|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hierarchická modulácia v DVB-TEurópsky systém pozemskej digitálnej televízie DVB-T je určený pre široký rozsah vysielacích aplikácií. Umožňuje vysielanie vo veľkom počte variantov v závislosti od požadovaných služieb (napr. od počtu TV programov) a požadovaných parametrov (veľkosti pokrytia územia, druhu príjmu a pod.). Okrem toho systém DVB-T dovoľuje využívať aj tzv. hierarchickú moduláciu, pomocou ktorej sa dajú v tom istom TV kanále vysielať dva nezávislé prenosové toky, každý s inou robustnosťou (napr. jeden pre pevný príjem a druhý pre mobilný). Účelom článku je poukázať na možnosti hierarchickej modulácie a na parametre, ktoré sú dôležité najmä z hľadiska frekvenčného plánovania.
Úvod Systém DVB-T je definovaný v norme ETSI EN 300 744, ktorá bola prevzatá do sústavy STN pod označením STN ETS EN 300 744 [1]. Medzi základné parametre tohto systému patrí:
Obr. 1 - Základné modulačné konštelácie DVB-T Okrem toho systém DVB-T dovoľuje využívať aj tzv. hierarchickú moduláciu, pomocou ktorej je možné v jednom TV kanále vysielať dva nezávislé dátové transportné toky s rôznymi prioritami (HP = High Priority; LP = Low Priority). Pri uvažovaní hierarchických prenosov sa počet možných variantov zvýši až na 1200: 2 systémy (8k, 2k) x 5 kódových pomerov pre HP (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 pre QPSK) x 10 kódových pomerov pre LP (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 pre QPSK + pre 16-QAM) x 4 pomery ochranných intervalov (1/4, 1/8, 1/16, 1/32) x 3 možnosti faktora α (1, 2, 4). Faktor α sa nazýva "pomer usporiadania" a určuje usporiadanie modulácie QAM pre hierarchický prenos (pozri obr. 3). Ak α = 1, potom takú moduláciu nazývame uniformnou; pre iné α hovoríme o neuniformnej modulácii. Základné a hierarchické konštelácie Mapovanie dát do OFDM symbolov predstavuje moduláciu každej subnosnej podľa troch konštelácií využívaných v DVB-T: QPSK, 16-QAM a 64-QAM. Tieto sú zobrazené na obr. 1. V závislosti od konštelácie sú prenesené 2 bity (pri QPSK), 4 bity (pri 16-QAM) alebo 6 bitov (pri 64-QAM) v jednom okamihu a na jednej subnosnej. Každá konštelácia vyžaduje minimálnu hodnotu odstupu C/N, pri ktorom je možná demodulácia. Napr. modulácia QPSK je zhruba 4 až 5-krát odolnejšia proti šumu ako modulácia 64-QAM. Hierarchická modulácia je založená na alternatívnom použití základných konštelácií 16-QAM a 64-QAM, uvedených na obr. 2. Môže byť chápaná ako rozdelenie VF kanála do dvoch virtuálnych vetiev, z ktorých každá má vlastnú prenosovú kapacitu, odolnosť proti šumu a mierne odlišné pokrytie územia. Rozdiely medzi týmito dvoma virtuálnymi kanálmi sú určené kombináciou konštelácie a kódového pomeru. Prakticky to znamená, že prvý dátový tok (HP) je mapovaný do konštelácie QPSK. Každý bitový pár (pretože pri moduláciu QPSK sa na jednu subnosnú mapujú 2 bity) tohto dátového toku je určený kvadrantom subnosnej v konštelácii. Druhý dátový tok je definovaný vo vnútri kvadrantu reálnou a imaginárnou zložkou subnosnej. Ak druhý dátový tok je mapovaný bitovými pármi, potom hierarchická konštelácia je "QPSK + QPSK". To znamená, že výsledná konštelácia vyzerá ako 16-QAM. Niekedy sa táto hierarchická modulácia nazýva "QPSK v 16-QAM". Ak sú v druhom toku využívané štyri bity, potom ide o moduláciu "QPSK + 16-QAM" a výsledným riešením je konštelácia 64-QAM. Niekedy sa táto hierarchická modulácia nazýva "QPSK v 64-QAM". Prvý dátový tok vždy využíva moduláciu QPSK a nazývame ho tok s vysokou prioritou (High Priority stream - HP). Druhý dátový tok v oboch prípadoch hierarchickej modulácie nazývame tok s nízkou prioritou (Low Priority stream - LP). Prenáša sa teda s moduláciou QPSK, alebo16-QAM. Teoreticky i prakticky sú možné určité varianty vyššie uvedených dvoch hierarchických modulácií, ktoré sú charakteristické tzv. faktorom alfa. Tento faktor predstavuje posunutie každého štvorca konštelácie vo vnútri kvadrantu (obr. 3). Používajú sa veľkosti α =1 (zodpovedá dvom základným vyššie uvedeným hierarchickým moduláciám), α = 2 a α = 4. Žiaľ, posunutím modulácie HP/QPSK sa zvýši jej odolnosť, ale na úkor oslabenia odolnosti toku LP/QPSK alebo LP/16-QAM. Vlastnosti hierarchickej modulácie Za základné vlastnosti hierarchickej modulácie v systéme DVB-T možno považovať:
Obr. 2 - Hierarchické modulačné konštelácie DVB-T (modré body v spodných obrázkoch sú fiktívne) Existujú dva spôsoby kompenzácie tejto nevýhody z hľadiska požiadavky na vyšší odstup C/N pre tok HP:
Obr. 3 - Konštelácia QPSK + QPSK pre α = 2 (modré body sú fiktívne) Pretože však modulácia toku LP (QPSK alebo 16-QAM) sa používa zároveň s moduláciou QPSK toku HP, požadovaný odstup C/N pre demoduláciu toku LP je omnoho dôležitejší ako pri demodulácii QPSK, resp. 16-QAM pri nehierarchickom prenose. Ako bude ukázané v časti Požiadavky na vyššiu prenosovú kapacitu kanála, požadovaný C/N pre LP pri hierarchickom prenose môže byť pre hierarchickú moduláciu v skutočnosti porovnateľný s C/N, potrebným v základnej (nehierarchickej) modulácii, t.j. napr. C/N pre 16-QAM v rámci 64-QAM hierarchického prenosu = C/N pre 64-QAM nehierarchického prenosu. Situácia pre LP sa ešte zhorší, ak sa zvýši hodnota faktora α kvôli zvýšeniu ochrany toku HP pri hierarchickom prenose. Plánovanie s hierarchickou moduláciou Plánovanie sietí DVB-T (resp. výber variantu) je vždy kompromisom medzi požiadavkou na čistú bitovú rýchlosť (t.j. obvykle počet prenášaných TV programov), veľkosť pokrytého územia a robustnosť systému. To častokrát núti plánovačov zamerať sa na viacstavové modulácie, napríklad: 64-QAM a kódový pomer 2/3.
Obr. 4 - Symbolické pokrytie využitím hierarchickej modulácie Vlastnosti hierarchickej modulácie ovplyvňujú kompromis medzi bitovou rýchlosťou a odolnosťou a v konečnom dôsledku kompromis medzi bitovou rýchlosťou a pokrytým územím. V praxi je možné výberom parametrov hierarchickej modulácie zvládnuť rôzne situácie medzi dvoma extrémnymi požiadavkami na veľkosť pokrytia územia tak, ako je znázornené na obr. 4. V dnešnej situácii, keď je frekvenčné spektrum vyčerpané analógovým TV vysielaním, môže byť hierarchická modulácia užitočná pri snahe poskytovať dve kategórie služieb (napr. pevný a mobilný príjem), čím sa dá pružne reagovať na požiadavky vysielateľov, resp. poskytovateľov iných služieb. Vysielanie pre pevný a prenosný príjem Základným využitím hierarchickej modulácie je umožnenie tzv. vnútorného prenosného príjmu, t.j. príjmu vo vnútri budov, a to pomocou malej úpravy parametrov modulácie. Vnútorný prenosný príjem sa voči pevnému príjmu z hľadiska potrebnej intenzity elektromagnetického poľa odlišuje tým, že sa používajú neziskové antény, pričom je treba rešpektovať tlmenie spôsobené stenami budovy.
Obr. 5 - Hierarchická modulácia pre pevný a prenosný příjem Príklad pokrytia územia pre kombinovaný pevný i prenosný (napr. vnútorný) príjem je znázornený na obr. 5. Robustnejší dátový tok HP obsahujúci programy, na ktoré je kladený z hľadiska ich významu najväčší dôraz, sa môže prijímať pevnými i prenosnými prijímačmi. Ak uvažujeme prenosný príjem, je územie pokryté tokom HP o niečo väčšie ako pri nehierarchických moduláciách. Čo sa týka pevného príjmu, je územie pokryté tokom LP len o niečo menšie ako pri nehierarchickej modulácii.
Obr. 6 - Hierarchická modulácia pre vyššiu bitovú rýchlosť V súčasnosti prebiehajúce frekvenčné plánovanie DVB-T na Slovensku vychádza z použitia variantu s nasledujúcimi parametrami: systém 8k, modulácia 64-QAM (nehierarchická), kódový pomer 2/3, pomer ochranného intervalu 1/4 (t.j. ochranný interval 224 μs). Počíta sa s tým, že vo všetkých TV pásmach sa bude vysielať v TV kanále so šírkou 8 MHz. Sú preferované siete SFN. Treba povedať, že z hľadiska dosiahnutia vyššej užitočnej bitovej rýchlosti, ako aj z hľadiska mobilného príjmu, by bol výhodnejší menší pomer ochranného intervalu (napr. 1/8, čo zodpovedá dĺžke ochranného intervalu 112 μs). To však nie je možné, ak chceme využiť existujúce stanovištia vysielačov. Z ochranného intervalu 112 μs pri uvažovaní rýchlosti šírenia elektromagnetického vlnenia v zemskej atmosfére totiž vychádza požiadavka na maximálnu vzdialenosť medzi vysielačmi siete SFN cca 33 km. Pri väčšej vzdialenosti vysielačov dochádza v sieti SFN k tzv. "samorušeniu". V reálnej situácii na Slovensku sa vzdialenosť medzi susednými vysielačmi s ERP > 600 W pohybuje od 22,6 do 84,8 km, pričom priemerná vzdialenosť je 51,8 km (σ = 18,4). Ochranný interval 224 μs, ktorému teoreticky zodpovedá maximálna vzdialenosť 66 km, teda vyhovuje ďaleko lepšie. Predpokladajme, že namiesto vyššie uvedeného základného módu 64-QAM 2/3 s D/TU = 1/4 sa použije hierarchický mód QPSK 1/2 (HP) + 16-QAM 2/3 (LP). Potom sa dosiahnu čisté bitové rýchlosti, ktoré sú uvedené v tab. 1. V nej je tiež zachytené, ako sa zmení požadovaný odstup C/N na vstupe digitálneho prijímača. Z hľadiska užitočnej bitovej rýchlosti sa kapacita pri použití nehierarchickej modulácie, t.j. 19,91 Mbit/s, zníži na 18,25 Mbit/s pre hierarchickú moduláciu, t.j. o 1,66 Mbit/s. Z hľadiska C/N je však odolnosť HP omnoho lepšia, pričom odolnosť LP zostáva pri α = 1 približne rovnaká ako pri nehierarchickej modulácii; pri α = 2 sa požiadavka na C/N pre LP zvyšuje o 2,4 dB. Je teda možné konštatovať, že celkové zníženie bitovej rýchlosti je menej významné v porovnaní s dosiahnutým zvýšením odolnosti toku HP, pričom pokrytie tokom LP pri α = 1 je viac-menej identické. Merania vo Veľkej Británii zatiaľ ukázali, že toto je pravdou aj pri vnútornom prenosnom príjme, ovplyvnenom tlmením stien budov. Požiadavky na vyššiu prenosovú kapacitu kanálu Prípad, keď vysielateľ požaduje čo najvyššiu prenosovú kapacitu kanálu, ale akceptuje mierne zníženie pokrytie územia pri použití hierarchickej modulácie voči nehierarchickej modulácii, je znázornený na obr. 6. Predpokladajme, že namiesto základného módu 64-QAM 2/3 s D/TU = 1/4 sa použije hierarchický mód QPSK 3/4 (HP) + LP 16-QAM 3/4 (LP). Potom sa dosiahnu čisté bitové rýchlosti, ktoré sú v tab. 2. V nej je tiež uvedené, ako sa zmení požadovaný odstup C/N na vstupe digitálneho prijímača. V tomto prípade sa teda požiadavka na minimálne C/N pre HP pri α = 1 zníži (o 1,8 až 2,8 dB v závislosti od typu kanála) v porovnaní s nehierarchickou moduláciou 64-QAM; požiadavka na minimálne C/N pre LP sa trochu zvýši (o 2 až 2,9 dB). Potom pokrytie pre HP bude trochu väčšie a pre LP trochu menšie. Pre α = 2 sa nároky na C/N pre HP znižujú o 2,8 až 5,6 dB, pre LP však požiadavky na C/N narastajú o 4,5 až 5,2 dB. Prenosová kapacita sa zvýši z 19,91 Mbit/s na 22,39 Mbit/s, t.j. o 2,48 Mbit/s. Vysielanie pre mobilný príjem Možnosť mobilného príjmu je významnou vlastnosťou DVB-T, ktorá môže výrazne podporiť rozvoj digitálneho TV vysielania. Vzhľadom na situáciu pri mobilnom príjme, ktorá je obvykle charakterizovaná prenosovým kanálom s krátkymi odrazmi a rýchlymi zmenami, musia byť použité varianty dostatočne odolné. Z toho vyplýva, že pre mobilný príjem sa hodí modulácia QPSK, resp. 16-QAM a vysoký kódový pomer (1/2 alebo 2/3). To pri pomere ochranného intervalu 1/4 ponúka čistú bitovú rýchlosť od 4,98 do 13,27 Mbit/s, resp. 1 až 3 TV programy. Otázkou je, ako realizovať vysielanie pre mobilný príjem zároveň s vysielaním pre pevný a prenosný príjem v situácii, keď je frekvenčné spektrum značne obsadené analógovými TV vysielačmi. Ak sú k dispozícii dva TV kanály, potom je snahou jeden z nich využiť pre mobilné služby (najčastejšie 2 TV programy) a druhý pre pevný, resp. prenosný príjem (najčastejšie 5 TV programov) s použitím nehierarchických modulácií. Pri hierarchickej modulácii môže byť situácia iná. Ak uvažujeme hierarchický mód s pomerom ochranného intervalu 1/4 a QPSK 1/2 (pre HP), resp. 16-QAM 3/4 (pre LP), potom je prenosová kapacita dvoch hierarchických virtuálnych kanálov pre HP 4,98 Mbit/s a pre LP 14,93 Mbit/s. Takéto nastavenie poskytne v rámci jedného TV kanála kapacitu umožňujúcu vysielať jeden program pre mobilný príjem toku HP s veľkou robustnosťou a zhruba 3 až 4 programy pre pevný a prenosný príjem LP (aj v závislosti od toho, či sa použije štatistické multiplexovanie). Ak sú k dispozícii dva TV kanály a použije sa hierarchická modulácia, počet možných vysielaných programov pre pevný, resp. prenosný príjem sa teda takmer zdvojnásobí (tab. 3). Vyššie uvedené úvahy zatiaľ predpokladali, že pre HP a LP sú na jeden TV program potrebné rovnaké bitové toky. To však v praxi nemusí vždy nastať. Pretože tok HP môže byť určený len pre mobilný (prípadne aj prenosný) príjem, kde sa používajú TV prijímače s malými uhlopriečkami obrazovky, obvykle vystačí pre jeden TV program tok 2 až 3 Mbit/s, t.j. približne polovičný ako pre príjem na veľké TV prijímače. Ináč povedané, v tomto prípade je možné počet TV programov prenášaných v toku HP zdvojnásobiť, pričom sa dosiahne veľké pokrytie územia a veľká robustnosť signálu (niekedy vhodná aj pre diaľkový príjem). Predpokladá sa však, že tie isté programy budú vysielané aj v toku LP, a to najmä pre pevný príjem. Zmiešané vysielanie formátov HDTV a SDTV Aj keď vysielanie vo formáte HDTV nie je ešte v Európe komerčne zavedené, je možné v budúcnosti očakávať snahy o zavedenie takéhoto vysielania.
Tab. 1 - Prenosové rýchlosti a požadované odstupy C/N Pre súčasné digitálne vysielanie vo formáte HDTV a SDTV je opäť vhodný hierarchický mód, napr. s pomerom ochranného intervalu 1/4 a QPSK 3/4 (pre HP) + 16-QAM 3/4 (pre LP). To umožňuje prenos s bitovými rýchlosťami 7,46 Mbit/s pre HP a 14,93 Mbit/s pre LP.
Tab. 2 - Prenosové rýchlosti a požadované odstupy C/N Aj v týchto prípadoch sa dá využívať neuniformná hierarchická konštelácia (s α = 2 namiesto α = 1), čím sa zvýši robustnosť toku HP (napr. pre Gaussov kanál je požadovaný C/N 10,8 dB namiesto 13,7 dB), pričom sa C/N pre LP takmer nezmení, ak sa kódový pomer pre LP zmení z 3/4 na 2/3. To má však určitý vplyv na čistú bitovú rýchlosť pre LP (13,27 Mbit/s namiesto 14,93 Mbit/s).
Tab. 3 - Prenosové rýchlosti a počet programov pre rôzne druhy modulácií Hierarchická modulácia využívaná pre súčasné vysielanie SDTV a HDTV namiesto vysielania každého formátu v samostatnom TV kanále opäť umožňuje šetriť TV kanály. Záver Zo všetkých vyššie uvedených prípadov vyplýva, že hierarchická modulácia DVB-T dovolí vysielanie dvoch úplne nezávislých a samostatne dekódovateľných prenosových tokov. Hierarchická modulácia tiež umožňuje zvýšiť počet prenášaných programov, ak sa použije zmiešané vysielanie pre rôzne druhy príjmu (napr. pre pevný i mobilný), alebo ak sa uvažuje so súčasným prenosom HDTV. Veľkosti prenosovej kapacity a pokrytého územia sú ovplyvnené nasledujúcimi parametrami:
Literatúra [1] STN ETS EN 300 744: 2002 Digitálna televízia (DVB). Štruktúra rámcov, kanálové kódovanie a modulácia pre pozemskú digitálnu televíziu [2] Faria, G.: DVB-T hierarchical modulation: an opportunity for new services?. EBU Doc. MDT-M1 021, 2001 Použité symboly a skratky α - pomer usporiadania (určuje usporiadanie modulácie QAM pre hiararchický prenos) C/N - odstup VF signálu od šumu (Carrier to Noise Ratio) D/TU - pomer ochranného intervalu DVB-T - pozemské digitálne televízne vysielanie (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) ERP - efektívny vyžiarený výkon (Effective Radiated Power) HDTV - televízia s vysokou rozlišovacou schopnosťou (High Definition Television) HP - vysoká priorita (High Priority) LP - nízka priorita (Low Priority) OFDM - ortogonálny multiplex s frekvenčným delením (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) QAM - kvadratúrna amplitúdová modulácia (Quadrature Amplitude Modulation) QPSK - štvorstavové kľúčovanie s posunom fázy (Quadrature Phase Shift Keying) SDTV - televízia so štandardnou rozlišovacou schopnosťou (Standard Definition Television) SFN - jednofrekvenčná sieť (Single Frequency Network) TV - televízny VF - vysokofrekvenčný Článek byl bez úprav a se souhlasem převzat z odborného měsíčníku Telekomunikace. Juraj Oravec, Zdeno Zbončák, 16. dubna 2003 Stránka pro tisk | Úvodní stránka Diskutovat o přijímačích, jejich ovládání, kvalitě příjmu v místě vašeho bydliště a dalších tématech týkajících se digitální televize můžete na www.digitalnitelevize.cz/forum |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||
|
(c) owp media s.r.o. 1999 - 2012
|
||||||||||||||||
|
|