Seriál o DVB-T2: 1.díl - Proč DVB-T2

V posledních měsících se v diskusích i na českých fórech hovoří o standardu DVB-T2, a to zejména v souvislosti se záměrem ČTÚ začít s jeho řádným používáním po roce 2012, po definitivním ukončením analogového vysílání TV, které uvolní další kanály pro další multiplexy. Připomeňme, že po uvolnění analogu bude lze v celostátním měřítku šířit v Česku v pásmu UHF prozatím 6 multiplexů.

Co je to DVB-T2?

Je to další vývojová generace, stavěná na současné technologii vysílání a příjmu a postavena na úspěchu DVB-T v drtivé většině zemí, kde již digitální přenos nahradil analog definitivně a kde DVB-T2 i oproti DVB-T přináší další výhody a možnosti.

Těmi jsou především:

• Možnost efektivnějšího hospodaření s frekvenčním fondem: Požadované zvýšení přenosové kapacity je 30% při příjmových podmínkách ekvivalentních s podmínkami DVB-T, přičemž praktické experimenty udávají výši této míry dokonce až k 67%. To tedy znamená, že do multiplexu lze „vtěsnat“ přinejmenším až 5 kanálů v HD kvalitě anebo 15 až případně i 20 kanálů SD, v praxi však obvykle bývá tento počet nižší.
• Příjmové podmínky ekvivalentní podmínkám DVB-T, umožňující tedy souběžný příjem a rozvod signálu muxů jak DVB-T2, tak DVB-T v kompresi MPEG-4 AVC/H.264 i „staré“ MPEG-2. Čili v rozvodech společných antén (STA) netřeba měnit nic, kromě rozšíření instalace o kanály dalších multiplexů.

Díky efektivnějšímu hospodaření s frekvenčním fondem lze v celostátním rámci velkoplošně šířit ve stejné kvalitě stejné množství programů, jaké dnes obnáší nabídky satelitních platforem nebo kabelové televize: DVB-T/DVB-T2 znamená již pro ně hodnotnou souměřitelnou konkurenci.

Jak to bude s přechodem od DVB-T na DVB-T2?

Na našem fóru projevili čtenáři obavy, zda jim nebudou současné přijímače „přepnutím“ z DVB-T na DVB-T2 k nepotřebě, neboť se na první pohled i může zdát, že DVB-T2 je standard konku-renční k existujícímu DVB-T. To by samozřejmě mohlo nastat, kdyby bylo vysílání DVB-T zcela ukončeno. Nicméně, není tomu tak. Záleží to na organizaci, a počátek je také v rukou ČTÚ a dalších orgánů.

Vycházeje ze zkušeností v zahraničí, v Evropě z Británie, která v r. 2009 začala zavádět DVB-T2 jako první a kde se bude končit digitalizace rokem 2012 odpojením analogu celostátně šířených programů BBC1, BBC2, ITV, Channel 4 a Five, o čemž poreferuji v dalších kapitolách tohoto pojednání: Počítá se tam, že oba systémy tam budou po mnoho příštích let koexistovat, především kvůli životnosti přijímacích zařízení DVB-T v domácnostech. Připouští se dokonce až 20 let. Nic-méně takové číslo nemůže být rigidní, neboť i především hlavně ekonomické i sociální faktory, ovlivňující mj. koupěschopnost obyvatelstva a schopnost adsorpce nabídky na mediálním trhu, a také vývoj vysílací, přijímací a obslužné techniky, mohou dobu souběhu obou standardů prodloužit nebo zkrátit.

Co je pro oba standardy přenosu - DVB-T a nového DVB-T2 - shodné a čím se od sebe odlišují?

S příchodem DVB-T2 se nemění:

• Zesilovače a antény vysílačů a stejně tak antény, anténní rozvody, anténní zesilovače, vstupní tunery a zesilovací obvody přijímačů.
• ·Většina signálů servisních informací (výjimkou je pár nových kódů, které jsou přítomny pouze v DVB-T2)

Čím se od sebe oba standardy odlišují:

(Pro čtenáře, kteří si přejí nahlédnout do problematiky zpracování signálu o trochu hlouběji a zároveň s ještě přijatelnou měrou zobecnění)

Digitální signál v podobě datového toku, ať ve standardu DVB-T nebo v DVB-T2, musí být na vysílací straně zakódován, zkomprimován a modulován. Kódování zahrnuje korekci chyb, komprese redukci přenášených dat (v tzv. bitových tocích) a modulace využití nosných vln. V přijímači, na jehož výstupu se odebírá kompletní audio/video signál, probíhá opačný postup – demodulace, dekomprese a následně dekódování. Odlišnosti mezi DVB-T a DVB-T2 lze shrnout takto:

• Nové šířky vysílaných TV kanálů:
  Kromě dosud uváděných šířek 5, 6, 7 a 8 MHz přibývají také šířky 1,712 MHz (shodné se šířkou kmitočtového bloku T-DAB) a 10 MHz (pro profesionální využití, jako např. radiový přenos mezi kamerou a mobilním studiem).
  
  
• Nové módy FFT
  Kromě dosavadních módů 2k a 8k (resp. 4k, dosud používaného pro DVB-H) přibývá mód 1k (pro mobilní příjem) a především vyšší módy 16k a 32k. Použití těchto vyšších módů má za následek menší kmitočtový odstup dvou sousedních nosných kmitočtů, na druhé straně se však prodlužuje trvaní symbolu. To znamená, že mohou vzniknout problémy týkající se interferencí mezi nosnými kmitočty. Dochází také ke snížení Dopplerovy frekvence. Delší čas trvání symbolu však umožňuje při použití stejného poměru ochranného intervalu prodloužení užitečné části symbolu a tím i jeho efektivnější využití pro přenos dat.
  
  
• Mód rozšířených nosných kmitočtů
  Protože při vyšších módech FFT klesají krajné části kmitočtového spektra rychleji, mohou být oba konce kanálu rozšířeny, tj. k původním nosným kmitočtům lze přidat další. Dosažitelný zisk se pohybuje od 1,4 % (pro mód 8K) do 2,1 % (pro mód 32K).
  
  
• Konfigurace MISO založená na Alamoutiho principu
  V místě příjmu signálů minimálně z dvou vysílačů, kterých intensity polí jsou přibližně stejné, mnohokrát dochází k degeneraci výsledného spektra přijímaného signálu. To vede k výpadkům příjmu (tzv. únikům). Nejvíce se to projevuje při přenosném a mobilním příjmu. Tento jev lze obvykle kompenzovat zvýšením výkonu vysielaného signálu (což je energeticky nevýhodné), nebo použitím diversitních přijímačů (s minimálně dvěma přijímacími anténami). Systém DVB-T2 nabízí i další možnost vylepšení příjmu (výsledkem srovnatelnou s diversitním příjmem), a to využití Alamoutiho princípu. Tento princíp spočívá ve využití tzv. konfigurace MISO (Multiple Input, Single Output). V dané oblasti se signál vysílá ze dvou vysílačů na stejném kmitočtu, přičemž signál druhého vysílače je mírně modifikován – nosné kmitočty mají opačné pořadí. Podmínkou spolehlivého příjmu je, aby přijímač obsahoval několik násobičů pro zpracování signálu dle Alamoutiho principu. Nevýhodou takového vysílání je potřeba dvounásobné hustoty rozptýlených pilotních signálů.
  
  
• Kódování/dekódování – podstatná odlišnost v použitém algoritmu korekce chyb:
  Protože každý přenos ovlivňují negativně chyby, je nutné co nejrychleji rozpoznat a zkorigo-vat. K tomu se používá tzv. dopředné korekce chyb (FEC, Forward Error Correction). Ta se jak při přenosu DVB-T tak i DVB-T2 realizuje tím, že k datům, určeným k přenosu, se ještě při-dávají tzv. redundantní data, která přijímači umožňují chyby přenosu i rozpoznat i zkorigovat. Zatímco DVB-T používá pro dopřednou korekci chyb „slabší“ tzv. konvoluční kódování s kódova-cím algoritmem Viterbiho a Reed-Solomona (označovaného v literatuře také „CC+RS“ - pro ty, kdož se zabývají principy kódování hlouběji: Jde o nebinární cyklické korekční kódování), DVB-T2 používá kódování nazývané LDPC/BCH: V něm jsou data chráněna kódem BCH, (akro-nym jeho vynálezce Bose Chaudhuri-Hocquenghama) a opětovně jištěna kódem LDPC („Low Density Parity Check“, česky kontrola parity s nízkou hustotou). Pro ty, kdož se zabývají prin-cipy kódování hlouběji: Jde o kódování mnohaúrovňové cyklické korekce proměnné digitální chyby s využitím vzorku vícenásobných náhodných chyb.
  
  Přínosem kódování LDPC/BCH používaného standardem DVB-T2 je tedy robustnější signál, což znamená výrazně odolnější vůči šumu a interferencím. K hodnotám ochranného intervalu známých z DVB-T přidává další dvě (viz srovnávací tabulku DVB-T/DVB-T2 níže).
  
  
• Modulace/demodulace – odlišnost v možnosti použití výkonnějšího modulačního módu Oba standardy – DVB-T i DVB-T2 jsou založeny shodně na modulaci OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, česky ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením), což je širokopásmová modulace, využívající kmitočtové dělení kanálu. Modulační metoda OFDM spočívá v použití několika stovek až tisíců nosných kmitočtů. Nosné jsou dále modulovány dle potřeby modulačními módy QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM, DVB-T2 oproti DVB-T však díky použitému systému protichybového zabezpečení LDPC/BCH dovoluje rovněž modulační mód 256-QAM. Jednotlivé nosné jsou vzájemně ortogonální, takže maximum každé nosné by se mělo překrývat s minimy ostatních. Datový tok celého kanálu se tak dělí na stovky dílčích datových toků jednotlivých nosných a v přijímači se zase z těchto dílčích datových toků skládá korektní signál (ovšem na rozdíl od pouhého přenosu dat se u přenosu TV nebo radia pro synchronizaci informací přenášených na datových nosných a ekvalizaci, jež umožňuje opravit deformace signálu při přenosu, ještě vkládají na určená místa pilotní nosné a další nosné s jednodušší modulací přenášejí nejzákladnější informace o systému a přenášeném multiplexu). Poněvadž jsou ve výsledku datové toky na jednotlivých (pomocných) nosných malé, je možné vkládat ochranný interval – čas, kdy se nevysílá žádná nová informace.
  
  
• Pootočené konstelační diagramyPrincip spočívá v tom, že vytvořený konstelační diagram modulace se pootočí v komplexní rovině I-Q tak, aby každý bod diagramu měl jedinečné souřadnice (u1, u2), ze kterých každá jedna nese dostatečnou informaci o tom, jaký bod se právě přenáší. Když v případě chybného přenosu vznikne výpadek jednoho komponentu (I nebo Q), druhý komponent se využije na kompletní obnovu ztracené informace. Aplikací principu pootočení konstelačních diagramů lze v Gaussově kanálu dosáhnout příjem beze ztráty, v typickém kanálu s úniky lze snížit požadovaný odstup signálu od šumu o 0,7 dB a v kanálu s vysokou mírou rušení (např. impulsní rušení) až o 7,6 dB. Úhel pootočení diagramu je stanoven pro každou modulaci zvlášť, a to 29? pro QPSK, 16,8? pro 16-QAM, 8,6? pro 64-QAM a arctan(1/16) pro 256-QAM.
  
  
• Hodnoty poměru ochranného intervalu
  V porovnání se systémem DVB-T se v systému DVB-T2 zavedly další hodnoty poměru ochranného intervalu k užitečné části symbolu OFDM: 1/128, 19/256 a 19/128. Lze je použít pouze při módech FFT 8K, 16K a 32K. Hodnoty 19/256 a 19/128 se používají tehdy, kdy je potřebné dosáhnout máximální ochranný interval a zároveň splnit Dopplerova obmezení.
  
  Protože délka trvání užitečné části symbolu OFDM je v porovnáni se systémem DVB-T delší, jsou v absolutní hodnotě obvykle delší i ochranné intervaly. To má zásadní vliv na možnou velikost sítí SFN. Např. při šířce kanálu 8 MHz je v systému DVB-T teoreticky maximální možná vzdálenost mezi vysílači 67,2 km (mód FFT 8K, poměr ochranného intervalu 1/4), zatím co v systému DVB-T2 je tato vzdálenost až 159,6 km (mód FFT 32K, poměr ochranného intervalu 19/128), co představuje nárost o 137,5 %
  
  
• PLP (Physical Layer Pipe)
  PLP lze definovat jako kanál fyzické vrstvy s časově děleným multiplexem (TDM), který je vysílán v radiovém kanálu pomocí specifické skupiny po sobě jdoucích buněk OFDM. PLP jsou toky na výstupu vstupního preprocesoru, který rozděluje vstupné toky jednotlivých služeb do logických datových toků. Dle dílčích potřeb poskytovatelů služeb lze pro každou PLP vyhradit vlastní kapacitu nebo časový interval a přiřadit jí vlastní robustnost. Kromě toho lze každé PLP samostatně přiřadit vlastní konstelaci, kódový poměr a hloubku časového prokládání. Podle počtu vstupních PLP jsou definovány dva základní vstupní módy:
  
  
  • Vstupní mód A – nejjednodušší mód, který lze považovat za přímé rozšíření systému DVB-T – používá jenom jednu PLP, přičemž stejná robustnost je aplikována na celý přenášený obsah.
  • Vstupní mód B – pokročilejší mód, který používá vícero PLP. Kromě výhody přiřazení specifické robustnosti každé ze služeb tento mód nabízí větší hloubku časového prokládání a možnost šetření baterií v přijímači (má význam především při přenosném nebo mobilním příjmu).
  • Princip redukce poměru špičkového a středního výkonu
  
  
  V systémech OFDM může vysoký poměr špičkového a středního výkonu (PAPR – Peak-to-Average Power Ratio) značně snížit účinnost koncových vf zesilovačů, t j. poměr výstupného výkonu a výkonu odebíraného ze zdroje. Systém DVB-T2 podporuje dvě technologie redukce PAPR:
  
  
  • Rozšíření aktivní konstelace (ACE – Active Constellation Extension) – redukuje PAPR pomocí přidání vnějších bodů v kmitočtové oblasti. Technologii ACE však nelze použít v případe, že konstelační diagram je pootočený.
  • Rezervace tónu (TR – Tone Reservation) – redukuje PAPR pomocí přímého ořezání špiček signálu v časové oblasti.

Obě technologie jsou vzájemně komplementární – ACE doplňuje TR v nižších modulačních úrovních a TR doplňuje ACE ve vyšších modulačních úrovních. Praktické implementace těchto technologií ukázaly, že lze dosáhnout redukci PAPR až o 2 dB (při MER = 35 dB). Kromě výše uvedeným hlavních rozdílů se systém DVB-T2 odlišuje od systému DVB-T i:

• inicializačními symboly rámce DVB-T2 (P1 a P2),
• pozicemi pilotních signálů,
• časovým, bitovým, buňkovým a kmitočtovým prokládáním
• rámcemi určenými pro rozšíření v budoucnosti.

Přínos DVB-T2 lze proto shrnout takto:

• DVB-T2 díky vyšší protichybové ochraně (LCPC/BCH) umožňuje použít modulační mód 256-QAM, umožňující přenos 8-bitových symbolů, a tedy zvyšující celkovou přenosovou kapacitu systému.
• Zatímco kódování (protichybová ochrana) CC+RS používaná u DVB-T vede na konstantní a velké rozptýlení pomocné nosné (8 % z celkového počtu nosních kmitočtů multiplexu OFDM), LDPC/BCH, u DVB-T2 může mít pro synchronizaci až 8 různých „vzorců pilotní nosné“ - některé s rozptylem výrazně nižším, tj. jen 0.2 - 0.3 % - viz srovnávací tabulku DVB-T/DVB-T2 níže).
• Zatímco DVB-T používá na evropském kontinentě pro zpracování signálu při přetváření na pomocné nosné pomocí FFT (Fast Fourier Trasformation, rychlá Fourierova transformace) jen mód 8k, v Britanii u prvních multiplexů ještě 2k, DVB-T2 umožňuje módů FFT pomocných nosných více – krom 2k a 8k také 1k, 4k, 16k i 32k
• DVB-T2 umožňuje budováni podstatně větších sítí SFN, co přispívá k efektivnějšímu využívaní kmitočtového spektra,
• snad nejzásadnějším přínosem systému DVB-T2 je zvýšení přenosové rychlosti na maximálně 50,34 Mbit/s, resp. snížení požadavků na odstup signálu k šumu při zachování stejné přenosové rychlosti, t.j. zvýšení robustnosti systému
• systém DVB-T2 má také zlepšené vlastnosti z hlediska mobilního příjmu.

Srovnávací tabulka DVB-T/DVB-T2
(červeně jsou uvedeny ty veličiny, jimiž se DVB-T2 odlišuje od DVB-T)

	DVB-T	DVB-T2
Protichybové zabezpečení (dopředná korekce chyb - FEC) - Použitý algoritmus - kódový poměr FEC	Viterbi + Reed-Solomon 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8	LPDC + BCH 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Modulační módy	QPSK, 16-QAM, 64-QAM	@PSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM
Ochranný interval * (Guard Interval - GI)	1/4, 1/8, 1/16, 1/32	1/4, 19/128, 1/8, 19/256, 1/16, 1/32, 1/128
Mód FFT (počet nosných)	2k, 8k	1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k
Rozptýlené referenční (pilotní) nosné	8 % z celkového počtu nosných kmitočtů	1 %, 2 %, 4 %, 8% z celkového počtu nosných kmitočtů
Kontinuální referenční nosné	2.6% z celkového počtu nosných kmitočtů	0.35% z celkového počtu nosných kmitočtů

* relativní poměr vůči užitečné části symbolu OFDM

Autorem článku je Vladimír Kebrle, redaktor rubriky Zahraniční vysílání serveru DigitálníTelevize.cz. Recenze článku Ing. Juraj Oravec