I quaderni di. Televisione digitale terrestre, satellitare: in queste pagine parliamo di standard. Lo standard

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1 I quaderni di Nuove piattaforme di diffusione terrestre e satellitare dellatv digitale: gli standard DVB-T2 e DVB-S2 Televisione digitale terrestre, satellitare: in queste pagine parliamo di standard. Lo standard televisivo secondo Wikipedia è necessario affinché i provider televisivi e gli utenti televisivi abbiano un medesimo linguaggio di comunicazione e possano quindi comunicare; in tal modo il provider televisivo è in grado di fornire la televisione e l'utente televisivo di riceverla. Gli standard televisivi non sono altro che delle specifiche tecniche che gli apparecchi televisivi del provider televisivo e quelli dell utente televisivo devono rispettare in modo da risultare interoperanti. Un sistema di codici che diventa sempre più sofisticato e quindi in grado di offrire a chi trasmette e a chi riceve sempre più servizi. In parole più semplici i nuovi standard sono in grado di assicurare prestazioni superiori rispetto a quelli in uso ed ormai consolidati da anni. Per comprendere al meglio l evoluzione delle tecnologie legate a questo tipo di trasmissioni è necessaria un po di storia che riporta agli anni 90, periodo in cui sono stati definiti gli standard DVB di riferimento per la diffusione terrestre e satellitare (rispettivamente il DVB-T ed il DVB-S). Lo sviluppo di piattaforme sempre più innovative per la radiodiffusione televisiva ha portato alla definizione delle tecnologie DVB di seconda generazione DVB-S2 e DVB-T2 che rappresentano le nuove piattaforme di tv digitale, rispettivamente per diffusione satellitare o terrestre verso terminali fissi. Una motivazione forte per le nuove piattaforme di diffusione è senz altro la televisione ad alta definizione, nel caso terrestre una motivazione importante può considerarsi la redistribuzione delle risorse frequenziali terrestri a favore di servizi differenti da quelli tipicamente televisivi. Con chiarezza in due sezioni, una dedicata all alta definizione digitale terrestre e l altra a quella satellitare, sono spiegati tutti i dettagli e le caratteristiche tecniche: le piattaforme di seconda generazione hanno complessità molto superiori rispetto ai precedenti sistemi DVB. È importante sottolineare che le tecnologie a radiofrequenza delle piattaforme di seconda generazione offrono, a parità di banda, più canalitv/servizi o canalitv a qualità più alta. Elementi di sicuro interesse per gli stakeholders del settore. SUPPLEMENTO AL NUMERO 256 MAGGIO 2008 DI

2 6 I N D I C E I perchè della nascita e i fattori per l affermazione DVB-T2 l alta definizione da digitale terrestre Tecnologia del DVB-T2, caratteristiche principali DVB-S2 l alta definizione da satellite Bibliografia Il quaderno di Telèma è stato realizzato dalla Fondazione Ugo Bordoni. Presidente il prof. Maurizio Dècina Direttore Generale il prof. Antonio Sassano Direttore delle Ricerche l ing. Mario Frullone Curatori del Quaderno: Curatori del Quaderno: Giuseppe Russo e Paolo Talone. SONO USCITI NEL 2007/2008: Cresce la multimodalità nella comunicazione Con la nomadicitá cambiano le abitudini Nuovi servizi richiedono una Banda Larga sempre più ampia La logistica apre le porte a nuovi business Verso le reti di nuova generazione: il ruolo di Ethernet Nuovi servizi a larga banda su Internet Segno di riconoscimento: la voce Elettromagnetismo tra scienza e comunicazione L importanza dello spettro radio per un mondo senza fili Società dell informazione e contenuti digitali: tutela dei diritti in un mondo che cambia Il mondo gestito da una rete di sensori invisibili Utente senza segreti informazione personalizzata MARZO APRILE MAGGIO GIUGNO LUGLIO/AGOSTO SETTEMBRE OTTOBRE NOVEMBRE DICEMBRE 2007/GENNAIO FEBBRAIO MARZO APRILE Iquadernidi

3 6 I PERCHÈ DELLA NASCITA E I FATTORI PER L AFFERMAZIONE I perchè della nascita e i fattori per l affermazione di Giuseppe Russo e Paolo Talone (in foto). Diversi paesi hanno dimostrato, nel recente passato, interesse allo sviluppo di standard di trasmissione per la televisione digitale in grado di assicurare prestazioni superiori rispetto a quelli in uso ed ormai consolidati da anni. Il compito è stato ancora una volta affidato al consorzio DVB (DigitalVideo Broadcasting), vanto della tecnologia europea, che ha definito in passato i sistemi di diffusione della televisione digitale più adottati nel mondo. In particolare, gli standard DVB di riferimento per la diffusione terrestre e satellitare sono rispettivamente il DVB-T ed il DVB-S i quali, essendo stati definiti negli anni 90, sono oggi identificati come sistemi DVB di prima generazione per distinguerli dai loro successori che verranno ora illustrati. Lo sviluppo di piattaforme innovative per la radiodiffusione televisiva ha rappresentato l obiettivo che, negli anni recenti, ha condotto il DVB a definire le tecnologie DVB di seconda generazione DVB- S2 e DVB-T2 che rappresentano le nuove piattaforme di tv digitale, rispettivamente per diffusione satellitare o terrestre verso terminali fissi. Le opportunità per definire le nuove piattaforme si sono presentate, come di consueto, quando la diminuzione dei costi dei microcircuiti, consentita dalla tecnologia del silicio, ha permesso di realizzare, anche per ricevitori domestici, soluzioni molto più complesse e fino ad oggi troppo costose da realizzare. Le nuove tecniche di demodulazione, pur restando nel solco delle precedenti, ne ottimizzano a fondo le potenzialità. In particolare è stato possibile introdurre algoritmi di correzione d errore particolarmente avanzati che forniscono un incremento di capacità di recupero tale da rendere possibile l impiego di modulazioni di ordine più elevato. Ad esempio la modulazione multiportante (COFDM), adottata dal Digitale Terrestre di prima generazione, aumenta ora il numero delle portanti e rende più complessa la modulazione di ogni portante. Il tutto accrescendo la capacità del canale del 30-50%. Il quadro è completato dall uso della codifica di sorgente MPEG-4 AdvancedVideo Coding [12], che dimezza il bitrate del programma a pari qualità. I risultati complessivi sono piattaforme di seconda generazione con complessità molto superiori rispetto ai precedenti sistemi DVB. Riassumendo, le tecnologie a radiofrequenza delle piattaforme di seconda generazione offrono, rispetto alle precedenti, un guadagno spendibile in due modi: Aumento dell efficienza spettrale; ovvero più bit-per-secondo/hz; in altri termini, a parità di banda, più canali TV/servizi o canali TV a qualità più alta. Aumento dell efficienza energetica; ovvero maggior copertura del territorio o antenne di ricezione più piccole a parità di siti trasmittenti e della loro potenza; oppure diminuzione della potenza dei siti a parità di copertura e antenne d utente. Nella Figura 1 è illustrato un esempio della situazione nel caso dello standard di seconda generazione DVB-S2 [6] per la diffusione satellitare in cui il guadagno può consistere nel 25% in più di capacità trasmissiva o in 2 db aggiuntivi di rapporto segnale/rumore rispetto alle prestazioni assicurate dal precedente DVB-S. Nei casi concretamente previsti, tuttavia, si vedrà che l efficienza spettrale aumenta dal 30% ad un (teorico) 50%. Le motivazioni della scelta sul come spendere il guadagno, fanno generalmente riferimento alla spinta concorrenziale provocata dalle esigenze di mercato che spingono verso più canali o canali ad alta definizione (HDTV). Le nuove piattaforme per diffusione verso terminali fissi (terrestre e satellitare) sembrano pertanto volte essenzialmente all aumento dell efficienza spettrale a parità di banda occupata e di impianti tra- MAGGIO

4 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 Figura 1. Guadagno del DVB-S2 rispetto al DVB-S in termini di efficienza spettrale e/o rapporto segnale/rumore. smissivi. In altri termini la motivazione forte per le nuove piattaforme di diffusione sarebbe: televisione ad alta definizione al posto di quella a qualità standard a parità di risorse frequenziali e (quasi) parità di programmi, oppure restando nel campo della qualità standard, più del doppio di canali SDTV a parità di banda. Nel caso terrestre, quest ultima motivazione dovrebbe far risuonare le corde di tutti gli attori della filiera televisiva, in tempi di redistribuzione delle risorse frequenziali terrestri a favore di servizi differenti dalla televisione. Per il lancio di servizi di diffusione televisiva ad alta definizione, che avverrà in maniera significativa nei prossimi anni, non è però sufficiente l aumento di efficienza spettrale della piattaforma di diffusione impiegata. Le nuove piattaforme di diffusione, sono infatti anche i driver per l introduzione del nuovo standard per la codifica di sorgente: l MPEG-4 AVC / H.264. Questo, da solo, quasi raddoppia l efficienza di codifica e pertanto migliora l efficienza complessiva (capacità di trasporto di informazioni a parità di banda) più dell adozione delle nuove tecniche di modulazione nelle piattaforme diffusive. Naturalmente nulla vieta l impiego della nuova codifica di sorgente con le vecchie piattaforme DVB-T e DVB-S, ma proprio perchè le nuove codifiche richiedono il rinnovo del parco di IRD (Integrated Receiver Decoder, ovvero i ricevitori d utente), è necessaria una motivazione forte per vincere la ritrosia degli Attori all adozione della tecnologia più efficiente ma incompatibile con gli apparati già commercializzati. La motivazione probabilmente sarà il nuovo servizio HDTV che, privo di una codifica efficiente, occuperebbe una banda troppo larga per una diffusione commerciale. Figura 2. Caratteristiche di robustezza in funzione del tipo di servizio. 52 Iquadernidi

5 6 I PERCHÈ DELLA NASCITA E I FATTORI PER L AFFERMAZIONE Inoltre l adozione di piattaforme di seconda generazione, costringendo comunque a cambiare gli IRD esistenti, sarà la spinta definitiva per lasciarsi alle spalle tutte le vecchie tecnologie, non solo per HDTV ma anche per la televisione a qualità standard (SDTV). Peraltro, a prescindere dalla qualità delle immagini, le nuove piattaforme di diffusione televisiva per terminali mobili (DVB-H e DMB, come pure DVB-SH, MBMS), che offrono qualità inferiori a quella della DTV, hanno adottato le nuove codifiche di sorgente. Ulteriore funzionalità comune alle nuove piattaforme è la possibilità di assegnare caratteristiche di protezione ed efficienza spettrale differenti a ciascun servizio trasportato. In entrambi gli standard (DVB- S2 e DVB-T2) infatti è possibile (con tecniche differenti) suddividere un MUX-statistico nei singoli programmi ed ottenere su ciascuno (o su gruppi) protezione / efficienza spettrale differenziate, come schematicamente illustrato nella Figura 2. Dopo questo paragrafo iniziale dedicato a considerazioni generali sulle caratteristiche comuni ai due standard e sulle problematiche relative alla loro introduzione, si descrivono le principali caratteristiche tecniche di entrambi. DVB-T2 l alta definizione da digitale terrestre LA STORIA IN BREVE Nel 2006 è nato, in ambito DVB, un gruppo di lavoro TM-T2 focalizzato sugli obiettivi di definire una nuova piattaforma per la televisione digitale terrestre. Dopo l approvazione di un documento di specifica dei requisiti richiesti al futuro standard, nei primi mesi del 2007 è stata lanciata una richiesta di proposte tecniche volte al soddisfacimento di detti requisiti. Conclusasi a giugno 2007 l acquisizione di tali proposte, è poi iniziata la fase di test e selezione delle stesse che dovrebbe portare entro il 2008 alla stabilizzazione dello standard. Successivamente dovrebbero iniziare i primi test in laboratorio e sul campo. Il progetto di microcircuiti commerciali a basso costo per i ricevitori, già iniziata al momento delle prime bozze stabilizzate dello standard, dovrebbe concludersi contemporaneamente alle sperimentazioni, per consentire poi la loro commercializzazione e la produzione degli IRD domestici. Al lavoro di definizione in DVB hanno partecipato attivamente circa 70 persone appartenenti a più di 40 aziende. Nella Figura 3 sono riportati gli ultimi anni del diagramma temporale adottato dal gruppo di lavoro TM-T2 (che, nella versione originale, copre il periodo dal 2006 al 2010).Vengono evidenziati la prevista stabilizzazione dello standard e lo sviluppo delle relative implementazioni. Il DVB-T2 è quindi lo standard di seconda generazione per la televisione digitale terrestre. REQUISITI E MODELLO ARCHITETTURALE I principali requisiti tecnici dello standard derivati da considerazioni più strettamente commerciali comprendono i seguenti: utilizzo degli impianti d antenna domestici esistenti e dell infrastruttura di trasmettitori esistente; incremento di almeno il 30 % della capacità trasmissiva rispetto al DVB-T, pur con gli stessi vincoli di occupazione spettrale; prestazioni superiori per SFN (Single Frequency Network) meccanismi per fornire caratteristiche di robustezza in funzione del tipo di servizio; flessibilità relativamente a frequenze operative e larghezza di banda; meccanismi per ridurre il rapporto tra potenza di picco e media. MAGGIO

6 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 Sul lato trasmissione i sottosistemi sono: Figura 3. Previsione di evoluzione temporale della tecnologia DVB-T2 [2]. Per quanto concerne il modello architetturale, il sistema DVB-T2 si può logicamente dividere in tre sottosistemi (SS1, SS2, SS3) dal lato trasmissione e due sottosistemi (SS4 ed SS5) dal lato ricezione. Per quanto concerne le interfacce, se ne possono identificare due lato trasmissione (Interfaccia A TS ed Interfaccia B T2S) ed una (interna) lato ricezione. L interfaccia su cui transitano segnali a radiofrequenza (Interfaccia C DVB-T2) è quella tra il lato trasmissione e quello ricezione. SOTTOSISTEMA SS1: MULTIPLEX STATISTICO (GENERATORE DI TS) Il sottosistema comprende la generazione di Trasport Stream MPEG-2, che come in tutti gli standard DVB associa, per la trasmissione, le diverse componenti (stream elementari audio, video codificati e dati) dei differenti programmi televisivi incorporando la necessaria segnalazione associata (PSI/SI ed il resto della segnalazione di livello 2).Tipicamente i codificatori video ed audio producono un bitrate variabile che è controllato dal multiplex statistico in modo che la loro aggregazione produca un flusso in uscita a bitrate costante. Il sottosistema SS1 si interfaccia a quello SS2 attraverso l interfaccia A TS (tipicamente Trasport Stream MPEG-2 su interfaccia fisica ASI Asynchronous Serial Interface) SOTTOSISTEMA SS2: GATEWAY DVB-T2 Il cosiddetto Gateway DVB-T2 (sottosistema SS2) è un blocco funzionale opzionale che viene impiegato quando sia previsto l uso di più PLP (Phisical Layer Pipe) (cfr. 3.3). Questi sono utilizzati quando è richiesta una diversa protezione per differenti servizi. In caso contrario il Blocco SS3 è connesso direttamente all SS1 ed il sistema si presenta funzionalmente analogo al DVB-T, con la differenza, però delle opzioni avanzate di FEC e modulazione. Figura 4. Schema funzionale dell architettura di riferimento del DVB-T2 (nel caso di flusso in banda base di tipo MPEG2-TS). 54 Iquadernidi

7 6 DVB-T2 L ALTA DEFINIZIONE DA DIGITALE TERRESTRE SOTTOSISTEMA SS3: MODULATORE DVB-T2 Il sottosistema può venire connesso a monte con due modalità: direttamente ad SS1 attraverso l interfaccia A ad SS2 (come indicato in Figura 4) attraverso l interfaccia B Nel primo caso il modulatore incorpora tutte le funzioni descritte nel livello fisico del DVB-T2; nel secondo caso (uso del flusso T2S) alcune funzionalità sono spostate nell SS2 ed al modulatore DVB-T2 compete solamente la creazione del segnale a radiofrequenza con la struttura di trama già determinata da SS2. Il flussot2s infatti trasporta le trame in banda base e la relativa segnalazione. Il sottosistema SS3 interfaccia quello SS4 attraverso l interfaccia C- DVB-T2 (il segnale DVB-T2 trasmesso a RF). Sul lato ricezione i sottosistemi sono: SOTTOSISTEMA SS4: DEMODULATORE DVB-T2 Il sottosistema riceve un segnale a radiofrequenza (o più nel caso SFN) e produce in uscita uno stream di servizio ed uno stream di segnalazione. Il sottosistema SS4 interfaccia quello SS5 attraverso l interfaccia D (non illustrata in Figura 4). Quando non viene usato SS2, gli stream che passano sull interfaccia B sono identici a quelli che passano sull interfaccia D. SOTTOSISTEMA SS5: STREAM DECODER Il sottosistema riceve uno stream di servizio ed uno stream di segnalazione, produce in uscita i servizi (composti da audio, video e dati). Tecnologia del DVB-T2, caratteristiche principali Definiti gli aspetti architetturali ed i requisiti di sistema, rimangono da illustrare le opzioni avanzate (ad esempio FEC e modulazione) che consentono la maggior efficienza spettrale e flessibilità del DVB-T2. FLUSSI DATI IN INGRESSO Una nota preliminare riguarda i flussi di dati in ingresso al modulatore DVB-T2. Come nei più recenti standard DVB quali DVB-S2 [6], il sistema è progettato per adattarsi a qualunque formato dei flussi di dati in ingresso, primi tra tutti i tradizionali flussi MPEG Transport Stream (TS), singoli o multipli, ma anche IP e ATM, attraverso flussi generici GSE (Generic Stream Encapsulation) singoli o multipli, a pacchetti o continui. Questo fa si che l eventuale futura definizione di altri formati, possa essere recepita senza modifiche al sistema. BBFRAME E FEC Uno dei requisiti principali di DVB-T2 è quello di garantire un elevato grado di compatibilità con il nuovo standard satellitare DVB-S2 [6]. Ciò fa riferimento ad uno dei principi generali del consorzio DVB che è quello di produrre una famiglia di standard tecnologicamente coerenti (ove possibile), sia evitando di re-inventare soluzioni già definite in altri standard della famiglia, sia semplificando l operazione di migrazione dei contenuti (transcodifica di canale) da una piattaforma ad un altra. Contenuti che, peraltro, sono previsti formattati in modo uniforme (generalmente MPEG2TS e/o DVB GSE) in tutte le piattaforme DVB. In linea con tali considerazioni, lo standard DVB-T2 ha previsto, pur con opportune estensioni per migliorarne l efficienza, meccanismi compatibili con quelli già definiti nello standard DVB-S2 sia per l elaborazione dei dati in ingresso, sia per le tecniche di correzione d errore (FEC Forward Error Correction) [6]. In particolare, si tratta rispettivamente di: impacchettamento dei flussi in ingresso in trame di banda base. Con questa tecnica i dati vengono allineati a formare delle trame di banda-base (Base Band Frames BBFRAME), eventualmente previo completamento con bit di riempimento. Si opera inoltre una prima operazione di scrambling che di- MAGGIO

8 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 Figura 5. Trama di banda base e codifica FEC [2]. stribuisce uniformemente i simboli binari nel BBFRAME, evitando la presenza di sequenze critiche per la successiva codifica FEC. Questa struttura e la relativa intestazione sono le medesime del sistema S2 e sono generate con lo stesso meccanismo di soppressione dei pacchetti nulli e sincronizzazione del flusso. Si ricorda che, come detto in precedenza, una trama T2S contiene un numero intero di BBFRAME e la relativa segnalazione (ovvero: tipo di costellazione, parametri di FEC e profondità dell interleaving temporale). utilizzo di codici correttori d errore LDPC (Low Density Parity Check) [5] seguiti da codici BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem). Nella Figura 5 è riportata la struttura di una BBFRA- ME, che rappresenta l unità dati elementare sottoposta a FEC di tipo LDPC/BCH. Il codice BCH (di dimensione ridotta) viene applicato a valle della codifica LDPC per correggere gli eventuali errori residui. La trama denominata FEC frame, strutturata come riportato in Figura 5, è l unità dati fondamentale trattata dallo standard. La sua lunghezza è fissa ed è generalmente pari bit; tuttavia è anche prevista, in alternativa, una lunghezza di bit (le stesse del DVB-S2) che risulta conveniente per servizi dati a bassa velocità. Per ottenere la FEC frame si applica alla BBFRA- ME la correzione d errore FEC; si adotta una tecnica concatenata, con un codice esterno di tipo BCH ed un codice interno di tipo LDPC. I rapporti pre/post FEC del codice LDPC ammessi sono sei: 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, da scegliersi congiuntamente allo schema di modulazione in base alle condizioni di trasmissione del segnale. La sola introduzione del meccanismo di codifica LDPC/BCH in sostituzione di quello basato sui codici convoluzionali e Reed Solomon previsto nello standard DVB-T, fornisce un guadagno fino a 5 db con tassi d errore pari a 10-4, tale guadagno può essere tradotto in un incremento di capacità (tipicamente del 30%) mediante l adozione di modulazioni di ordine superiore. PHYSICAL LAYER PIPES Lo strato fisico dello standard DVB-T2 permette una codifica personalizzata (in termini di Modulazione / FEC / Interleaving) per ciascun servizio o gruppi di servizi. Ciò avviene attraverso l uso di un certo numero (dipendete dalla dimensione della FFT, max 256) di Physical Layer Pipes (PLP) cioè flussi di livello fisico distinti e trasparenti ai dati d ingresso ciascuno con specifici parametri di FEC e modulazione. Ciascun PLP è costituito da slice che si ripetono ciclicamente in una struttura di trame tempo-frequenza come riportato in Figura 6. Lo standard prevede che ciascun PLP sia caratterizzato da specifiche caratteristiche di Modulazione/ FEC/Interleaving ed in particolare: Costellazione (QPSK, 16QAM, 64QAM o 256QAM) Rapporto di FEC (1/2, 3/5, 2/3,?, 4/5, 5/6) Profondità dell interleaving temporale I parametri di FEC e modulazione tipici di un PLP possono essere convenientemente determinati sulla base dei requisiti di banda ma soprattutto di robustezza agli errori trasmissivi propri del servizio trasportato nel PLP medesimo. Questi a loro volta dipendono dalla tipologia del terminale ricevente e dall ambiente operativo dello stesso (fisso, trasportabile, mobile). 56 Iquadernidi

9 6 TECNOLOGIA DEL DVB-T2, C ARATTERISTICHE PRINCIPALI La struttura di trasmissione che prevede una molteplicità di PLP consente anche una gestione efficiente della potenza del ricevitore in quanto il decoder necessità di essere attivo solamente durante la trasmissione dei simboli che convogliano l informazione (PLP) richiesta. Inoltre i dati comuni a tutti i PLP sono trasportati in un cosiddetto common PLP che è situato all inizio di ciascun frame.tali dati comuni comprendono le tabelle PSI/SI (Program Service Information/Service Information) che convogliano, ad esempio, le informazioni per l EPG (Electronic Program Guide) dell intero multiplex trasmesso. Da ciò consegue che per decodificare un singolo servizio un ricevitore deve essere in grado di leggere contemporaneamente le informazioni relative al common PLP ed al PLP che trasporta il servizio prescelto. Il caso più semplice di applicazione dello standard DVB-T2 è quello che corrisponde ad avere: un unico PLP su un unico canale a radiofrequenza (ad esempio un unicots non suddiviso in differenti PLP). Questa modalità operativa, che si presuppone sia quella delle prime implementazioni dello standard, si configura come una estensione diretta dello standard DVB-T. Tuttavia lo standard prevede modalità operative più complesse nelle quali un sistema DVB-T2 è in grado di trasmettere, contemporaneamente, in diversità di frequenza su canali RF distinti. In particolare è prevista la trasmissione di: un unico PLP su differenti canali RF; più PLP su differenti canali RF. Tali modalità, basate sulla possibilità di suddividere o assegnare i dati in ingresso a PLP distinti ciascuno avente specifici parametri di Modulazione/FEC/Interleaving, si dimostrano convenienti in particolari circostanze applicative. Ovviamente in aggiunta a ciò deve essere prevista una segnalazione addizionale, per comunicare la modalità operativa utilizzata. A tal fine, le informazioni PSI/SI definite nel Transport Stream di MPEG-2 necessitano di essere opportunamente estese. SOMMARIO DELLE CARATTERISTICHE L elenco seguente costituisce un riassunto delle caratteristiche dello standard DVB-T2: Codici FEC di tipo LDPC (Rates:?,3/5,2/3,?,4/5,5/6) identici a quelli utilizzati dallo standard DVB-S2. Compatibilità con lo standard DVB-S2 a livello di system layer (Baseband Frames). Modulazione GI-OFDM classica (come nel DVB-T). Dimensioni possibili della FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K. Dimensioni possibili degli intervalli di guardia (Guard Interval GI): 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 5/32,?. 8 possibili configurazioni di dispersione di celle pilota (Scattered Pilot). Segnali pilota continui per l eliminazione dell errore di fase comune. Interleaving temporale nello strato fisico per incrementare la robustezza agli errori. Time slicing nello strato fisico Differenti PLP (Physical Layer Pipe) possono avere differenti livelli di robustezza. Consente risparmio energetico Portanti Trama Tempo-frequenza Simboli Figura 6. Struttura tempo-frequenza dei PLP; ciascuna slice che compone i PLP è contraddistinta da un colore diverso; viene anche evidenziata la ripetizione ciclica dei blocchi tempo-frequenza.

10 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 Figura 7. Confronto tra multiplex DVB-T e DVB-T2. Simbolo P1 per sincronizzazione di trama e per rivelazione rapida del segnale DVB-T2. Simboli P2 con dati che descrivono la struttura della trama e informazioni di tipo PSI/SI Quattro livelli principali di interleaving Bit Cella Tempo Frequenza. Impiego di costellazioni di modulazione ruotate sugli assi per una identificazione univoca e più robusta dei punti delle costellazioni medesime. Supporto sistemi MISO (Multiple Input Single Output) (trasmissione in diversità basata sull algoritmo di Alamouti) Riduzione del rapporto tra potenza di picco e potenza media attraverso tecniche tone reservation e constellation distortion Future Expansion Frames Elementi di segnalazione per il supporto di implementazioni future di tipotime Frequency Slicing Segnalazione (a basso livello di potenza) per l identificazione del trasmettitore. CONCLUSIONI Dalle specifiche DVB-T2 illustrate in precedenza emergono una serie di considerazioni di carattere generale.tali aspetti sembrano costituire i punti chiave che determineranno nel prossimo futuro il possibile successo dello standard. Si può prevedere che una sua rapida introduzione e diffusione lo possano condurre, in un tempo ragionevole, a soppiantare l attuale DVB-T diventando il riferimento per la diffusione di servizi televisivi, anche HDTV, su reti terrestri. Si tratta di un ottimo standard che richiede però uno sviluppo completamente nuovo di tutta l elettronica per la codifica di sorgente e di canale, pertanto sarà necessaria la sostituzione degli IRD domestici. Sembra trattarsi di uno standard stabile (con improbabili evoluzioni a tempi brevi) perché l efficienza spettrale è prossima al limite teorico (Shannon). L impegno per la sostituzione degli IRD, sarà quindi compensato da una loro lunga durata nel tempo. I siti di trasmissione e gli impianti d antenna domestici non dovrebbero richiedere modifiche (qualche riserva per l opzione banda estesa ). Un fattore interessante è dato dalla flessibilità dello standard, sia in termini di varietà dei dati in ingresso (non limitati al TS) sia per la possibilità di rendere più robusta la trasmissione di servizi/programmi di particolare interesse o destinati ad un utenza in condizioni critiche di ricezione. Lo standard rappresenta il driver per l introduzione dei servizi HDTV. L impiego dello standard 58 Iquadernidi

11 6 TECNOLOGIA DEL DVB-T2, C ARATTERISTICHE PRINCIPALI DVB-T2 congiuntamente a codifiche video di ultima generazione (MPEG-4 AVC) consente di ottenere un guadagno di capacità trasmissiva utilizzabile per introdurre servizi HDTV quasi a costo nullo in termini di occupazione di banda. La Figura 7 illustra le capacità di un multiplex DVB- T2 paragonata con multiplex DVB-T. DVB-S2 l alta definizione da satellite OBIETTIVI E CARATTERISTICHE Nel corso del 2003 il consorzio Europeo DVB (DigitalVideo Broadcasting) ha sviluppato il sistema di seconda generazione (rispetto al DVB-S, definito dieci anni prima) per la trasmissione satellitare, denominato DVB-S2. Gli obiettivi principali nella definizione dello Standard DVB-S2 sono stati i seguenti: maggiore capacità trasmissiva rispetto ai sistemi di prima generazione ed in particolare al DVB-S, totale flessibilità nei riguardi dei dati e dei formati, ragionevole complessità del ricevitore. Per raggiungere un bilanciamento ottimale tra prestazioni e complessità, il DVB-S2 si avvale dei più recenti sviluppi nelle tecniche di codifica di canale e di modulazione. In particolare, rispetto al DVB-S le principali innovazioni riguardano: l uso di modulazioni di tipo 8PSK, 16APSK, 32APSK oltre a quella QPSK; correzione d errore FEC con un codice esterno di tipo BCH ed un codice interno di tipo LDPC (come il DVB-T2).Tecnica rivelatasi più efficiente rispetto a quelle basate su turbocodici, proposte in alternativa durante la standardizzazione. modalità di codifica e modulazione adattativa ACM (Adaptive Coding & Modulation), con la quale è possibile variare il rapporto di codifica FEC e le caratteristiche di modulazione adattandosi alle variazioni delle caratteristiche di ricezione. L adozione nel DVB-S2 di queste tecniche innovative, che saranno brevemente descritte nel seguito, garantisce un aumento della capacità trasmissiva dell ordine del 30% rispetto al DVB-S nelle stesse condizioni di trasmissione, cioè in modalità CCM (Constant Coding & Modulation, letteralmente Modulazione e Codifica Costanti), ossia con parametri di trasmissione fissi e con l impiego di costellazioni compatibili con i trasponder satellitari esistenti (al massimo 8 PSK). Ulteriori guadagni si otterrebbero con l impiego delle costellazioni 16APSK, 32APSK al costo, però, del rinnovo dei trasponder satellitari. Sempre con l uso dei trasponder esistenti, operando in modalità ACM il DVB-S2 è in grado di ottenere guadagni di banda fino a giungere a fattori del 50 % rispetto al DVB-S. Si sottolinea tuttavia che in tal caso i guadagni sono da considerarsi in senso statistico in quanto dovuti alla variabilità delle caratteristiche di trasmissione del sistema. Questa modalità di funzionamento, congiuntamente alla capacità di trattare qualunque formato di flusso di dati in ingresso fa sì che il sistema DVB-S2 sia particolarmente adatto alla trasmissione di servizi dati unicast (di tipo IP). Il DVB-S2 è inoltre in grado supportare: tutti i tipi di transponder satellitari esistenti, grazie all ampia varietà di efficienze spettrali e rapporti segnale/rumore che è in grado di assicurare; naturalmente al rinnovo dei satelliti sarà possibile adoperare le modulazioni più efficienti (16APSK e 32APSK) oggi riservate ad impieghi professionali, con ulteriore rilevante incremento di efficienza. qualunque formato di flusso di dati in ingresso, compresi flussi digitali MPEG Transport Stream (TS), singoli o multipli, IP e ATM, o qualsivoglia al- MAGGIO

12 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 Figura 8. DVB-S e DVB-S2 impiego del guadagno in capacità. tro formato eventualmente definito in futuro (GSE - Generic Stream Encapsulation); differenti formati audio-video e dati, dall MPEG- 2 attualmente utilizzato per la TV a risoluzione standard (SDTV), all H.264/AVC previsto per la TV ad alta risoluzione (HDTV). Il sistema DVB-S2 infine è strutturato come una scatola di attrezzi ( Tool-Kit ), cioè come un insieme di tecniche che permettono di coprire tutte le aree applicative, realizzabili in singlechip con complessità ragionevole. SCHEMA FUNZIONALE DEL SISTEMA DVB-S2 Lo schema a blocchi di un sistema DVB-S2 è riportato in Figura 9. Con riferimento a tale figura si descrivono brevemente le funzionalità di ciascun blocco di elaborazione. Come già detto per il DVB-T2, il sistema DVB-S2 è progettato per adattarsi a qualunque formato dei flussi di dati in ingresso; il blocco denominato Adattatore di Modo e di Flusso è quindi influenzato dall applicazione che utilizza il sistema per la trasmissione dei propri dati operando le seguenti funzioni: interfacciamento dei flussi in ingresso (uno o più); sincronizzazione dei dati al fine di generare bitrate e ritardo di trasmissione costanti nel caso in cui Input Streams pacchettizzati siano trasmessi in tecnica ACM (Adaptive Coding and Modulation); cancellazione dei pacchetti nulli del Transport Stream per una riduzione dei dati e una maggiore protezione dagli errori nel modulatore; codifica CRC (Cyclic Redundancy Check) CRC- 8 per rivelare la presenza di errori nel caso di Input Streams pacchettizzati; unione (Merger) e successiva suddivisione dei flussi (Slicer) in blocchi di bit (BBFRAME) per la codifica FEC con eventuale previo completamento mediante bit di riempimento e relativa aggiunta di una intestazione detta di banda-base (BBHEADER di 80 bit), contenente informazioni sul formato dei flussi in ingresso e sul tipo di adattatività utilizzato. I dati di ciascun blocco sono trasmessi in modo omogeneo cioè con lo stesso codice FEC e la stessa modulazione Si opera infine (Adattamento di flusso) una prima operazione di scrambling che distribuisce uniformemente i simboli binari nel BBFRAME, evitando la presenza di sequenze critiche per la successiva codifica FEC. Come FEC (Forward Error Correction); si adotta una tecnica concatenata, con un codice esterno di tipo BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem) ed un codice interno di tipo LDPC (Low Density Parity Check) [5]. I rapporti di codifica del codice LDPC ammessi sono dieci: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 e 9/10 da scegliersi congiuntamente allo schema di modulazione in base ai requisiti del sistema. In particolare i rapporti 1/4, 1/3 e 2/5 sono stati introdotti per operare in combinazione con lo schema di modulazione QPSK, per collegamenti di bassa qualità, dove il livello del segnale è al di sotto del livello di rumore [9]. I blocchi di codice FEC (FECFRAME), possono avere lunghezza (normal) o (short) bit. Si deve precisare che le prestazioni in funzione del rapporto C/N migliorano al crescere della lunghezza dei blocchi di codifica, ma aumenta anche il ritardo globale della catena trasmissiva. Quindi, per applicazioni non critiche per i ritardi (come ad esempio la diffusione di programmi), sono preferibili i blocchi lunghi, mentre per le applicazioni interattive un blocco più corto può essere più efficiente in quanto presenta una latenza inferiore. Nelle modalitàvcm o ACM, ogni trama FECFRA- ME può essere di lunghezza differente, la modulazione e il codice FEC possono variare per ogni trama FECFRAME e il segnale trasmesso può conte- 60 Iquadernidi

13 6 DVB-S2 L ALTA DEFINIZIONE DA SATELLITE nere una combinazione di trame normali o brevi. Infine, l interleaving sui bit viene effettuato per le trasmissioni con modulazione 8 PSK, 16, o 32APSK. Variando i tipi di modulazione e i codici FEC è possibile ottenere efficienze spettrali comprese tra 0,5 e 4,5 bit/s/hz. La scelta sarà determinata dalle caratteristiche dei trasponder satellitari e dai sistemi parabola/ird domestici utilizzati. Il MAPPING sulle costellazioni di modulazione fa riferimento alle modalità QPSK, 8PSK, 16APSK, o 32APSK, come illustrato in Figura 10. Tipicamente, per applicazioni broadcast si usano le costellazioni QPSK e 8PSK, poiché sono di fatto modulazioni ad inviluppo costante e possono essere usate sugli attuali transponder da satellite non lineari portati vicino alla saturazione. Le modalità 16APSK e 32APSK invece sono principalmente orientate ad applicazioni professionali; possono anche essere impiegate per il broadcasting, ma richiedono la disponibilità di un più elevato livello di C/N al ricevitore e l adozione di avanzati metodi di pre-distorsione nella stazione di up-link per attenuare gli effetti di non linearità del transponder. Sebbene non permettano efficienze di potenza analoghe agli schemi ad inviluppo costante, offrono però maggiore capacità trasmissiva [9]. Successivamente sono generate le trame di strato fisico (PLFRAME) in maniera sincrona con le FECFRAME, attraverso l inserzione delle intestazioni di livello fisico (PLHEADER) e dei simboli pilota opzionali (2,4 % di perdita di capacità, si usano per migliorare il funzionamento della tecnica ACM). In assenza di dati utili pronti per la trasmissione sono generati PLFRAME fittizi (Dummy Frame). I simboli sono inseriti in una struttura di strato fisico composta da una sequenza regolare di slot ciascuno composto da 90 simboli. Infine si opera un filtraggio in banda base per modellare lo spettro del segnale e successivamente la modulazione in quadratura per generare il segnale RF. LIVELLI DI TRAMA Il DVB-S2 presenta due livelli di trama: livello fisico (PL, Physical Layer), che trasporta pochi bit di segnalazione molto protetti; livello di banda base (BB, BaseBand), che trasporta molti bit di segnalazione, per consentire la massima flessibilità di adattamento del segnale di ingresso. Il livello fisico del DVB-S2 consente al ricevitore di conoscere il tipo di modulazione ed i parametri di codifica prima della demodulazione e della decodifica FEC Figura 9. Schema a blocchi di un sistema DVB-S2. MAGGIO

14 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 garantendo la possibilità di sincronizzazione (recupero di portante e fase, sincronizzazione di trama) anche in condizioni di rapporto segnale/rumore molto critiche. Il livello fisico del DVB-S2 è composto da una sequenza regolare di trame denominate PLFRAME. Ciascuna trama di livello fisico è composta da: un intestazione (PLHEADER) contenente informazioni di sincronizzazione e segnalazione quali il tipo di modulazione ed il FEC rate, la lunghezza della trama, presenza/assenza di simboli pilota per facilitare la sincronizzazione. un payload di bit (FECFRAME normal) o di bit (FECFRAME short), generato dalla codifica FEC di tipo LDPC/BCH opportunamente prefissata; L intestazione è composta sempre da 90 simboli e il payload è composto sempre da multipli interi di 90 simboli. Il livello di banda base permette invece una segnalazione più completa della configurazione trasmissiva, con indicazione della molteplicità dei flussi d ingresso (singolo o multiplo), del tipo (GS, Generic Stream o TS, Transport Stream), e della modalità operativa (CCM o ACM). L intestazione della trama di banda base BBFRAME, può contenere molti bit di segnalazione (80), senza perdere efficienza trasmissiva grazie alla lunghezza dei blocchi di codifica, e neppure robustezza contro il rumore perchè protetta dal codice FEC LDPC/BCH. MODALITÀ OPERATIVE Il sistema DVB-S2 può operare con tre modalità differenti: CCM (Constant Coding & Modulation, letteralmente Modulazione e Codifica Costanti), ossia con parametri di trasmissione fissi. VCM (Variable Coding & Modulation) permette di variare lo schema di modulazione ed i livelli di protezione dagli errori ad ogni nuovo blocco elementare di codifica. Il livello fisico del DVB-S2 è composto da una sequenza regolare di trame, denomi- Figura 10. Le quattro possibili costellazioni di modulazione ammesse dallo standard DVB-S2 [9]. 62 Iquadernidi

15 6 DVB-S2 L ALTA DEFINIZIONE DA SATELLITE Figura 11. Confronto tra DVB-S e DVB-S2: modulazioni ed efficienza spettrale nate PLFRAME: all interno di una trama, lo schema di modulazione e codifica FEC è omogeneo, ma può variare in PLFRAME adiacenti consentendo di adattare temporalmente modulazione e codifica. ACM (Adaptive Coding & Modulation) permette di variare lo schema di modulazione ed i livelli di protezione dagli errori ad ogni nuovo blocco elementare di codifica, ottimizzando il sistema di trasmissione alle condizioni di ricezione d utente. Per informare il trasmettitore delle condizioni di ricezione del singolo utente, il sistema deve operare ad anello chiuso, utilizzando un canale di ritorno. CONCLUSIONI Come già riportato per il DVB-T2, si elencano una serie di considerazioni di carattere generale emergenti dall analisi delle specifiche DVB-S2 che sembrano costituire i punti chiave per il possibile successo dello standard nel prossimo futuro. Come per il DVB- T2 nei confronti del DVB-T si può prevedere che il DVB-S2 possa soppiantare l attuale DVB-S diventando lo standard di riferimento su reti satellitari. Si tratta di un ottimo standard già consolidato, con elettronica disponibile; non sussistono quindi fondati problemi per la produzione dei nuovi IRD domestici. Sembra trattarsi di uno standard stabile (con improbabili evoluzioni a tempi brevi) perché l efficienza spettrale è prossima al limite teorico (Shannon). La sostituzione degli IRD dovrebbe quindi essere compensata da una loro lunga durata nel tempo. Considerando che la maggioranza dei decoder per la ricezione via satellite sono in comodato d uso l introduzione dello standard DVB-S2 necessita investimenti da parte dei gestori delle piattaforme di diffusione, scongiurando però le lamentele da parte degli utenti per i costi del rinnovo degli apparati. I siti di trasmissione e gli impianti domestici di ricezione non dovrebbero richiedere modifiche mentre qualche cautela si avanza per i transponder satellitari. Non è garantito infatti che gli attuali transponder (36 MHz, banda Ku) possano operare sopra gli 8PSK. Tuttavia questa modalità presenta vantaggi più che sufficienti per l introduzione del DVB- S2. Il rinnovo dei satelliti permetterà l introduzione delle modulazioni 16APSK e 32APSK. Di rilievo è la flessibilità dello standard, sia in termini di varietà dei dati in ingresso (non limitati al TS) sia, sfruttando la modalità operativa ACM, per la possibilità di ottimizzare la trasmissione unicast di servizi IP (disponendo di un canale di ritorno per ogni utente). Insieme alle codifiche video di ultima generazione (MPEG-4 AVC) rappresenta il driver per l introduzione dei servizi HDTV (quasi a costo qua- MAGGIO

16 NUOVE PIATTAFORME DI DIFFUSIONE TERRESTRE E SATELLITARE DELLA TV DIGITALE: GLI STANDARD DVB-T2 E DVB-S2 Figura 12. Capacità per multiplex DVB-S2 e confronti con DVB-S si nullo in termini di occupazione di banda), come il DVB-T2. Ad oggi quasi tutti i (pochi) servizi HDTV satellitari sono effettuati in DVB-S2. In Figura 11 è riportato un grafico che illustra in termini di efficienza spettrale e rapporto segnale/rumore il guadagno dello standard DVB-S2 rispetto al DVB-S. Osservando che le prestazioni si collocano a distanza di 0.7 1dB dal limite di Shannon è probabile che non sia più necessario progettare nuovi sistemi per la diffusione via satellite. La Figura 12 illustra le capacità di un multiplex DVB-S2 paragonata con multiplex DVB-S. BIBLIOGRAFIA [1] DVB-T2 - the HDTV generation of terrestrial DTV DVB-TM-3997 marzo 2008 [2] Developing The DVB-T2 Specification presentazione a marzo 2008 [3] Commercial Requirement for DVB-T2 DVB Document A114 aprile 2007 [4] DVB-T2 Call for Technologies DVB Document SB 1644r1 aprile 2007 [5] R. Gallager: Low Density Parity Check Codes IRE Trans. on Info. Theory, January 1962 [6] ETSI TR V1.1.1 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB): User guidelines for the second generation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB- S2), scaricabile dal sito ETSI [7] S. M. Alamouti, A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communication, IEEE JSAC, vol. 16, Oct.1998, pp [8] Wei Zhang, Xiang-Gen Xia, Khaled Ben Letaief, Space-Time/Frequency Coding For Mimo-OFDM In Next Generation Broadband Wireless Systems, IEEE Wireless Communications, June 2007 [9]ETSI TR V1.1.1 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB): User guidelines for the second generation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB- S2), scaricabile dal sito ETSI. [10] Alberto Morello, Vittoria Mignone Il sistema DVB- S2 di seconda generazione per la trasmissione via satellite e Unicast, ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIO- NI N 3 DICEMBRE [11] Alberto Morello, Vittoria Mignone DVB-S2 ready for lift off, EBU TECHNICAL REVIEW October [12] ITU-T Recommendation and ISO International Standard of Joint Video Specification (ITU-T Rec. H.264 ISO/IEC AVC) Joint Video Team (JVT) of ISO/IEC MPEG & ITU-T VCEG (ISO/IEC JTC1/SC29/ WG11 and ITU-T SG16 Q.6). 64 Iquadernidi