Nuove piattaforme di diffusione dei media digitali DVB-T2 l alta definizione sul digitale terreste

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1 Nuove piattaforme di diffusione dei media digitali DVB-T2 l alta definizione sul digitale terreste Giuseppe Russo Paolo Talone Sommario: 1 I perchè della nascita La storia in breve Il modello architetturale Requisiti del DVB-T Tecnologia del DVB-T2, fondamenti e sommario delle caratteristiche Flussi dati in ingresso BBFRAME e FEC Sommario delle caratteristiche Dettaglio delle caratteristiche principali Modulazione COFDM Numero delle portanti Dimensioni degli intervalli di guardia Costellazione 256QAM Larghezza di banda estesa Dispersione in tempo e frequenza di configurazioni pilota Segnali pilota continui Physical Layer Pipes Preambolo della trama di livello fisico Stadi di interleaving (bit, cella, tempo e frequenza) Costellazioni ruotate Trasmissione in diversità Riduzione del rapporto tra picchi del segnale e potenza media Supporto di larghezze di banda 1,7 MHz e 10 MHz Altre caratteristiche Trame per estensioni future (FEF, Future Extension Frames) Time Frequency Slicing Transmitter identification Conclusioni Bibliografia

2 1 I perchè della nascita Diversi paesi europei hanno dimostrato, da alcuni anni, interesse allo sviluppo di uno standard di trasmissione per la televisione digitale terrestre in grado di assicurare prestazioni superiori rispetto all ormai consolidato DVB-T. L opportunità di definire la nuova piattaforma si è presentata, come di consueto, quando la diminuzione dei costi dei microcircuiti ha permesso di realizzare, anche per ricevitori domestici, tecniche di demodulazione che, pur restando nel solco delle modulazioni multiportante (COFDM), le sfruttano a fondo ed introducono tecniche nuove fino ad oggi troppo costose da realizzare. Questa seconda generazione di tecnologie offre, 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. Per le motivazioni della scelta, non si deve dimenticare la spinta concorrenziale dello standard di seconda generazione DVB-S2 [6] per la diffusione satellitare, in cui sembra si sia preferita l efficienza spettrale e con cui la capacità trasmissiva aumenta dal 30% ad un (teorico) 50% rispetto a quella assicurata dal precedente DVB-S. Le nuove piattaforme per diffusione verso terminali fissi (terrestre e satellitare) sembrano pertanto volte essenzialmente all aumento dell efficienza spettrale. 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 canali a parità di banda. Quest ultima motivazione, in tempi di redistribuzione delle risorse frequenziali terrestri a favore di servizi differenti dalla televisione, dovrebbe far risuonare le corde di tutti gli attori della filiera televisiva. 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 2

3 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. Inoltre l adozione 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 (DTV). 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. 2 La storia in breve Nel 2006 è nato, in ambito DVB, un gruppo di lavoro TM-T2 focalizzato sugli obiettivi di cui sopra. 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 in questi primi mesi del 2008 alla stabilizzazione dello standard. Alla fine del corrente anno dovrebbero iniziare i primi test in laboratorio e sul campo. Al lavoro hanno partecipato attivamente circa 70 persone appartenenti a più di 40 aziende. Nella Fig.1 è riportato un diagramma temporale che mostra la prevista evoluzione dello standard e delle relative implementazioni. Fig.1: Previsione di evoluzione temporale della tecnologia DVB-T2 [2]. Il DVB-T2 è quindi lo standard di seconda generazione per la televisione digitale terrestre. 3

4 3 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. Fig.2: Stack dei Procolli nell architettura di riferimento del DVB-T2 (nel caso di flusso in banda base di tipo MPEG2-TS). Fig.3: Schema funzionale dell architettura di riferimento del DVB-T2 (nel caso di flusso in banda base di tipo MPEG2-TS). 4

5 Sul lato trasmissione i sottosistemi sono: Sottosistema SS1: Multiplex statistico (generatore di TS) Il sottosistema comprende la generazione di Trasport Stream MPEG-2 e/o di generici Stream GSE (in Fig.2 e Fig.3 viene illustrato il caso di TS). Per i servizi televisivi il sottosistema comprende la codifica audio/video, la generazione della 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 l aggregazione di tutti i servizi (a loro volta composti da stream elementari audio, video e dati) produca un flusso in uscita a bitrate costante (escludendo i pacchetti NULL). 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 impiego di più PLP (Phisical Layer Pipe) distinti (cfr. 6.8). 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. Il Gateway DVB-T2 produce all interfaccia d uscita (T2S) una sequenza di trame T2S, ciascuna delle quali contenente un numero intero di trame in banda base (BBFRAME) (cfr. 5.2) con la segnalazione richiesta (ovvero: tipo di costellazione, parametri di FEC e profondità dell interleaving temporale) per creare una trama di livello fisico (PL-frame) nel modulatore DVB-T2 e trasmetterla con la tempistica necessaria per la sincronizzazione in una rete SFN. A questo scopo il sottosistema SS2 interfaccia quello SS3 attraverso l interfaccia B-T2S. Il sottosistema comprende funzionalità per il DVB-T2 quali Mode adaptation e Stream adaptation, ma può comprendere anche funzionalità di remultiplexing quali il ricampionamento dei PCR (Program Clock Reference definiti nel TS). 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 Fig.2 e Fig.3) 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 flusso T2S 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). 5

6 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 Fig.2 e Fig.3, in quanto interna ). 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). Altre caratteristiche: Distribuzione delle trame T2S ai trasmettitori Per assicurarsi che modulatori multipli (ognuno con un trasmettitore separato) in una rete a singola frequenza (SFN) generino trasmissioni identiche, è necessario che i contributi ai modulatori siano generati centralmente e distribuiti attraverso l interfaccia T2S. Come si e visto, il modulo SS2 Gateway DVB-T2 genera il flusso T2S ricevendo in ingresso il tradizionale Trasport Stream MPEG2. Un vantaggio nell uso delle trame T2S è quindi quello di poterle distribuire (tramite IP e/o satellite) a vari trasmettitori, ciascuno dei quali è messo in grado di generare, sulla base delle istruzione contenute nel T2S, un flusso di trame di livello fisico (PL-frame) DVB-T2 identico a quello generato dagli altri e di trasmetterlo in maniera sincrona in una SFN. Inserzione di servizi locali L uso del T2S consente l inserzione di servizi a diffusione locale in un flusso di contribuzione (T2S) distribuito a livello nazionale. L inserzione è possibile predisponendo delle trame fittizie in banda base (dummy frames) che riservino una banda prefissata nel flusso T2S distribuito. L inserzione avviene semplicemente sostituendo le trame fittizie con le trame che veicolano i contenuti locali. 4 Requisiti del DVB-T2 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. 6

7 Nella tabella che segue, tratta da [3] e [4], è riportato l elenco completo dei requisiti di tipo commerciale il cui soddisfacimento ha costituito l obiettivo alla base dei lavori del gruppo tecnico che ha prodotto lo standard DVB-T2. I numeri nella colonna di sinistra si riferiscono alla numerazione originale delle fonti. Requisiti Tipi di ricezione (1) Vincoli frequenziali (2) Capacità trasmissiva (3, 4) Trattamento dei flussi (5,18,19,20) Robustezza (6, 7,8,9,10) Velocità di adattamento (11, 12) Ri-uso infrastruttura DVB-T (9, 21) Costi (14,17) SFN (15, 16) Caratteristiche richieste alle specifiche DVB-T2 Ricezione fissa con possibilità di configurazioni (come DVB-T) per ricezioni portatili e mobili. Trasmissione entro i livelli di interferenza e le maschere spettrali definite in GE06 Agreement, Geneva 2006 e senza ulteriori interferenze rispetto al DVB-T. Massimo incremento della capacità trasmissiva netta rispetto al DVB-T in simili condizioni, (almeno del del 30% per ogni canale) con migliori caratteristiche di robustezza. Trasporto dell MPEG2 Transport Stream ed anche del GSE (Generic Stream Encapsulation) definito dal DVB; Trasporto simultaneo di più flussi di trasporto DVB in un singolo canale; Possibilità di una efficiente multiplazione statistica dei flussi in ingresso. Conseguenti modifiche alle SI (Service Information) del Transport Stream da recepire nelle specifiche DVB SI. Maggiore robustezza, rispetto al DVB-T, nei confronti di interferenze provenienti da altri trasmettitori, incrementando con ciò la possibilità di riuso delle frequenze; Differenti livelli di protezione da applicare uniformemente a tutti i dati del Transport Stream trasportato dal DVB-T2 in un particolare canale; Possibile applicazione separata di differenti livelli di protezione a ciascun servizio all interno del Transport Stream trasportato in un particolare canale. Quando viene trasportato più di un TS, DVB-T2 deve offrire una scelta di differenti livelli di protezione da applicare separatamente per ciascun TS; Q.o.S. che assicuri, attraverso l intero canale, non più di un grave disturbo (corrupted event) (audio o video) per ciascuna ora di ciascun servizio HDTV e SDTV Prestazioni nei confronti di rumore impulsivo sostanzialmente migliori di quelle del DVB-T. Rivelazione automatica, entro ½ s, delle variazioni delle opzioni di modulazione. Sebbene il ricevitore potrebbe non essere in grado di adattarsi automaticamente (seamless changeover). Non più di 0.3 s di ritardo addizionale nello zapping (cambio canale), rispetto a DVB-T. Ri-uso dei siti e tralicci di trasmissione, antenne e cavi delle installazioni domestiche usati per il DVB-T. Riduzione, rispetto al DVB-T, del costo dei trasmettitori, a parità di potenza, sia in termini di investimento sia di costi di gestione. Economicità nella realizzazione della copertura di aree locali, regionali e nazionali nel contesto della normative sull allocazione delle spettro radio. Ad esempio ottimizzando I costi delle infrastrutture e l uso dello spettro con tecniche SFN e/o MFN. Realizzazione di reti SFN su scala più larga rispetto al DVB-T. In una rete SFN la massima distanza tra trasmettitori adiacenti deve essere incrementata di almeno il 30% rispetto a quella offerta da un DVB-T con modalità 8k ed il medesimo livello di mutua interferenza. Svilupparo di gap filler economici e conformi alla normative; allo scopo di una agevole copertura indoor. 7

8 5 Tecnologia del DVB-T2, fondamenti e sommario delle caratteristiche Definiti i problemi 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-T 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. 5.2 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 MPEG2 TS 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 distribuisce 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 Fig.4 è riportata la struttura di una BBFRAME, 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. 8

9 Fig.4: Trama di banda base e codifica FEC [2]. La trama denominata FEC frame, strutturata come riportato in Fig.4, 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 (la stessa del DVB-S2) che risulta conveniente per servizi dati a bassa velocità. Per ottenere la FEC frame si applica alla BBFRAME 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 ai requisiti del sistema. E possibile verificare che 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, come illustrato nella Fig.5. Tale guadagno può essere tradotto in un incremento di capacità (tipicamente del 30%) mediante l adozione di modulazioni di ordine superiore. Fig.5: Confronto tra codifica convoluzionale e LDPC [2]. 9

10 5.3 Sommario delle caratteristiche L elenco seguente costituisce un riassunto delle caratteristiche dello standard DVB-T2 che saranno descritte con maggiore dettaglio nei paragrafi successivi: Codici FEC di tipo LDPC (Rates: ½, 3/5, 2/3, ¾, 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, ¼. 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 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. Costellazioni ruotate 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 tipo Time Frequency Slicing Segnalazione (a basso livello di potenza) per l identificazione del trasmettitore. 10

11 6 Dettaglio delle caratteristiche principali 6.1 Modulazione COFDM La principale differenziazione rispetto allo standard S2 avviene ovviamente per quanto riguarda le tecniche di modulazione stante la differente natura dei canali radio (terrestre e satellitare) per i quali i due standard sono progettati. La tecnica definita dal T2 riprende quella già introdotta dallo standard T e cioè una modulazione COFDM con intervallo di guardia (GI-OFDM, Guard Interval OFDM), introducendo tuttavia nuovi meccanismi di bit-interleaving e di costellation mapping. Fig.6: Dati e simboli nella modulazione GI-OFDM [2]. Nella modulazione GI-OFDM ogni simbolo trasporta dati su numero molto elevato di portanti distinte. Per il soddisfacimento dei requisiti di carattere commerciale, i parametri che definiscono la modulazione GI-OFDM sono stati opportunamente estesi. Tale approccio ha consentito una riduzione significativa dell overhead rispetto al DVB-T, che se considerata congiuntamente all incremento di efficienza della nuova tecnica FEC ha consentito di ottenere un aumento della capacità trasmissiva fino a circa il 45% per il funzionamento MFN (Multiple Frequency Network) ed anche maggiori per il funzionamento SFN (Single Frequency Network). Si descriveranno nel seguito le principali innovazioni introdotte. 6.2 Numero delle portanti Il numero delle portanti impiegate nella modulazione multiportante (ovvero le dimensioni della FFT nel modulatore) sono estese introducendo i valori 16K e 32K. I valori possibili sono ora: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K. Con i valori 16K e 32K si ottengono migliori prestazioni nelle SFN, il valore di 1K fornisce maggiore robustezza per trasmissioni in condizioni critiche (es. i simboli P1 che identificno l inizio di una trama fisica, come descritto nel seguito). L incremento del numero di portanti corrisponde (a partà di larghezza di banda complessiva) sia ad una riduzione della spaziatura tra di esse sia ad un incremento del periodo di simbolo. Il primo effetto rende più critica la decodifica nel caso di presenza di interferenze di tipo intercarrier, e conseguentemente una inferiore tolleranza all effetto Doppler (è quindi una modalità che mal si adatta alla ricezione su mezzi mobili). Il secondo effetto, invece, determina un incremento della capacità trasmissiva in quanto la durata relativa dell intervallo di guardia diminuisce pur mantenendo costante la sua durata assoluta (vedi Fig.7). Il corrispondente incremento è di poco superiore al 20%. Ulteriori vantaggi di operare con FFT di dimensioni elevate sono: 11

12 maggiore robustezza nei confronti del rumore impulsivo; inferiori livelli di densità di potenza fuor banda; opzione di interpolare in frequenza solo tra le configurazioni pilota (a causa della vicinanza delle portanti) L incremento del periodo di simbolo può comportare da un lato una riduzione dell overhead dell intervallo di guardia per una data distanza reciproca dei siti in SFN, dall altro un incremento delle potenzialità SFN per un data percentuale dell intervallo di guardia rispetto alla lunghezza del simbolo. Fig.7: Numero di portanti e periodo di simbolo [2]. 6.3 Dimensioni degli intervalli di guardia Le possibili frazioni che definiscono gli intervalli di guardia sono state estese, con particolare attenzione verso valori più bassi, per consentire una riduzione di overhead e una maggiore flessibilità. Possono assumere i seguenti valori: 1/128, 1/64, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/ Costellazione 256QAM Per quanto riguarda le costellazioni di modulazione utilizzabili, lo standard T2 aggiunge a quanto previsto nella specifica T (QPSK, 16QAM, 64QAM), la tecnica 256QAM che permette il trasferimento di 8bit per simbolo e sottoportante (OFDM data cell) contro i 6bit/ per simbolo e sottoportante della 64QAM. A parità di BER residuo (sui dati decodificati), la maggiore efficienza della codifica FEC basata sui codici LDPC consente di utilizzare la tecnica 256QAM senza la necessità di operare corrispondentemente un aumento significativo (4 o 5dB) del rapporto segnale/rumore. Se ciò non fosse, infatti, essendo la distanza euclidea tra punti adiacenti della costellazione 256QAM, la metà di quella dei punti della 64QAM, la più elevata sensibilità al rumore della prima dovrebbe essere compensata con un corrispondente aumento del rapporto segnale/rumore. Generalmente, nell uso della tecnica 256QAM si fissa un rapporto di codifica FEC leggermente più elevato rispetto a quello correntemente usato con la 64QAM, ciò per garantire il mantenimento dello stesso rapporto segnale/rumore richiesto ma ottenendo valori di efficienza spettrale e capacità trasmissiva di circa il 30% maggiori rispetto al DVB-T. In Fig.9 sono riportate alcune curve che dimostrano, nel caso di canale affetto da rumore gaussiano, la prossimità delle prestazioni dello standard DVB-T2 al limite teorico di Shannon. 12

13 Fig. 8: Costellazione 256QAM [2]. Fig.9: Prestazioni della codifica/modulazione (rumore gaussiano) [2]. 13

14 6.5 Larghezza di banda estesa Si tratta di una modalità opzionale per permettere un uso ottimale della banda del canale di trasmissione nel caso di impiego di FFT di ordine più elevato (16K e 32K). Infatti, in tal caso lo spettro del segnale ai bordi della banda occupata decade molto più rapidamente rispetto al caso di FFT di ordine più basso, come illustrato in Fig.10. Conseguentemente, pur mantenendo la stessa spaziatura tra le portanti di quella che si ha nel modo di funzionamento normale è possibile aggiungere un certo numero portanti addizionali ad entrambe le estremità dello spettro, ottenendo così un guadagno in efficienza di circa il 2%. Fig.10: Modalità con estensione di banda [2]. 6.6 Dispersione in tempo e frequenza di configurazioni pilota Anche lo standard DVB-T2 come il precedente DVB-T prevede la dispersione in tempo e frequenza di configurazioni pilota, cioè di celle dati OFDM di prefissate ampiezza e fase trasmesse ad intervalli regolari per consentire al ricevitore di stimare le variazioni del canale trasmissivo ed effettuare le opportune compensazioni in tempo e frequenza. Il DVB-T prevede configurazioni statiche indipendenti dalla dimensione dell FFT e dalla frazione di intervallo di guardia: una cella ogni 12 è una cella pilota. L overhead è pari all 8%. Fig.11: Confronto tra la dispersione di configurazioni pilota nel DVB-T (sinistra, fissa, overhead = 8%) e nel DVB-T2 (destra, una delle 8 possibili, overhead = 4%) [2]. 14

15 Per la dispersione in tempo e frequenza di configurazioni pilota il DVB-T2 invece, ha scelto un approccio più flessibile definendo 8 possibili opzioni, adattate agli intervalli di guardia e con differente grado di efficienza,. L opzione da adottare è selezionata sulla base della dimensione della FFT e della frazione di intervallo di guardia fissati per una particolare trasmissione. Con ciò si tende a minimizzare l overhead pur continuando ad assicurare una sufficiente qualità della stima delle caratteristiche del canale effettuata dal ricevitore. Per migliorare tale stima la potenza con cui sono trasmesse le celle pilota è incrementata fino a 7dB. Fig.12: Due tra le 8 possibili dispersioni di configurazioni pilota nel DVB-T2 [2]. 6.7 Segnali pilota continui In aggiunta alla dispersione di configurazioni pilota sono previsti, come nello standard T, un certo numero di segnali pilota continui inseriti nei simboli OFDM. Questi sono utilizzati dal ricevitore per la sincronizzazione fine in frequenza e per la rivelazione dell errore di fase comune, rimosso nell equalizzazione di canale. Mentre nel DVB-T l overhead è fisso, pari al 2,5%, nel DVB-T2 dipende dalla dimensione dell FFT riducendosi al crescere della dimensione dell FFT (~2,5% per 1K, 2;~0.7% for 8K, 16K, 32K) e diminuendo ulteriormente se si tiene conto che circa il 50% delle locazioni coincidono con quelle delle configurazioni pilota disperse. 6.8 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 tempofrequenza come riportato in Fig

16 Fig.13: 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. 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, ¾, 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). Alle slice temporali poi, può essere applicata un ulteriore operazione di interleaving (generando una struttura di sub-slice più complessa di quella illustrata in figura) al fine di rendere la trasmissione più robusta nei confronti del rumore impulsivo. 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 ad almeno il common PLP ed il 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 16

17 (ad esempio un unico TS 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 trasmissone 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 per includere tre nuovi elementi informativi: T2PLP Information Table (T2PIT); T2 delivery system descriptor (T2dsd); T2 system identifier. La T2PIT descrive la corrispondenza tra i servizi trasportati dal sistema DVB-T2 ai corrispondenti PLP. La principale ragione per la definizione di questa nuova tabella invece di un descrittore, è legata alla circostanza che l informazione relativa è di tipo piuttosto statico e conseguentemente il relativo periodo con cui deve essere ripetuta risulta ridotto. La definizione del T2dsd segue la stessa logica del corrispondente parametro del DVB-T. 6.9 Preambolo della trama di livello fisico I simboli iniziali di una trama di livello fisico dello standard DVB-T2 si configurano come simboli di preambolo con dati limitati ma ben protetti. L inizio della trama è segnalato dal simbolo P1, corto e robusto. Il simbolo è modulato BPSK su 1K portanti OFDM, replicate, shiftando le frequenze, metà su frequenze immediatamente più alte e metà su frequenze immediatamente più basse. Il simbolo trasporta 7bit, per cui solo una parte delle portanti viene modulata.. Il simbolo P1 presenta inoltre intervalli di guardia prima e dopo ed è costruito in modo da renderlo robusto alle interferenze ed alle possibili repliche di forma d onda di parti di simboli nella trama seguente. Fig.14: Rappresentazione in frequenza del simbolo P1 e delle sue repliche [2]. 17

18 Il formato del simbolo P1 è in grado di assicurare una rivelazione rapida e robusta del segnale T2 senza possibilità di emulazione, un meccanismo veloce di aggancio della frequenza, il trasporto di 7 bit che possono segnalare, ad esempio, la dimensione della FFT utilizzata per i simboli del payload della trama. Segue il simbolo P1 una sequenza di simboli P2, il cui numero dipende dalla dimensione della FFT. I simboli P2 trasportano informazioni riguardanti la struttura della trama identificate come segnalazione L1. La prima parte di queste, di tipo statico, sono trasferite con elevato grado di robustezza. La seconda parte sono invece informazioni di tipo dinamico. Possono poi essere aggiunte ulteriori informazioni riguardanti ad esempio dati comuni di tipo PSI/SI relativi ai servizi trasportati nel payload. La struttura della trama è riportata in Fig.15. La durata tipica è di ms e l overhead complessivo dovuto ai simboli P1 e P2 è inferiore all 1%. In Fig. 16 sono riportati i simboli P2 trasmessi nella modalità 8K. Fig.15: Struttura della trama T2 [2]. Fig.16: Simboli P2 nella modalità 8K [2] Stadi di interleaving (bit, cella, tempo e frequenza) Il DVB-T2 utilizza quattro stadi di interleaving: bit, cella, tempo e frequenza. Lo scopo dell interleaving è quello di distribuire uniformemente i dati nel tempo ed in frequenza in modo che rumori di tipo impulsivo (disturbi del segnale OFDM per un breve periodo temporale) e fading selettivi in frequenza (disturbi su un piccolo intervallo di frequenze) non compromettano lunghe sequenze di dati originali contigui. L esigenza di distribuire uniformemente i dati originali è anche legata al fatto che da un lato la codifica FEC non protegge tutti i bit in ugual misura, dall altro anche i bit dei punti di una costellazione di modulazione non presentano uguale grado di robustezza. La maggiore innovazione introdotta dallo standard T2 rispetto al precedente T è l interleaving temporale contro disturbi di tipo impulsivo. 18

19 6.11 Costellazioni ruotate Lo standard DVB-T2 introduce, nell ambito delle possibili opzioni di modulazione, una nuova tecnica, opzionale, basata sulla rotazione delle costellazioni. Nelle costellazioni tradizionali, le coordinate dei differenti punti sono allineate orizzontalmente (per ordinata) o verticalmente (per ascissa). Ne risultano più punti aventi o la stessa ascissa o la medesima ordinata. La distinzione tra due di questi punti è possibile solo con entrambe le coordinate. Con la tecnica di rotazione, la costellazione prescelta è ruotata nel piano complesso I-Q in modo tale che non esistano più punti con una coordinata uguale. Ciascun coordinata del sistema ruotato, quindi, riferita agli assi coordinati (u1, u2), è quindi sufficiente per riconoscere il punto della costellazione (Fig.17) e le doppie coordinate (ascissa ed ordinata di ciascun punto) risultano quindi ridondanti. Generalmente ascissa ed ordinata di ciascun punto sono separate dall interleaving prima della trasmissione così che sono trasferite su frequenze differenti in istanti differenti (e su differenti canali RF in sistemi TFS- Time Frequency Slicing), cioè in differenti celle OFDM. Con l uso della tecnica delle costellazioni ruotate quindi, se una delle due coordinate è compromessa per effetto dei disturbi sul canale radio, l altra coordinata, se ricevuta correttamente, è in grado, da sola, di consentire una decodifica univoca del simbolo trasmesso. Fig.17: Esempio di costellazione ruotata [2]. Tale tecnica non causa perdita di prestazioni nel caso di canali Gaussiani mentre fornisce un guadagno di circa 0,7 db in canali affetti da fading. Il guadagno può raggiungere anche valori più elevati nel caso di canali con echo a 0dB (ad esempio nel caso di SFN) o nel caso di canali con cancellazione (ad esempio in presenza di interferenze impulsive o in sistemi TFS in cui un canale viene perso). Ovviamente tale guadagno si traduce nella possibilità di utilizzare rapporti di codifica più elevati e quindi velocità di trasferimento maggiori. 19

20 Il grafico riportato in Fig.18 ad esempio mostra un guadagno di 5 db in un canale con cancellazione piuttosto critico. L aumento di complessità dovuto all introduzione di tale tecnica non appare rilevante come dimostrato da una prima implementazione in FPGA. Fig.18: Confronto di prestazioni tra costellazioni ruotate e non ruotate (rapporto di codifica=4/5; canale = Rayleigh + 15% cancellazione) [2] Trasmissione in diversità Una delle criticità della modalità SFN è rappresentato dal fatto che la presenza di due segnali di livello elevato provenienti da due trasmettitori distinti di una stessa rete determina una significativa riduzione di margine in quanto il canale risultante può presentare profondi notches. E stato evidenziato sperimentalmente che questo può compromettere significativamente la ricezione da parte di terminali portatili se non si opera, in compensazione, un aumento della potenza in trasmissione. Lo standard DVB-T2 introduce, come opzione, l uso di una strategia che prevede la trasmissione di due segnali differenti da parte di due trasmettitori adiacenti. Tali segnali trasferiscono gli stessi dati ma codificati in maniera differente. I segnali inviati dai due trasmettitori sono ricavati da quelli originali in modo tale che, in ricezione, sia possibile combinarli in maniera semplice per ottenere la decodifica ottima dei simboli originali Si tratta della realizzazione di un sistema MISO (Multiple Input, Single Output) con codifica in spazio e frequenza (SF coding) per mezzo dell applicazione della codifica di Alamouti [7]. Si ricorda che la codifica di Alamouti (codice spazio temporale a blocchi 2x1 ortogonale) è stata originariamente proposta per la realizzazione di sistemi con trasmissione in diversità con codifica in spazio-tempo (ST coding) [7] rappresentabili da una matrice come quella riportata in Fig.19 in cui le colonne rappresentano antenne adiacenti e le ordinate rappresentano istanti temporali consecutivi. L elemento (i,j) della matrice rappresenta il simbolo trasmesso dall antenna i all istante temporale j. 20

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