Modulace OFDM DVB-T, DAB, DRM
OFDM - ortogonální frekvenční multiplex • • •
Přenos realizován na více nosných vlnách Kmitočty nosných vln jsou voleny tak, aby byly navzájem ortogonální (neovlivňovaly se) Modulace nosných BPSK, MPSK, QPSK, QAM …
data
Sério-paralelní převodník mapování symbolů
OFDM symbol
cn,Kmin
cn,Kmin+1
cn,Kmax
x
e jωK min t x
x
e jωK max t
+
sOFDM ( t ) =
∞
K max
∑ ∑
n =−∞ k = K min
Kmin – pořadové číslo první nosné Kmax – pořadové číslo poslední nosné
cn, k e jωk t
OFDM Ortogonální systém harmonických funkcí na intervalu délky TU j
e
2π k t TU
= e jωk t
Viz Fourierova řada - rozklad signálu na intervalu T do systému ortogonálních harmonických funkcí
pro k ∈ K min , K max
2π k ωk = TU TU
Podmínka ortogonality
∫e
TU
j
2π kt TU
*
⎛ j T2π nt ⎞ ⎧TU U ⎜e ⎟ dt = ⎨ ⎜ ⎟ ⎩0 ⎝ ⎠
pro k = n pro k ≠ n
Konstrukce modulátoru a demodulátoru OFDM sOFDM n ( t ) =
K max
∑
k = K min
-vztah pro komplexní Fourierovu řadu, kde
cn , k e jωk t
ck = 0 pro k ∉ K min, K max
Odhad symbolů cˆk v přijímači lze ze signálu sOFDM ( t ) získat pomocí vztahu pro výpočet koeficientů Fourierovy řady
cˆn , k =
− jωk t s t e dt ( ) OFDM n ∫
(odpovídá korelačnímu přijmu nebo detektoru z přizpůsobeným filtrem)
TU
Modulátor a demodulátor se většinou realizuje číslicově, místo Fourierovy transformace používá DFT resp. FFT. OFDM symbol
⎡ cK min ⎤ ⎢c ⎥ ⎢ K min +1 ⎥ ⎢ # ⎥ ⎢ ⎥ c ⎣ K max ⎦
FFT
D/A
sOFDM ( t )
A/D
IFFT
⎡ cˆK min ⎤ ⎢cˆ ⎥ ⎢ K min +1 ⎥ ⎢ # ⎥ ⎢ ⎥ ˆ c ⎣ K max ⎦
Problém s ISI •
Vícestavové modulace jsou velmi citlivé na intersymbolovou interferenci, která vzniká například vícecestným šířením signálu. Překrývání symbolů
symbol 1 symbol 2 symbol 1 symbol 2
0
t
…
+
…
symbol 1 symbol 2
t
0
vysílač přijímač
…
Ochranný interval Řešení ISI: Zavedení ochranného intervalu
Ts
∆
TU
Symbol se na začátku prodlouží o čas ∆. Doba trvání symbolu Ts=TU+∆ Trvání ochranného intervalu se také často vyjadřuje zlomkem
∆ TU
Pro demodulaci se využívá pouze vyznačené úseky signálu, ve kterých je ISI nulová a nosné jsou ortogonální.
Vlastnosti OFDM Výhody • Odolná proti selektivnímu úniku – Signál narušen jen na některých nosných. Opraví se pomocí FEC
• Odolná proti vícecestnému šíření signálu • Jednofrekvenční sítě vysílačů • Možnost mobilního příjmu Nevýhody • Velké kolísání obálky => lineární vysílač, malá účinnost vysílače • Nutnost velké dynamiky při zpracování
Jednofrekvenční sítě SFN (Single Frequency Network) •
Síť synchronizovaných vysílačů pracujících na společném kmitočtu – Vykrytí míst s problematickým příjmem – Pokrytí většího území – Lepší využití kmitočtového spektra
•
Intersymbolová interference způsobená různou dobou šíření signálu od vysílačů se řeší ochranným intervalem
vysílač 2
vysílač 1 Přijímač vysílač 3
Aplikace OFDM • Radiotechnika – DAB, DVB-T, DRM – WiFi – G4 (4 generace buňkových telefonů)
• Telekomunikace – ADSL – Komunikace po energetických sítích
DVB-T • • • •
Digital Video Broadcasting – Terrestrial Norma ETSI EN 300 744 Podpora kanálového dělení 8MHz, 7MHz, 6MHz Stávající televizní pásmo a kanálové dělení – VHF 174 -230 MHz , UHF 470 - 860 MHz
•
Podpora SNF (jednofrekvenčních sítí) – Zvětšení obsluhovaného území – Vykrytí problematických míst – Lepší hospodaření s kmitočtovým spektrem
•
Systém lze přizpůsobit místním podmínkám – – – – –
Počet nosných - režimy 2K, 8K ,4K (pro DVB-H) Typ modulace nosných - QPSK, 16-QAM, 64-QAM Rychlost kódování vnitřního kodéru 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Délka ochranného intervalu 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Možnost hierarchického režimu • Vysílat program v normálním a vysokém rozlišení • Vysílat některé programy jinou modulací (větší dosah)
DVB-T – zdrojové kódování • MPEG – 2 (MPEG – 4) Sdružování jednotlivých programů transportního toku audio video doplňková data
Programový mux
audio video doplňková data
Programový mux
Transportní mux
PES – Packetised elementary stream (pakety délky 188 byte)
Struktura paketu SYNC 1 Byte
MPEG-2 data 187 Byte
Transportní tok (pakety délky 188 byte)
Blokové schéma vysílače DVB-T Kodér zdroj Transportní MUX
scrambler
Vnější kodér
Vnější prokladač
Vnitřní kodér
scrambler
Vnější kodér
Vnější prokladač
Vnitřní kodér
Jen hierarchický režim
Vnitřní prokladač
Mapování
OFDM modulátor
Vložení ochranného intervalu
D/A
Koncový stupeň vysílače
Pilot TPS
TPS – Transmission Parameter Signaling
Scramblování •
Metoda pro zajištění, aby vysílaná data měla charakter náhodných dat – Příznivý dopad na spektrum vysílaného signálu
• •
Vysílaná data se „vynásobí“ pseudonáhodnou posloupností Na straně přijímače se data opět násobí stejnou posloupností, čímž se získá původní posloupnost Scrambler DVB-T
Počáteční stav
Posuvný reg.
1
0
0
1 0
1 0
1
0
1
2
3
4
6
8
9 10 11 12 13 14 15
5
7
0
0
0 0
0 0
xor
vstup
xor
výstup
Scramblují se pouze MPEG-2 data, SYNC se nescrambluje
Vnější kodér • Zkrácený Read-Solomonův kód RS(204,188,t=8) – Odvozený z kódu RS(255,239,t=8) – Nebinární lineární (cyklický) blokový kód – Symbol tvořen 8 bity (oktet, Byte)
204 Byte
188 Byte SYNC 1 Byte
MPEG-2 data 187 Byte
Kodér RS(204,188,t=8)
SYNC 1 Byte
MPEG-2 data 187 Byte
Parita 16 Byte
Vnější prokladač • Konvoluční Bytový prokladač Zpětný prokladač
Prokladač
M=11x17 Přepíná po každém Byte
M = 17
Přepíná po každém Byte
M=10x17
M=2 x 17
M=9 x 17
M=3 x 17
M=8 x 17
M=11x17
FIFO registr délky M Bytů
Vnitřní kodér •
Punkturovaný konvoluční kód 1/2 s omezující délkou 7 Výstup X mod 2
+
Data (bity) D
D
D
mod 2
D
D
D
+
Punkturování
Výstup (bity)
Výstup Y
Kódová rychlost
Punkturování
Výstupní posloupnost
1/2
X:1 Y:1
X1 Y1
2/3
X:10 Y:11
X1 Y1 Y2
3/4
X:101 Y:110
X1 Y1 Y2 X3
5/6
X:10101 Y:11010
X1 Y1 Y2 X3 Y4 X5
7/8
X:1010101 Y:1101010
X1 Y1 Y2 X3 Y4 X5 Y6 X7
Vnitřní prokladač + mapování Bitový prokladač
Demux Bitový prokladač
2 pro QPSK 4 pro 16-QAM 6 pro 64-QAM V případě hierarchického módu Bitový prokladač
Demux Bitový prokladač
Symbolový prokladač
Mapování
OFDM symbol
Konstelační diagramy modulace nosných QPSK Im 10
00
11
01
16-QAM
64-QAM
Re α=1
α=1
α=2
α=2
α=4
α=4
16-QAM 1000 1010
Im
0010
0000
1001 1011
0011
0001
1101 1111
0111
0101
1100
0110
0100
1110
Grayův kód
Re
Struktura rámce DVB-T rámec tvořen 68 OFDM symboly • Datové nosné – přenos dat • Synchronizační nosné – Kontinuální nosné (Continual Carriers) • 177 pro 8K; 45 pro 2K
– Rozptýlené nosné (Scattered Carriers) • 567 pro 8K; 142 pro 2K
• TPS (Transmission Parameter Signaling) • 88 pro 8K; 17 pro 2K
– 67 bit. informace o konfiguraci (Použitá modulace, kódování, režim …) sloužící pro nastavení přijímače
Režim 8K, kanálový rozestup 8 MHz Počet nosných
6817
TU
896 µs
Vzdálenost nosných (1/TU)
1116 Hz
Šířka pásma (Vzdálenost krajních nosných)
7,61 MHz
Ochranný interval
1/4
1/8
1/16
1/32
Délka symbolu
1120 µs
1008 µs
952 µs
924 µs
Režim 2K, kanálový rozestup 8 MHz Počet nosných
1705
TU
224 µs
Vzdálenost nosných (1/TU)
4464 Hz
Šířka pásma (Vzdálenost krajních nosných)
7,61 MHz
Ochranný interval
1/4
1/8
1/16
1/32
Délka symbolu
280 µs
252 µs
238 µs
231 µs
Další systémy DVB •
DVB-S(2)
(Satelite)
– Modulace QPSK, 8PSK jinak podobné s DVB-T – Příjem na směrovou anténu
• •
DVB-T DVB-H – – – –
•
(Terrestrial) (Handheld)
Vychází z DVB-T OFDM, 4K nosných Menší rozlišení Kódování upraveno tak, aby přijímač mohl být v aktivním režimu pouze po zlomek doby (úspora energie)
DVB-C
(Cable)
– Modulace 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM, 128 QAM, 256 QAM
BVB-T v ČR
DAB • Standard pro rozhlasové vysílání ETSI EN300 401 v pásmu VKV a S (1,5 GHz) • Přenos jakostních audio signálů a doprovodné informace včetně statických obrázků • Kódování MPEG Audio Layer II • Modulace OFDM, nosné DQPSK • Pásma – – – –
I. VKV 47 – 240 MHz II. Pásmo L 1452 – 1480 MHz III. Pásmo 3 GHz IV. Pásmo
(terestriární) (terestriární a satelitní) (terestriární a satelitní)
DRM – Digital Radio Mondiale • • •
Standard pro digitální rozhlasové vysílání v pásmu do 30 MHz v kvalitě FM rozhlasu Norma ETSI 201 980 Náhrada za stávající AM rozhlasové vysílání
Výhody – – – – – –
Lepší kvalita než stávající AM systémy Stereo Velký dosah viz módy šíření rádiových vln na těchto kmitočtech Možnost kódování pořadů Informace o pořadech + doprovodná data Možnost automatického přelaďování na vysílač se stejným programem
Audio
Zdrojové kódování MUX
Scrambler
Kodér kanálu
MSC
Blokové schéma vysílače
Kodér
Scrambler
Kodér kanálu
Kodér
Scrambler
Kodér kanálu
SDC
MSC – Main Service Channel FAC – Fast Access Channel SDC – Service Description Channel
FAC
Kodér
SDC
FAC
Kontinuální nosné
Mapování
Data OFDM modulátor
Hlavní vlastnosti • Kanál – Poloviční šířka pásma 4,5 KHz nebo 5 KHz • Bitová rychlost pro data kolem 8 kbit/s
– Normální šířka pásma 9 kHz nebo 10 kHz • Bitová rychlost pro data kolem 20 kbit/s
– Dvojnásobná šířka pásma 18 KHz nebo 20 KHz • Bitová rychlost pro data až 72 kbit/s
• Kódování audio – MPEG 4 AAC (mono a stereo) jakostní audio • 20 kbit/s
– MPEG 4 CELP (mono) řeč • 8 – 10 kbit/s
– MPEG 4 HVXC (mono) řeč, velmi malá bitová rychlost • 2 kBit/s – možnost několik řečových signálů na jednom kmitočtu
Hlavní vlastnosti Režimy DRM
Parametry OFDM symbolu
Režim
Podmímky
A
AWGN kanál, malý únik
B
Časově a kmitočtově selektivní kanál
C
Jako B, ale vyšší rozprostření kmitočtu
D
Jako B ale extrémní rozprostření kmitočtu
A
B
C
D
TU [ms]
24
21.3
14.7
9.3
Ts [ms]
26.7
26.7
20
16.7
Ochranný interval
1/9
1/4
4/11
11/14
Počet nosných Kanál/ režim
4,5 kHz
5 kHz
9 kHz
10 kHz
18 kHz
20 kHz
A
100
112
205
229
413
461
B
90
102
183
207
367
411
C
Nepoužívá se
Nepoužívá se
Nepoužívá se
139
Nepoužívá se
281
D
Nepoužívá se
Nepoužívá se
Nepoužívá se
89
Nepoužívá se
179
Hlavní vlastnosti • Modulace nosných 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM • Kódování kanálu – Punkturovaný konvoluční kód 1/4 – Scramblování – Prokládání
