, csupán néhány modulációs mód áttekintésére álljon itt egy összefoglaló táblázat. Az AM és az FM alkalmazását jól ismerjük, az MSK a mobil telefon átvitelnél alkalmazott moduláció. Az ASK-t digitális adatok optikai szálon történő átvitelénél használják, azt pedig, hogy a QAM és az OFDM moduláció mi fán terem és mire jó, a következő oldalakon olvashatja a nyájas olvasó. Források: Internet 2
Kiss Gábor
A QAM-nél QAM moduláció – soros jellegű adatátvitel
hírek
A QAM és az OFDM moduláció Napjaink új modulációs eljárásainak bemutatása egyszerűen A DVB-T rendszer hazai bevezetéséhez közeledve időszerű, hogy a digitális televíziótechnika új modulációs módjait részletesebben is megismerjük. A lényeg megértése egyszerűbb, ha a QAM és az OFDM modulációról párhuzamosan beszélünk és egymással összehasonlítva nézzük meg azok előnyeit és hátrányait. A cikk elkészítése során arra törekedtünk, hogy egyszerű és széles körben érthető magyarázatokat adjunk, ezért a bonyolult matematikai képleteket és a lényeg megértését zavaró apró részleteket elhagytuk.
QPSK) hátránya, hogy a fázis változása közben az amplitúdó feleslegesen állandó értékű. A QAM moduláció olyan eljárás, amelyben egymást követően különböző amplitúdójú és fázisú szinusz csomagokat küldünk a vevő számára. A QAM jel kialakításának elvét szemlélteti az 1. ábra.
1. Miért van szükség az új modulációs módokra? Az idősebb generáció még emlékszik rá, hogy a csonka oldalsávos amplitúdó moduláció (AM-VSB) kidolgozásánál fontos szempont volt, hogy a vételi oldalon a jel egyetlen diódával demodulálható legyen. Ennek érdekében maradt meg a nagy teljesítményű vivő, amely később a sokcsatornás rendszerekben igen sok problémát okozott. A fiatalabb generáció is láthatta, hogy a torzítás miatt hogyan „úszik” az egyik kép a másikon. Aki már látta a jel spektrumát, az tudja, hogy milyen egyenetlen a kihasználtsága. Az analóg rendszer hátrányos tulajdonságai alapján az új modulációs módoktól elvárjuk, hogy ● a modulált jel diszkrét frekvenciájú összetevőket ne tartalmazzon, ● a spektrum kihasználtsága egyenletes legyen, ● a moduláló jel kívülről láthatatlan legyen, ● a külső zavarokkal szemben érzéketlen legyen. Természetesen a digitális technika mindezek mellett megkívánja, hogy az új eljárás jól illeszkedjen a digitális technika jeleihez, miközben az átvitel lehetőleg hibamentes legyen.
1. ábra A QAM modulált kimenőjel az időtartományban
A QAM jelnek azt a szakaszát, amelyen belül a jel amplitúdója és fázisa nem változik, szimbólumnak nevezzük. Az 1 másodpercen belül kiküldött szimbólumok száma adja a szimbólum sebességet. A QAM jel minden szimbólumban „a” amplitúdóval és „ϕ” fázissal jellemezhető. Az amplitúdó és fázis értékek vektorait koordináta rendszerbe rajzolva kapjuk a konstellációs diagramot. A 2. ábra a 16QAM jel konstellációs diagramját és valós időfüggvényét szemlélteti.
2. Milyen a digitális technika moduláló jele? 2. ábra A 16QAM jel konstellációs diagramja az elméletben és a gyakorlatban, továbbá az időtartománybeli kép 36 MHz-en
Az új modulációs módok megértéséhez elegendő annyit tudni, hogy az átviendő jel olyan bájtok sorozatából áll, ahol minden 188-adik bájt h47 értékű szinkron bájt. Fontos tudni, hogy a modulációs eljárás szempontjából ez az egyetlen megkötés, azaz a modulátorok nem látják a transport stream többi adatát. Pontosítva a megállapítást: a demodulátorok ezen felül a szinkron bájt utáni első bitet az átviteli hiba jelzésére szokták használni, de ez a vételi oldalon kikapcsolható, alkalmazása nem kötelező.
A QAM jelet digitális adatok átvitelére akkor használhatjuk, ha a vevőoldallal előre megbeszéljük, hogy az „a és ϕ” értékpárral jellemzett szimbólumok milyen információt hordoznak. 4 bit lehetséges kombinációinak száma 16, tehát a 16QAM jel szimbólumaihoz ezeket a bitkombinációkat rendelve 4 bit átvitelére van lehetőségünk. Jegyezzük meg, hogy a 64QAM jel szimbólumai 6 bit, a 256QAM szimbólumai 8 bit információt szállítanak. A 16QAM jel vevője figyeli a demodulálandó jelet és minden egyes szimbólum végén 4 bitet ad át további feldolgozásra. Ez a 4 bites jelsorozat a demodulátor kimenőjele.
3. A QAM moduláció lényege A mikrohullámú technikából tudjuk, hogy a fázis változtatásával milyen jó minőségben lehet digitális jeleket átvinni. Az eddig alkalmazott megoldások (pl. 3
A QAM-nél OFDM moduláció – párhuzamos jellegű adatátvitel
hírek
A korábbi analóg rendszer nagy hátránya volt, hogy nagy teljesítményt igényelt a vivő átvitele. Mint láttuk, sem a QAM, sem az OFDM modulációnál nem vittük át a vivőt, azaz mindkettő elnyomott vivőjű modulációs eljárás.
4. Az OFDM moduláció lényege Az OFDM modulációval való ismerkedés könynyebb, ha elsőként világosan látjuk a megvalósítást, és csak utána elemezzük, hogy miért így került kialakításra. Az OFDM moduláció lényege, hogy több ezer vivőt állítunk elő, azokat QAM-ben külön-külön moduláljuk, és az így kialakított összetett jelet hosszú ideig sugározzuk a vevő számára. Az OFDM jelet a 3. ábra úgy szemlélteti számunkra, hogy keretekbe foglalva mutatja azt az időtartományt (896 µs), amelyen belül a több ezer vivő QAM modulációja állandó. E keretek (Frame) között egy vivő nélküli üres szakasz látható, a két keretet elválasztó idő nagysága a védelmi idő.
6. A moduláló jel kialakítása A moduláció lényegét megismerve, nézzük meg a moduláló jel kialakításának lépéseit. A digitális televíziótechnika alapjele a 188 bájtos packetekből álló transport stream, mindkét modulációnál ez lesz a modulátor bemenőjele. A modulátornak a packeten belül minden bájt kombinációt át kell vinnie, azaz a transport stream esetében csak arra számíthat, hogy a packet kezdő bájtjának értéke h47. Szeretnénk elérni, hogy ● a moduláló jel értéke ne látsszon a modulált jelen, ● a spektrum kihasználtsága egyenletes legyen és ● ne legyen diszkrét spektrumvonal a kimenőjelben.
E három követelmény egyszerűen kielégíthető, ha a bemenőjelet nem közvetlenül, hanem egy álvéletlen (zaj) generátor jelével összegezve küldjük a modulátorra. Természetesen a vételi oldalon az álvéletlen jel jelét le kell vonni a demodulált jelből, ezért az adó és a vevő álvéletlen generátorát össze kell szinkronizálni. A DVB rendszerben az álvéletlen generátor nyolc TS packet hosszúságú és a szinkronizáláshoz minden nyolcadik szinkron bájt negált értékű (hB8). Az álvéletlen generátor kialakítását az 5. ábra szemlélteti.
3. ábra Az OFDM jel szemléltetése az idő függvényében
A vételi oldalon a demodulátor számára az OFDM jel rövid szakasza értelmezhetetlen, kimenőjel csak a 896 µs hosszú keret feldolgozásával állítható elő. Fontos látni, hogy az OFDM jel demodulátora hosszú időn keresztül nem ad kimenőjelet, majd a szimbólum végén egyszerre adja át a több ezer vivő által szállított bitek halmazát. Fizikailag a demodulált kimenőjelet egy memóriába írva kapjuk meg a szimbólum végén. Az OFDM jel időtartománybeli képét a sok ezer QAM vivő pillanatnyi amplitúdójának eredője adja. 4. ábra Az OFDM jel az időtartományban (az oszcilloszkóppal készített felvétel alsó részén a jel jelölt szakasza kinagyítva látható) (jelforrás: budapesti DVB-T adás)
5. ábra A DVB rendszer álvéletlen generátorának vázlata
A digitális technikában csak hibátlan adatfolyamok használhatók, ezért a nagyfrekvenciás átviteli utakon továbbított adatfolyamnál hibajavító eljárások alkalmazására van szükség. A DVB-S, -C és -T átvitel esetén a Reed-Solomon hibajavító eljárást minden esetben alkalmazzuk. Irving S. Reed és Gustave Solomon elsőként a Voyager űrszonda számára dolgozott ki hibajavító eljárásokat, hogy tiszta képeket tudjanak küldeni az űrből a Földre. Napjainkban a teljes digitális világot áthatja munkájuk. A DVB rendszerben a 188 bájtos packethez 16 hibajavító (RS) bájtot toldunk, így a packet mérete 204 bájtra nő és a packeten belül 8 bájt válik javíthatóvá.
5. A két moduláció jellegének összehasonlítása Érdemes felfigyelni arra, hogy QAM moduláció esetén a vivők által szállított biteket sorban egymás után kapjuk meg a demodulátor kimenetén, tehát soros jellegű átvitel, míg az OFDM moduláció esetén a vivők egymás mellett egyszerre szállítják az információt, tehát ez párhuzamos jellegű átvitel. 4
A QAM-nél jel hozzáadásával terítjük szét a spektrumot Álvéletlen A Reed-Solomon hibajavító eljárás vektorok és mátrixok szorzásával dolgozik, a szabványban megadott képletek segítségével bárki maga is megvalósíthatja. Aki nem boldogul vele, az kb. 1 millió Ft+ÁFA összegért hazánkban is megvásárolhatja a VHDL nyelvű kódot. A digitális műsorsugárzásban használt transport streamek adatsebessége jellemzően 40 Mbit/s nagyságú, így 8 bájt továbbítása 1,6 µs-ot vesz igénybe. A leggyakrabban előforduló zajbeütések ennél hosszabb ideig tartanak, így a packeten belül nyolcnál több egymás melletti bájtban okoznak hibát, tehát a Reed-Solomon hibajavító eljárás teljesítőképessége önmagában nem elegendő. Feltételezve, hogy a zajbeütések nagyobbak, de a packet idejénél jóval ritkábban ismétlődnek, a hibajavító képesség javítható, ha a bájtok sorrendjét megváltoztatjuk az átviteli úton. A DVB rendszerben alkalmazott Convolutional Interleaver egy-egy packet adatait 12 packetra teríti szét, így a hibajavító képességet 12 × 8 = 96 bájtra növeli meg. Természetesen a vételi oldalon a demodulátor kimeneti bájtjait az eredeti állapotnak megfelelően viszsza kell rendezni. Az adóoldali interleaver és a vevőoldali de-interleaver összeszinkronizálása a negált szinkron bájtok felhasználásával történik. A DVB-C rendszerben a QAM jel továbbítása védett körülmények között kábelen vagy üvegszálon történik, így a bemutatott három eljárás elegendő a bevezetőben felállított követelmények biztosításához. A műholdas és a földi sugárzásnál a zavarok sokkal nagyobbak, ezért egy további hibajavító eljárás beiktatására van szükség. A szabvány szerinti Viterbi hibajavító eljárás az egymáshoz közeli bájtok értékéből állítja elő a hibajavító kódot. Jellemzője, hogy nagy mennyiségű hibajavító kód átvitelét igényli, sok-sok hiba kijavítására képes, de nem garantálható, hogy a kimeneti adatfolyam hibátlan lesz. A DVB-S és a DVB-T rendszerben a FEC=1/2 vagy 3/4 stb. paraméter beállításakor a Viterbi hibajavító eljárás üzemmódját állítjuk be. A FEC=3/4-es érték azt jelenti, hogy a nagyfrekvenciásan továbbított teljes adatmennyiségből 1/4 rész a hibajavító kód és 3/4 rész a hasznos adatok mennyisége. A Viterbi hibajavító eljárás adó- és vevőoldali áramköreinek megvalósítása egyszerű, mindössze néhány shift-regiszter és néhány visszacsatoló kapu szükséges hozzá. A kapcsolási rajz az interneten megtalálható. Az egyszerű felépítés előnye a gyors működés. A két hibajavító eljárást összehasonlítva vegyük észre, hogy a Viterbi hibajavító eljárás végzi a „nagyolást”, a Reed-Solomon hibajavító eljárás pedig az aprólékos, precíz munkát. Ez utóbbi biztosítja, hogy adatfolyamunk a vevőoldali kimeneten egyetlen hibát se tartalmazzon.
hírek
7. A QAM és az OFDM modulátor blokkvázlata Az elmondottak összefoglalásaként a 6. ábra szemlélteti a QAM modulátor blokkvázlatát, azzal a megjegyzéssel, hogy a megértést zavaró részleteket elhagytuk.
6. ábra A QAM modulátor egyszerűsített blokkvázlata
Az OFDM modulátor blokkvázlata mindössze anynyiban különbözik, hogy a modulátor előtt egy Viterbi hibajavító is van. Természetesen a modulátor az egyik esetben QAM, a másik esetben OFDM jelet állít elő. 8. Az OFDM modulációról részletesebben Következő lépésként ismerkedjünk meg az OFDM moduláció néhány részletével is. Talán már az eddigiekből is sejthető, hogy a QAM és az OFDM jelek előállításához és demodulálásához az analóg technika módszerei nem használhatóak. A későbbiekben látni fogjuk, hogy új eszközként a Fourier transzformációt, pontosabban a Fast Fourier transzformációt (FFT) és ennek inverzét kell bevetni. A digitális rendszerek modulációs eljárásainak valamennyi jellemzője úgy került kialakításra, hogy az FFT és inverze minél egyszerűbben megvalósítható legyen a kettes számrendszerben. Az OFDM modulációt (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) két változatban dolgozták ki. A 2k néven ismert mód 2048 vivővel, a 8k néven ismert 8192 elméleti vivővel dolgozik. Ezek a vivők nagyon közel vannak egymáshoz és zavarnák egymást, ha nem lennének orthogonálisak. Az orthogonális tulajdonság matematikai feltétel, amelynek eredményeként a vivő spektrumának minimuma éppen a mellette levő vivő frekvenciájára esik. A megvalósításnál ezt a feltételt a vivők frekvenciatávolsága és a szimbólumidő összekapcsolásával (∆T=1/∆f) érjük el. A 2k rendszerben a vivők távolsága 4,464 kHz, a szimbólumidő 224 µs, a 8k rendszerben a vivők 1,116 kHz-re vannak egymástól, a szimbólumidő 896 µs. A tisztán digitális megoldásra való törekvés eredményeként a 2k rendszerben a 2048 vivőből csak 1705-öt, a 8k rendszerben pedig 6817-et használunk adatátvitelre, a többi vivő szintje nulla értékű, az oldalsáv karakterisztika kialakításában és a szomszéd csatorna zavarásának elnyomásában van szerepe. A fenti adatokból a 8MHz-es csatornában a 6817 vivő 6817 × 1116 = 7,61 MHz széles frekvenciasávot foglal el. A 6 és 7 MHz-es rendszerekben a vivők távolsága kisebb, így csak 5,71 illetve 6,66 MHz-es sávot foglalnak el. 5
A QAM-nél A Reed-Solomon hibajavító eljárás aprólékos munkát végez Az OFDM moduláció esetében az 1705 vagy 6817 hasznos vivőből csak 1512, illetve 6048 vivő továbbítja a transport streamet, a többi a nagyfrekvenciás átvitelhez nyújt segítséget. Egyik részük folyamatos, másik részük szórt pilotjelként kerül felhasználásra, míg néhány az adásra jellemző paramétereket továbbítja.
hírek
10.A reflexió hatása QAM jelek vételére A fény és a rádióhullámok terjedési sebessége 300.000 km/s, vagy másként kifejezve 300 m/µs. A példánk szerinti 150 ns nagyságú szimbólumidő alatt a rádióhullám 45 m-t tesz meg. Tételezzük fel, hogy a QAM jelet földi sugárzással történő átvitelre használjuk, ahol reflexió is van. Amikor a reflektált hullám 45 méterrel hosszabb utat tesz meg, mint az alap hullám, a reflektált szimbólum éppen a következő szimbólumhoz adódik, azaz jelentősen megváltoztatja annak „a” és „ϕ” értékét. Erre a jelenségre mondjuk azt, hogy a QAM jelnél a reflexió jelentős mértékű szimbólum áthallást okoz, azaz a QAM átvitel nem használható akkor, ha jelentős mértékű reflexió van jelen az átvitelben. A földi műsorszórásban a reflektált hullám akár kilométerekkel hosszabb utat tesz meg, így a vevőantennához érve sok-sok szimbólummal később érkező szimbólumokat zavar. A budapesti Antenna Digital esetében a mikrohullámú átvitel és a parabola antenna irányítottsága teszi lehetővé, hogy mégis QAM átvitelt használjanak.
9. A QAM jelek vételének technikája Képzeljük magunk elé a 2. ábrán is látható 16QAM jelet a 36 MHz-es középfrekvencián. A középfrekvenciás jel periódusideje 1000/36 = kb. 30 ns. A szokásos szimbólumsebesség 6,875 vagy 6,9 MS/s, amiből a szimbólumidő 1000/6,875 = kb. 150 ns. E két adatból az következik, hogy egy-egy szimbólumon belül kb. 5 periódus és mindössze 150 ns áll rendelkezésünkre a jel amplitúdójának és fázisának megállapítására, az „a” és „ϕ” érték meghatározására. Mint említettük, analóg módszereink alkalmazása a feladat elvégzéséhez szóba sem jöhet. Új eljárásként 10 bites A/D-vel mintavételezzük a jelet és a mintákból FFT segítségével határozzuk meg „a” és „ϕ” értéket. A demodulálás folyamatát a 7. ábra szemlélteti.
11. A reflexió hatása az OFDM jelek vételére Az OFDM átvitel megvalósítása sokkal nehezebb és költségesebb, mint a QAM átvitelé, ezért gyakran felvetődik a kérdés: Miért érdemes ennyit bajlódni az OFDM átvitellel? A kérdésre határozott választ lehet adni: Az OFDM azért éppen így került kialakításra, és azért ilyen bonyolult, hogy a reflexiókat el tudja viselni. A QAM jelnél láttuk, hogy a 150 ns-os szimbólumidő miatt a néhány méterrel hosszabb úton terjedő rádióhullám már komoly zavart okoz, ezért a reflexiók elviseléséhez olyan eljárást kellett kidolgozni, ahol a szimbólumidő ennél sokkal nagyobb. A 3. ábrán már láttuk, hogy az OFDM szimbólumok (896 µs) között védelmi időnek nevezett üres tartományok vannak, de szerepükről eddig nem beszéltünk. A 8. ábra segítségével gondoljuk végig a reflexió hatását OFDM moduláció esetén.
7. ábra Az „a” és „ϕ” érték meghatározása a QAM szimbólumban
Néhány évtizeddel ezelőtt a Fourier transzformáció a tananyag utolsó fejezete volt, a dolgozatban órákon keresztül izzadtunk néhány egyszerű lépés leírásán. Napjainkban ugyanezt a demodulátor processzora néhány ns alatt végrehajtja, majd eldönti, hogy a vektor végpontja a konstellációs diagram melyik négyzetébe mutat, és kiadja a megegyezés szerinti bitkombinációt. A kimeneti adatsorozat elkészülte után a bájtok visszarendezése, a hibák kijavítása és az álvéletlen jel eltüntetése már könnyen elképzelhető megoldású. Jellemző, hogy napjainkban a demodulátor IC-k hőmérséklete igen magas. Amikor a hőmérsékletet ellenőrizve megégeti ujjunk hegyét, mindig jusson eszünkbe, hogy a magas hőmérsékletet az elvégzendő matematikai műveletek igen magas száma idézi elő. Kisebb adatsebességre váltva az IC-k hőmérséklete jellemzően csökken. A sikeres FFT feltétele, hogy a QAM demodulátor a bemenőjel frekvenciájára és a szimbólumsebességre rá tudjon szinkronizálódni. A mai demodulátorok a szimbólumsebességhez csak igen szűk tartományon belül képesek szinkronizálódni.
8. ábra A reflektált jel helyzete OFDM moduláció esetén
8k esetén egy-egy szimbólum átvitele 896 µs-ig tart, majd következik a védelmi idő. 6
A QAM-nél Az OFDM moduláció kevésbé érzékeny a szimbólum áthallásra A reflektált hullám néhány kilométerrel hosszabb utat megtéve µs nagyságrendű késéssel érkezik a vevőoldalra. A szimbólum áthallás elkerülése érdekében a védelmi időt úgy kell megválasztani, hogy a késve érkező szimbólumnak vége legyen a következő szimbólum kezdete előtt. Az OFDM moduláció lehetővé teszi, hogy egy-egy területen - például Budapesten - több adót működtessünk ugyanazon a frekvencián, azaz Single Frequency Network (SFN) hálózatot alakítsunk ki. A kialakítás egyik feltétele, hogy mindegyik adónak pontosan ugyanazt a jelet kell kisugároznia, a másik feltétel az adók elhelyezésére és a védelmi idő megválasztására vonatkozik. Az SFN hálózatban a vevő a második vagy harmadik adó jelét úgy érzékeli, mintha reflektált hullám lenne, ezért az adókat úgy kell elhelyezni, és a védelmi idő nagyságát úgy kell meghatározni, hogy szimbólumközi áthallás ne jöjjön létre, azaz a távolabbi adók jele vagy erősen csillapodjon, vagy a késleltetési idő kisebb legyen a védelmi időnél. A védelmi időt a szimbólumidő 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 részére lehet megválasztani. A védelmi idő növelésével egyre nagyobb kiterjedésű hálózatok építhetők, de csökken a hasznos adatsebesség.
hírek
látor a mód és a védelmi idő megadása után ezek segítségével tud rászinkronizálódni a frekvenciára. Szinkron nélkül a sok-sok vivő fázisa forogni kezd és a rájuk ültetett QPSK, 16QAM vagy 64 QAM moduláció információja kiolvashatatlanná válik. A szinkron hiányát a forgó konstellációs diagram jelzi. Bizonyára az olvasó is tapasztalta már, hogy az autóban ülve a piros lámpához érve FM rádiója elhallgat vagy elkezd torzítani. Ilyenkor néhány cm-t előre gurulva a vétel megjavul. A jelenség oka az, hogy a kritikus helyen az alap- és reflektált rádióhullám éppen kioltja egymást. Ugyanez a jelenség az OFDM átvitel sok ezer vivőjének egyikénél vagy másikánál is előfordulhat. Az OFDM technikában azért alkalmazunk több ezer vivőt, hogy a reflektált hullámok által kioltott néhány vivő mellett mindig maradjon sok-sok vivő, amely képes az adatok továbbítására. A kieső vivők adatát a hibajavító kódok fogják pótolni. Gyakorlatszerzés céljából egy antennát a spektrum analizátor bemenetére kötve, majd az antennát az ablakban forgatva vizsgáljuk meg a spektrum alakulását a DVB-T adás vétele közben. A telephelyünkön végzett mérést szemlélteti a 9. ábra.
12. A 2k vagy a 8k mód választása célszerűbb ? Érdekes, hogy a 2k és a 8k mód hasznos adatsebessége pontosan megegyezik, így ez alapján dönteni nem lehet. A 2k mód robusztusabb, megvalósítása egyszerűbb, de csak kisebb kiterjedésű SFN hálózat megvalósítására alkalmas, mert a védelmi idők abszolút értéke kicsi. A 8k mód megvalósítása nehezebb és költségesebb, de a négyszer nagyobb védelmi idők sokkal nagyobb terület lefedését teszik lehetővé SFN rendszerben. Mozgó vétel céljára viszont a 2k mód sokkal előnyösebb, így igazán jó döntést hozni nem lehet.
9. ábra Az OFDM jel spektruma a vevő antennáján reflexió nélkül és kisebb reflektált hullám esetén
Reflexiómentes vétel esetén a frekvenciamenet egyenes (bal oldali felvétel), reflexióval kombinált vétel esetén kisebb-nagyobb, sűrűbb-ritkább „leszívások” jelennek meg az átvitelben. Készüljünk fel, hogy a jobb oldali felvételnél csúnyább görbéket fogunk kapni. A QAM moduláció csak akkor olvasható le a vivőkről, ha a vivők névleges amplitúdója egyforma, ezért az OFDM demodulátor egyik igen fontos feladata a frekvenciakarakterisztika kiegyenesítése, a vivők azonos szintre hozása. Az OFDM átvitel minden 12. vivője pilotjelként működik, többségük állandóan változtatja helyét (scattered pilot), és így ad információt a demodulátornak az átvitel egyenetlenségeinek korrigálásához. A frekvencia szinkronizációja és a frekvenciamenet korrigálása után kezdődhet a sok ezer vivő QAM átvitellel továbbított információjának kinyerése, de honnan tudja a demodulátor, hogy milyen a modulációs mód?
13. Az OFDM jel vétele Várható, hogy e ponthoz érve a kedves olvasó magától vágja rá: mintavételezés és FFT. A válasz majdnem jó, de melyik FFT? A 2048 pontos, vagy a 8192 pontos? Célszerű megjegyezni, hogy az OFDM vevő nagyon-nagyon bonyolult, igen gondos beállításokat igényel még akkor is, ha a DVB-T vevőt a laikus előfizetőnek árulják. Az OFDM demodulátor a csatornafrekvencia megadása mellett a 2k/8k mód és a védelmi idő megadását iényli (a 6, 7 vagy 8 MHz sávszélességgel most nem bonyolítjuk az ügyet). Kizárólag ezek ismeretében lehet a bemenőjelből bármilyen további információt kinyerni. Említettük, hogy a sok ezer vivőből néhány modulálatlan pilotjelként van alkalmazva. A demodu7
A QAM-nél Az OFDM jel demodulálása precíz beállításokat igényel! A sok ezer vivőből ismét elveszünk néhányat és igen egyszerű modulációval átvisszük rajta a demoduláláshoz szükséges további adatokat. Ezeket a vivőket nevezzük TPS vivőknek, és nincs szükség a további paraméterek megadására, ha az adóban a TPS vivőket helyesen modulálták és a vevő is képes a TPS információ kinyerésére. A TPS adatok hiányában manuálisan kell megadni a demodulátor számára a QAM mód, FEC, hierarchia stb. adatokat. A pilot és TPS vivők a konstellációs diagramon is megjelennek. A pilot jelek szintje nagyobb, fázisuk 0o vagy 180o, így a konstellációs diagramon kívül láthatók, a TPS jelek szintje kisebb, és csak fázisuk modulált, amplitúdójuk nem, így a konstellációs diagramon belüli pontként láthatók.
hírek
14. A QAM és az OFDM modulátor meghajtása A legfontosabb ismeretek megszerzése után nézzük meg, hogy a két modulátor típus bemenőjelének előállításánál mire kell ügyelni. Általánosan igaz, hogy a digitális rendszerekben egyetlen bit sem veszhet el, tehát a bemeneti és a kimeneti adatsebességnek a rendszer bármely pontján pontosan meg kell egyeznie! A QAM modulátor esetében a kimeneti adatsebesség, és ezzel arányosan a kimenőjel sávszélessége a szimbólumsebességtől függ. A sávszélesség a következő képlettel számítható: B=S×(1+r) ahol: B: a sávszélesség MHz-ben S: szimbólum sebesség MS/s-ban r: lekerekítési tényező (DVB-rendszerben r = 0,15)
A leggyakrabban használt értékek: B = 6,875 ×1,15 = 7,906 MHz és B = 6,900 ×1,15 = 7,935 MHz
Az OFDM modulátor vivői és szimbólumai igen kötöttek és a bemeneti transport streamet is ezekhez igazítva kell előállítani. Az egyik lehetséges megoldás szerint igen pontos órajelű transport streamet állítunk elő, majd az OFDM modulátor kristály referenciáját ehhez húzatjuk hozzá. A másik lehetséges megoldás, hogy a transport stream sebességét kisebbre állítjuk az elméleti értéknél és a modulátor időnként null packet hozzáadásával éri el a saját referenciája szerint igényelt adatsebességet. Hierarchikus modulációnál mindkét bemenet transport streamére egyszerre érvényesek e szigorú megkötések. OFDM modulációnál a hasznos adatsebesség az adás jellemzőből számítható, de egyszerűbb, ha táblázatból dolgozunk. A CableWorld SW-4952 szoftverének adatsebesség lapján található olyan kalkulátor, amely képletekkel számol és nem táblázatból dolgozik.
10. ábra Az OFDM jel konstellációs diagramja a vivők QPSK, 16QAM és 64QAM modulációja esetén
Az OFDM modulációról alkotott kép akkor lesz teljes, ha a hierarchikus moduláció alapjaival is megismerkedünk. A 10. ábrán bemutatott konstellációs diagramok egyenletesen osztják szét a konstellációs pontokat, de ettől el lehet térni. A 11. ábrán széthúztuk a 16QAM konstellációs diagram pontjait és mint a jobb oldali kép mutatja két QPSK rendszert kaptunk: a nagy körökkel bezárt négy-négy darab pontot egynek véve egy robusztus QPSK átvitelt kapunk, a körön belüli négy pontot szétválasztva pedig egy gyengébb átvitelt biztosító QPSK modulációt. Az így kialakított modulációt nevezzük hierarchikus modulációnak.
15. Az új modulációkhoz új szemlélet szükséges Az analóg technikában megszoktuk, hogy a demodulátorok kimenőjele közvetlen összefüggésben van a bemenőjellel, a bemenőjel megjelenése, növekedése stb. hatással van a kimenőjelre. A digitális jelek átvitelénél hozzá kell szokni ahhoz, hogy ilyen kapcsolat nincs, a kimenőjel nem arányos a bemenőjellel. Teljesen normális jelenség, ha a bemenőjel megszűnését követően még több ms-on keresztül van kimenőjel. Az OFDM moduláció jellegzetessége, hogy a teljes demodulációs folyamat felállítása, az elfogadható kimeneti adatfolyam előállítása igen hosszú időt, akár többször 100 ms-ot vesz igénybe.
11. ábra A hierarchikus moduláció konstellációs diagramja
Hierarchikus üzemmódban a modulátornak két TS bemenete, a demodulátornak két TS kimenete van. A robusztus QPSK átvitel nagyobb területet fed le, itt sugározzuk a fontos műsorokat, a gyengébb QPSK átvitelnél hamarabb elromlik a vétel. A hierarchikus moduláció 11. ábra szerinti kialakítása nagyobb adó teljesítményt igényel, de kialakítható hierarchikus moduláció a teljesítmény megnövelése nélkül is.
Zigó József 8
A QAM-nél A QAM jelek szintjénél zaj teljesítményt kell mérni!
hírek
A QAM jelek szintjének mérése A kábeltelevízió hálózatok jeleinek szintezése Az új modulációs eljárások a szemléletváltás mellett új mérőműszereket és új mérési módszereket is igényelnek. Általában igaz, hogy a digitális televíziótechnika sokkal kevesebb mérőműszert és mérési eljárást igényel, mint analóg elődje. Cikkünk témája a jelek szintjének mérése, amelynek keretében azt is megnézzük, hogy mire kell ügyelni a kábeltelevízió szolgáltatóknak a digitális csatornák beillesztésénél, a szintek beállításánál.
2. A QAM jel beültetése az analóg jelek közé Az analóg jeleknél a vétel határán a jó minőségű kép eléréséhez 40 ... 44 dB körüli C/N -t kell biztosítani. A 2. ábra szerint 64QAM esetén a jó vételhez (BER = 10-6... 10-11) 26 ... 30 dB S/N-re van szükség.
1. A QAM jel szintjének mérése
2. ábra A BER alakulása az S/N függvényében QAM moduláció esetén
A QAM jel zajszerű spektrumát és időbeli lefolyását az 1. ábra szemlélteti. A jel szintjén annak a szinuszos vivőnek az effektív értékét értjük, amelynek teljesítménye azonos a QAM jel teljesítményével.
Az analóg és digitális jeleket egyaránt tartalmazó rendszerek szintezésénél azt mondjuk; legyen a két jel vételének határa azonos, majd meghatározzuk a két határértéket. Példánkban legyen az analóg jelek C/N értéke 42 dB, a digitális jelek S/N értéke 28 dB a vétel határán. E két értékből az következik, hogy a fejállomáson a digitális jelek szintjét 42-28=14 dB-lel kisebbre kell állítani, mint az analóg jelek szintjét.
1. ábra A QAM jel spektruma, időfüggvénye és szintje
A QAM jel szintje legpontosabban teljesítménymérővel mérhető. Sokcsatornás rendszerekben, ahol teljesítménymérő nem használható, spektrum analizátorral kell meghatározni a jel teljesítményét. A mérés módszere azonos a zaj szintjének mérésével, azonban bonyolultsága miatt csak ritkán használjuk. 8 MHz-es QAM jel esetén jelentősen leegyszerűsíthető a mérés folyamata, ha közelítésként a Resolution Bandwith (RB) függvényében a leolvasott szintet a következő tényezők hozzáadásával korrigáljuk: RB=30 kHz esetén RB=100 kHz esetén RB=300 kHz esetén
k= +26 dB k= +21 dB k= +16 dB
3. ábra A vegyes rendszerek szintezése
Például, az 1. ábrán 64 dBµV-os szintnek látszó QAM jel tényleges szintje 64+21=85 dBµV, mivel a felvétel RB=100 kHz-es szűrővel készült. Jellemző, hogy a QAM jelek az analóg világban megszokott görbékhez képest a spektrum analizátoron viszonylag kicsinek látszanak, ezért a kezdő felhasználók jellemzően túlvezérlik rendszereiket. Az erősítők kivezérelhetősége szempontjából mindezek mellett azt is észre kell venni, hogy a QAM jel pillanatnyi értékei jóval nagyobbak lehetnek az effektív értéknél. Az OFDM jel esetében ez az arány sokkal nagyobb!
A 3. ábra a tervezési szempontok mellett a spektrum analizátoron megjelenő képet is szemlélteti. Ne feledjük, hogy fenti 14 dB-es csökkentés és a 21 dB-es korrekciós tényezőt összegezve a digitális jel szintjét 35 dB-lel kisebbre kell állítanunk! Végezetül csak jelezzük, hogy a digitális set-top boxok nem szeretik az analóg jeleket, amelyek különösen a szomszédos csatornában jelentősen zavarják működésüket. Az analóg és digitális csatornákat szeparált csoportokban, köztes szünettel ajánlott elhelyezni. Zigó József 9
A QAM-nél A DDS alkalmazása újabb nagy lépés a digitális technikában
hírek
A QAM jelek előállításának legújabb technikája a direct QAM eljárással működő CW-4268 QAM Modulator-8 bemutatása Az elmúlt évtizedekben a nagyfrekvenciás modulált jel előállítása úgy történt, hogy először középfrekvencián állítottuk elő a modulált vivőt, majd ezt kevertük fel a nagyfrekvenciás csatornába. Mától ezt is el kell felejteni! Egy éve olyan gyors digitál-analóg konverterek (DAC) jelentek meg, amelyek közvetlenül a nagyfrekvenciás csatornában történő modulált jel előállítást is lehetővé teszik. Az új eszközök esetén alkalmazandó eljárás neve: DDS – Direct Digital Synthesis
Annak ellenére, hogy a fejlesztési költségek magasak és az új szuper eszközök drágák, a közvetlen RF jel előállítással működő QAM modulátorok már most sokkal olcsóbbak, mint elődeik. A CW-4268 típus a 8 QAM csatorna előállításához a teljesítmény erősítővel együtt mindössze 15 W energiát igényel, s az új nyolcas QAM modulátor mérete oly kicsi, hogy az 1 modulos vázba akár két nyolcas modul is beépíthető. A nyolc QAM modulátor meghajtásához szükséges 8 × 40...50 = 320...400 Mbit/s mennyiségű transport stream adatot a készülék gigabites IP hálózaton keresztül fogadja. Az UDP csomagokba ültetett bemeneti transport stream tetszés szerint unicast és multicast adatfolyam is lehet. A moduláló transport streamek előállításához a CW-4951 IP Remultiplexer & Streamert ajánljuk. A részletes adatlap a www.cableworld.eu honlapról tölthető le, és ugyanitt található a készülék üzembehelyezéséhez szükséges SW-4268 QAM Modulator-8 Controller szoftver is, amely az 1. ábra szerinti grafikus spektrum analizátorral segíti a nyolc csatorna helyes összeillesztését.
1. A közvetlen digitális jel előállításról röviden A Shannon-féle mintavételi tételből tudjuk, hogy bármely nagyfrekvenciás jel egyértelműen leírható a határfrekvenciájánál kétszer sűrűbb minták sorozatával. Például az 1 GHz-ig terjedő sávban a QAM jel is előállítható egy 2 GHz-es vagy annál sűrűbb mintasorozat eredményeként. Az elmúlt évben jelentek meg olyan digitál-analóg átalakítók, amelyek 2 GS/s (GigaSample/sec) értéknél nagyobb, (egyelőre max. 4,3 GS/s) sűrűségű mintasorozatok előállítására is alkalmasak, például 12 bites felbontás mellett. A 2 GS/s sebességnél maradva, ez azt jelenti, hogy ezek a D/A-k akár UHF sávú QAM jelek előállítására is képesek, ha 0,5 ns gyakorisággal tudjuk küldeni számukra az adatokat. A feladat nehézsége abban van, hogy mindössze 0,5 ns (!) áll rendelkezésre a vivő pillanatnyi fázisához tartozó sin(ϕ)×Umod érték pontos kiszámítására és D/A-ra küldésére. Mivel ilyen gyors áramkörök ma még nem léteznek, a számítások párhuzamosításával lehet a 230...500 ps körüli mintasebességet elérni. Az már csak hab a tortán, hogy a D/A felbontásának növelésével egyre több QAM csatorna jele állítható elő, vagyis az említett 12 bites D/A egyszerre akár 4 QAM csatorna jelének előállítására is alkalmas. 2. Itt a QAM modulátorok legújabb generációja!
1. ábra A QAM Modulátor-8 vezérlő szoftver kezelőfelülete
E hihetetlennek tűnő technikai megoldások nem a képzelet szülöttei, hanem megvásárolható termékek. A CableWorld Kft. szeptemberben kezdte értékesíteni CW-4268 típusú QAM Modulator-8 készülékét, amelyben két darab 12 bites D/A egyszerre 4 + 4 = 8 QAM csatornát állít elő. Az új modulátor a teljes VHF és UHF sávot átfogja, frekvenciarasztere 12,5 kHz. A DDS technikából adódó megkötés, hogy a kimenőjelben 4 - 4 csatornának szomszédosnak kell lennie, azonos QAM mód és RF szint mellett. Az új eljárás előnye, hogy a készülékben nincsenek többé szűrők, keverők, hangoló elemek, PLL áramkörök stb., így a készülék megbízhatósága jelentősen nő.
A készülék vezérlésének újdonsága, hogy a hagyományos CableWorld stílusú kezelő szoftver (SW-4268) mellett webes felületről, és SNMP rendszerből is programozható, azaz felhasználóink szabadon választhatnak e három lehetőség közül. A készülék különleges szolgáltatása a NIT Inserter, amely lehetővé teszi, hogy egyszerű transzmodulációs feladatoknál a régi NIT táblát lecseréljük. Az új NIT tábla számítógéppel vagy CW-4881 TS Generatorral előállítva ugyanolyan adatfolyamként táplálható a készülékbe, mint a bemeneti transport streamek. dr. Zigó Tamás 10
A QAM-nél A hibajavítás lehetséges megoldásai IP átvitel esetén
hírek
IP átvitel - csomagvesztés – FEC kell, vagy mégsem? Beszéljünk világosan a problémákról, mielőbb szabaduljunk meg a tévhitektől! A transport stream átvitele IP hálózaton sokkal nagyobb feladat, mint egy e-mail elküldése vagy egy honlap lekérése. Mivel a szakirodalomból csak az utóbbi témákról lehet ismereteket kinyerni, egyre több félreértéssel és tévhittel lehet találkozni, ha a TS átvitele kerül előtérbe. Öntsünk tiszta vizet a pohárba és tegyük helyükre a dolgokat!
Ugyanígy, ha bithiba esetén a CRC figyelő eldobja az Ethernet csomagot, a csomag hibajavítóval bővítve is eldobásra kerül. Igazi megoldás nincs. A TS átvitelénél elsőként arra kell ügyelni, hogy a szükséges kapacitás az átviteli út minden egyes szakaszán folyamatosan, a legkisebb megszakítás nélkül rendelkezésünkre álljon. Ezt az igényt a távközlési hálózatok ADSL vonalai ma nem tudják teljesíteni, tehát nem használhatók. E feltétel teljesítése érdekében a TS átvitelére dedikált (elkülönített, elhatárolt) IP vonalat kell kialakítani. Igaz, hogy ennek költsége magas, de FEC-cel nem váltható ki! A transport stream átvitelénél egy-egy bit hibája gyakorlatilag nem zavarja az átvitelt, azonban az Ethernet csomagban lévő 10,5 kbit mennyiségű adat eldobása igen jelentős zavarokat okoz. E zavarok elkerülése érdekében a TS adatcsomagjainál a CRC ellenőrzést ki kell kapcsolni! A CableWorld gigabites rendszere is ezzel a megoldással dolgozik, és a rendszermérések igazolják az elképzeléseket. Ügyelni kell arra is, hogy a CRC ellenőrzés az átviteli út egyetlen eleménél se legyen bekapcsolva. E feltétel saját hálózatnál könnyen teljesíthető, de a távközlési hálózatok igénybevételénél nem a mi kezünkben van a kulcs!
Amikor az internetet használjuk, egy-egy honlap lekérésekor 100 kbájt nagyságrendű adathalmazok érkeznek számítógépünkbe néhány másodperc alatt. Távoli helyről történő letöltésnél boldogan várunk akár több másodpercig is. Az Internet Protocolon (IP) belül ehhez a feladathoz fejlesztették ki a TCP/IP átvitelt, amely képes arra, hogy hibás átvitel esetén javítást kérjen a kiszolgálótól. Ez a képesség annyira elbűvöli az emberek többségét, hogy elfelejtenek józanul gondolkodni. Egy televízióműsor adatainak továbbításánál 2...4 Mbit (0,25...0,5 Mbájt/s) adatmennyiséget kell másodpercenként átvinni, miközben megállásra, szünetre nincs lehetőség. Az Ethernet hálózaton ez a feladat 200...400 adatcsomag átvitelét igényli másodpercenként, mivel max. 10,5 kbit adat építhető be egy-egy Ethernet csomagba. Igaz, hogy hiba esetén a TCP/IP átvitel képes javítást kérni, de ilyen adatmennyiség esetén nincs az a processzor és kiszolgáló, amely egyegy ritkán előforduló hibánál többel meg tudna birkózni. Ebből következik, hogy a TS átvitelénél a hagyományos TCP/IP átvitelt el kell felejteni!
Világszerte számos egyetem és kutatóintézet foglalkozik azzal, hogy hibajavító eljárást dolgozzon ki a transport stream IP hálózaton történő átviteléhez. E kutatások eredményeként került kidolgozásra a Pro-MEG FEC nevű eljárás, amelynek lényege: a transport stream packetjeit mátrixba írjuk, majd a mátrixból képzett hibajavító sor- és oszlop vektorokat a jelenlegi transport stream mellett kiegészítő adatfolyamként továbbítjuk. Ethernet analizátorral vizsgálva az ilyen adatfolyamot a két kiegészítő adatfolyam a TS portja felett kettővel (P+2) és néggyel (P+4) látható. A Pro-MPEG FEC eljárás előnye, hogy a vételi oldalon az eddigi – hibajavításra nem képes – vevőkkel is vehető az adatfolyam. Hátránya, hogy jelentős mértékű adatsebesség növekedés mellett is csak kicsi a hibajavító képessége. Kifejezetten nem használható akkor, amikor a csomagvesztést a szűk átviteli kapacitás okozza, és így a hibajavító adatfolyamok is sérülnek. A Pro-MPEG FEC eljárást alkalmazzák televízió műsorok nemzetközi közvetítő láncaiban és hasonló professzionális rendszerekben, ahol a járulékos költségeket meg tudják fizetni. Tanulság: az IP hálózaton a jó minőségű elemek, a gondos kivitelezés és konfigurálás nem pótolható hibajavító eljárással.
A vasaló zsinórját bedugva a konnektorba senkinek sem jut eszébe, hogy az áram egy része elvész az átvitel során. Az IP hálózathoz csatlakozva mindenki természetesnek veszi, hogy csomagvesztés van. Miért? Az IP hálózaton csomagvesztés a következő két esetben fordul elő: ● Kicsi a hálózat egyik elemének kapacitása, így képtelen minden adatot (csomagot) továbbítani. ● A CRC jelzése szerint a csomagban egy vagy több bit meghibásodott, így a szabvány szerint eldobandó. Napjaink jelensége, hogy a csomagvesztésről hallva a felhasználó azonnal FEC-ért (hibajavító megoldásért) kiált. A FEC alkalmazása a megoldás? Vegyük tudomásul, hogy az Ethernet szabvány kidolgozásánál a FEC-re nem gondoltak, így ma csak „fusizni” lehet a rendszert. Az Ethernet csomagon belüli FEC alkalmazása nem jelent megoldást, mert csomagvesztésnél a hibajavító kód is elvész.
Uhrin Csaba 11
A QAM-nél Az IP adatfolyamok konvertálása QAM jellé
hírek
IP hálózaton továbbított transport stream átalakítása QAM jellé A transport stream feldolgozása több száz kilométeres út megtétele után Örömmel üdvözölhető kezdeményezés, hogy hazánkban is elindult a televízió műsorok internet hálózaton keresztül történű szétosztása. Mint ismeretes, az MKSZ támogatásával létrejött DigiHead Kft. a BIX-en (Budapest Internet Exchange, www.bix.hu) keresztül teszi elérhetővé a különböző műsorokat. Cikkünkben azt vizsgáljuk meg, hogyan lehet az IP hálózaton keresztül továbbított televízió és rádió műsorokat DVB-C (koax kábel – QAM) szolgáltatássá alakítani. Az IP hálózaton keresztül továbbított műsorok elérésének legkényesebb része az az IP vonal, amellyel a szétosztó hálózathoz (pl. BIX) tudunk csatlakozni. Ennek az IP vonalnak folyamatosan és stabilan kell biztosítania az általunk igényelt műsor vagy műsorok átviteléhez szükséges adatsebességet. Az IP vonal kiépítésének és üzemeltetésének költségeiről nem szabad megfeledkezni! Amikor az IP vonal vége már a fejállomáson van, kössünk egy switchet a vonal végére, hogy kedvünk szerint játszadozhassunk az érkező tartalommal. A legegyszerűbb esetben egy komplett 8 MHz-es QAM csatorna adatfolyama (MPTS – több műsor egy TS-ben) jön az IP-n és nincs más teendőnk, mint azt QAM jellé alakítani. Fontos látni, hogy a QAM modulátor ns-ra pontos időzítéssel kéri az adatokat, de ezt az IP hálózat megközelítően sem tudja biztosítani, ezért csak olyan QAM modulátor használható, amelynek bemenetén átmeneti tároló van. A szükséges tároló méret az IP ingadozásának függvénye. Az IP hálózat adatsebessége és a QAM modulátor kimeneti adatsebessége közötti pici különbségeket a QAM modulátornak egy-egy null packet beiktatásával kell kiegyenlítenie, azaz feltétlenül szükséges, hogy legyen „stuffing” (null packet beillesztő) egysége. Mivel egy-egy null packet beillesztése átlagosan 40 000 ns PCR hibát okoz, előnyös, ha a QAM modulátor PCR korrektorral is rendelkezik. Kifejezetten az ilyen jellegű átvitelhez került kifejlesztésre a CW-4268 típusú QAM Modulator-8, amely direkt szintézissel egyszerre 8 QAM csatornát állít elő és a fenti képességek mindegyikével rendelkezik.
H - 1116 Budapest Kondorfa utca 6/B Hungary
Abban az esetben, ha alakítani szeretnénk az adatfolyamokon – vagy nem megfelelő QAM modulátorunk van – IP bemenetű remultiplexert kell alkalmazni. Várható, hogy a kezdeti próbálkozásokon túljutva a kisebb szolgáltatók is ezt a megoldást fogják alkalmazni, mivel szeretnék az SDT táblában saját nevüket látni, szeretnének helyi műsort vagy reklámot bekeverni, szeretnének szolgáltatásukba egyéni színt vinni. Igaz, hogy az IP remultiplexer néhány 100 000 forinttal növeli a csatornánkénti árat, azonban ezt már az üzemeltetők többsége megengedheti magának. IP Remultiplexer alkalmazása esetén az IP hálózaton jöhet SPTS és MPTS stream is, és nem számít a továbbított táblák kialakítása sem, mivel új transport streamet állítunk össze, amelyben a tartalom mellett a neveket és táblákat is mi határozzuk meg. Ebben a változatban az IP remultiplexernek kell rendelkeznie átmeneti tárolóval és PCR korrektorral, a modulátor feladata mindössze a QAM moduláció elvégzése. A CableWorld kínálatában a CW-4951 és CW-4952 IP Remultiplexer & Streamer Quad képes e feladatok ellátására. A másfél milliós ár négy egymástól független remultiplexert tartalmaz, azaz egyszerre négy QAM modulátor bemenőjelének előállítására képes. A CW-4951 típus gigabites IP kimenetéről, vagy a CW4952 típus négy ASI kimenetéről gyakorlatilag bármely gyártó QAM modulátora meghajtható.
Végezetül ne feledjük, hogy az IP adatfolyam unicast és multicast címzéssel egyaránt érkezhet. A multicast átvitel előnyei csak akkor élvezhetők, ha a vételi oldalon az IGMP üzenetek kezelésére alkalmas switchet alkalmazunk, azaz a switch teljesítőképessége (az átviendő adatmennyiség és a kapukhoz rendelt átmeneti tárolóképesség) mellett üzenet kezelőképessége is fontos. Az IP streamek QAM jellé történő alakításában a korábbiakhoz hasonlóan tanácsadással, üzembehelyezéssel és oktatással állunk partnereink rendelkezésére
Tel: +36 1 371 2590 Fax: +36 1 204 7839 12 418, Hungary 1519 Budapest, Pf.:
Majernik Zoltán
Internet: E-mail:
www.cableworld.eu
[email protected]
