DVB-T A Broadcast Technology for Stationary Portable and Mobile Use

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1 DVB-T A Broadcast Technology for Stationary Portable and Mobile Use 1

2 DVB-T in Italia: la copertura 2

3 Transport Stream (TS) Processing - MPEG 2 L MPEG-2 è diventato il codec più popolare in questi ultimi anni poiché è stato scelto come il codec per il trasferimento di filmati su DVD Il codec MPEG-2 è preferito per l alta risoluzione (schermo pieno 720x576 anche in formato 16:9) e per la riproduzione su computer di buone prestazioni; consente sia la codifica a velocità costante (Constant Bitrate, CBR, ormai abbandonata nei DVD) che quella a velocità variabile (Variable Bitrate, VBR) sino a 10 Mbit/sec (anche se il formato DVD permette una velocità massima inferiore) 3

4 Transport Stream (TS) Processing - MPEG 2 Il principio sul quale si basa la codifica MPEG è simile a quella di molti altri codec moderni: il flusso video viene analizzato fotogramma per fotogramma, vengono individuate le variazioni di scena (o, in generale) le immagini molto diverse fra di loro) che vengono definite come immagini chiave mentre i successivi fotogrammi sono codificati solo come differenza rispetto alla chiave precedente 4

5 MPEG-2 Un esempio di codifica per immagini chiave : i fotogrammi 1 e 5 sono definiti come keyframe mentre degli altri sono codificate solo le differenze 5

6 MPEG-2 Un file codificato MPEG-2 = una sequenza di gruppi di immagini (GOP = Group of pictures) costituita da sequenze di immagini di tre tipi: I frame: intra-frame codificate come immagini singole P frame: past frame che viene codificata facendo riferimento al fotogramma chiave I-frame o ad un altro P-frame precedente B frame: bidirectional frame che viene codificata facendo riferimento sia a frame di tipo I che P precedenti o seguenti 6

7 MPEG-2 Abitualmente i codec MPEG2 utilizzano alcune sequenze ormai standardizzate; la più comune è la IBBPBBPBB 7

8 Transport Stream (TS) Processing Lo stack DVB completo Applicazioni A/V IP MHP DSM-CC Digital storage media command and control PES Packetized Elementary Streams MPE Multiprotocol Encapsulation 8

9 Packetized Elementary Streams (PESs) I PES possono essere associati e nell insieme formare un programma costituito ad esempio da più flussi video (inquadrature multiple), più tracce audio (audio multilingua) ed infine dai sottotitoli. Non ci sono specifiche sulla dimensione di tali pacchetti che possono essere di taglia variabile ad esempio per contenere sempre un intero frame video, oppure di grandezza fissata 9

10 Program- specific information ( PSI) Program-specific information (PSI) sono defite nell MPEG è usate per accedere alle varie componenti costituenti il payload del TS Il PID del program association table (PAT) è zero In questo modo il PAT puo essere direttamente estratto dal TS e puo esere decodificato Il PAT informa circa i valori di PID che vengono usati nella program map tables (PMTs) I PMT contengono la lista dei valori PID che corrispondono agli stream elementari di ogni servizio identificando un program number 10

11 Program - specific information ( PSI) 11

12 Program - specific information ( PSI) PSI sono le informazioni che servono per descrivere e associare attraverso i PID, i vari PES e di conseguenza i flussi elementari che vanno a costituire un programma. Strutturalmente sono delle tabelle di associazione (PSI Association Tables) che vengono inviate periodicamente dopo essere state suddivide in sezioni (PSI Sections) e pacchettizzate nel TS allo stesso modo dei PES Per l importanza dell integrità delle informazioni delle tabelle, spesso le PSI Sections sono protette da CRC 12

13 Program - specific information ( PSI) PAT: Program Association Table (è al livello più elevato nella gerarchia delle tabelle) Contiene la lista completa di tutti i programmi nel TS (identificati attraverso un numero detto SID, Service IDentification) e i PID delle rispettive PMT (Program Map Tables) I pacchetti che la contengono sono identificati con il PID 0 Il programma numero 0 indica il PID del NIT PMT: Program Map Table Contiene la lista dei PID (audio e video) associati a un certo programma e il PID della PCR (può essere un PID video) 13

14 Program - specific information ( PSI) 14

15 Channel Coding and Modulation 15

16 Channel Coding and Modulation Prima che il segnale in banda base venga trasmesso, esso subisce la fase di codifica e modulazione E necessaria, per poter sopperire al rumore ed ai disturbi di trasmission path, l introduizione un FEC (Foward Error Correction) Il diagramma a blocchi può essere diviso logicamente in 3 parti 16

17 Channel Coding and Modulation I primi tre blocchi sono gli stessi nei modulatori DVB-S e DVB-C Il subsequente inner error protection process è un blocco necessario per la trasmissione satellitare e terrestre I blocchi identificati in grigio sono specifici del DVB-T 17

19 Energy Dispersal and Syncronizzation I dati sull interfaccia in banda base sono combinati con un bit stream di un generatore pseudorandom di rumore il quale è implementato con un feedback shift register Questa operazione è volta ad avere uno spettro piatto di densità di potenza Solamente il Sync byte del TS packet rimane immutato per mantenere la sincronizzazione Il generatore di noise pseudorandom è reinizializzato con un determinato pattern ogni otto TS packet I decodificatori vengono informati circa il punto di partenza da una sequenza per mezzo di un byte di sync invertito 19

20 Energy Dispersal and Syncronizzation 20

22 Error Protection and Modulation L Outer Error Protection è implementato con un codice a blocchi byte-oriented, per ogni blocco, ad esempio nel TS packet, sono calcolati i bit di errore Il codice a blocchi usato è un Reed-Solomon ( ) Questo significa che 16 bytes di correzione sono attaccati a 239 bytes di informazione Un TS packet ha una lunghezza di soli 188 Byte, i primi 51 Byte sono settati a zero e non sono trasmessi In questo modo viene realizzato un Reed-Solomon ( ) 22

24 Error Protection and Modulation L Outer Interleaver non fornisce un ulteriore capacità di protezione d errore, ma riordina i bytes in modo da facilitare la correzione di lunghi burst di errori Una possibile implementazione di un blocco interleaver, lettura bytes linea per linea nella matrice di storage, e lettura in uscita colonna per colonna Questo blocco mostra degli svantaggi per quanto riguarda capacità di storage richiesta, sincronizzazione e sensibilità ai disturbi periodici Il DVB usa un interliver convoluzionale con profondità di interliver I=12 e una base delay M= 17 24

26 Error Protection and Modulation Per il DVB-S e DVB-T segue un Inner Error Protection ottimizzato per la correzione di bit errors Un encoder convoluzionale con un code rate base ½ (un bit ingresso 2 bit uscita) è usato per questo scopo L alta quantità di ridondanza che risulta dall uso di un code rade ½ (50%) può successivamente essere ridotta con un meccanismo di puncturing, questo semplice mezzo consiste nel non trasmettere tutti i bits di output Il DVB ha specificato i code rate 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 6/8 26

28 Error Protection and Modulation Il successivo elemento di elaborazione usato nel DVB-T system è un Inner Interleaver Il suo intento è far fronte agli effetti dei canali selettivi in frequenza sui quali può presentarsi un effetto eco sul percorso di trasmissione Esso consiste in una combinazione di un bit e un symbol interliver 28

29 Error Protection and Modulation Nel bit interleaver 126 successivi bits sono prima combinati in un blocco e sono allora interlacciati all interno di questo Successivamete un symbol interleaver, cambia la sequenza di questi di simboli Il risultato di questo interleaving su un segnale DVB-T è un frequency interleaving interno un simbolo DVB-T 29

31 Error Protection and Modulation Il processo di Inner Interleaving è seguito dal Symbol Mapping Ciascuna delle singole portanti utili dell OFDM è separatamente modulata La scelta puo essere fatta tra le tecniche di modulazione QPSK, 16-QAM, 64-QAM L allocazione delle sequenze di bits di 2 o 4 o 6 trasportati su una portante viene fatta utilizzando la codifica di Gray 31

32 Error Protection and Modulation Il DVB-T system offre la possibilità della Hierarchical modulation Due indipendenti data stream possono essere essere trasmessi nello stesso segnale usando ad esempio differenti tecniche di modulazione come ad esempio QPSK per un segnale high priority stream e 16-QAM per un low priority stream Di conseguenza la robustezza contro la trasmissione di errori è differente per i due stream 32

33 Coded Ortogonal Frequency Division Multipexing Il canale Terrestre è molto differente da entrambi i canali Satellitari e via Cavo e puo essere seriamente danneggiato dalla propagazione multipath dovuta a strutture terresti o costruzioni La COFDM fa fronte molto bene alle condizioni di propagazione multipath e offre un elevato grado di efficienza nell uso della frequenza per permettere l uso di SFNs L OFDM descrive come il data stream è allocato sulle singole portanti, il C sta per coding-foward error correction 33

34 Coded Ortogonal Frequency Division Multipexing La modulazione COFDM è per cui una tecnica di trasmissione caratterizzata dalla suddivisione del segnale di informazione ad alta velocità trasmissiva in molti flussi paralleli trasmessi a bassa velocità Ogni portante è ortogonale alle altre La COFDM definita per DVB-T consiste di 6817 portanti (8Kmode) e di 1705 portanti (2Kmode) Costellazioni per singola portante; QPSK, 16-QAM, 64-QAM 34

35 Coded Ortogonal Frequency Division Multipexing L inizio di ogni simbolo OFDM è preceduto da un intervallo di guardia L intento è quello di accrescere l immunità agli echi ed alle riflessioni Un accrescimento dell intervallo di guardia permette di tollerare un superiore echo delay L intervallo di guardia consiste in una ciclica continuazione della durata simbolo e la sua lunghezza relativa alla durata di un simbolo può avere quattro differenti valori: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 35

36 Parametri per Non-Hierarchial DVB- T Trasmission Parametri di tuning per trasmettori COFDM La durata del simbolo totale uguale alla somma della durata Twant e della durata del intervallo di guardia 36

37 Performance Per valutare il DVB-T sono usati tre differenti criteri: Data rate disponibile Rapporto C/N (Carrier-to-noise ratio) minimo per una trasmissione quasi-error-free Stà alle modulazioni digitali come l SNR stà alle modulazioni analogiche Potenza del campo necessaria per i diversi modi di ricezione 37

38 Data rate (Mbit/s) 38

39 Data rate I parametri adatti per la trasmissione verranno scelti in base alle esigenze commerciali e di servizio specifiche di ogni paese Per esempio, una riduzione dell intervallo di guardia porta ad un incremento del data rate. Un risultato simile si può ottenere aumentando il code rate Di contro, intervenire su questi parametri può rendere la ricezione: Vulnerabile al multipath Incapace di correggere gli errori 39

40 Carrier-to-noise ratio Il Gaussian channel è caratterizzato da una trasmissione affetta solo dal white noise Il Ricean channel è definito da una trasmissione affetta da white noise e multipath dove è presente un segnale diretto predominante fra tx ed rx Il Rayleigh channel si comporta come un Ricean channel senza una componente diretta

41 Modi di ricezione Dopo numerosi studi e sperimentazioni, l ITU (International Telecommunication Union) ha definito quattro tipi principali di ricezione: Ricezione stazionaria Le comuni antenne sul tetto Ricezione portatile indoor e outdoor Es. Piccoli televisori con antenna buit-in Ricezione mobile Es. Cellulari o dispositivi integrati su automobili Ovviamente, il primo tipo avrà requisiti di potenza di campo inferiori avendo un antenna stabile e situata in posizione elevata 41

42 Modi di ricezione Antenne sui tetti Portatili indoor Portatili outdoor Ricezione mobile

43 Network design L area servita deve essere divisa in celle dove ogni TS (Transport Stream) è trasmesso ad una determinata frequenza Per il DVB-T viene raccomandata la trasmissione attraverso le SFNs (Single-Frequncy Network) In una SFN, diversi trasmettitori inviano lo stesso segnale, simultaneamente, sulla stessa frequenza Viene creato un campo omogeneo fra i trasmettitori e dunque si ottiene una sorta di network gain Permettono di servire meglio le zone affette da shadowing Non è necessaria una risintonizzazione nel passaggio fra celle 43

44 Single-Frequency Network Questa tecnica non è di semplice realizzazione perché è necessario che i trasmettitori, oltre ad avere una identica modulazione del segnale, siano anche in perfetta fase tra loro Multi-Frequency Network Single-Frequency Network 44

45 Single-Frequency Network - sincronizzazione I trasmettitori appartenenti alle celle di una SFN devono trasmettere: 1. sulla stessa frequenza 2. nello stesso momento di tempo 3. stessi simboli OFDM 45

46 Single-Frequency Network - sincronizzazione MPEG2 re-multiplexer: remux, aggiornare SI (Service Information) e general un TS MPEG2 46

47 Conclusioni - Vantaggi Grande flessibilità, si può utilizzare tutta la capacità di trasmissione per inviare segnali di alta definizione oppure trasmettere più programmi diversi sulla stessa frequenza sacrificando, in parte, la qualità Si può ridurre il problema del sovraffollamento delle bande di frequenza terrestri Con le tecniche analogiche ogni frequenza trasporta un solo programma, con le tecniche digitali, normalmente si trasportano 4 o 5 programmi con qualità convenzionale 47

48 Conclusioni - Vantaggi Interattività, possibilità di dialogare attraverso il ricevitore con l'emittente Serve molta meno potenza, circa un decimo di quella necessaria per l'analogico, ed è prevista una riduzione del numero di stazioni trasmittenti sul territorio Possibilità di trasmettere in isofrequenza 48

49 Conclusioni - Svantaggi Acquisto di nuovi apparecchi atti alla ricezione Sistema quasi "on-off Sopra una certa soglia di SNR il segnale viene visualizzato perfettamente, al ridursi del SNR, cresce il Bit Error Rate fino al punto in cui la correzione dell'errore diviene impossibile, con un passaggio repentino ad una non fruibilità assoluta del segnale 49

50 DVB-T2 Nel marzo 2006 il gruppo DVB decise di migliorare lo standard DVB-T, e crea il gruppo di studio TM-T2 (Technical Module on Next Generation DVB-T In base ai requisiti commerciali e tecnologici proposti nell'aprile del 2007, la prima fase del DVB-T2 è destinata a fornire la miglior ricezione possibile a ricevitori stazionari (fissi) e portatili usando gli apparati d'antenna attuali 50

51 DVB-T2 Nel marzo 2006 il gruppo DVB decise di migliorare lo standard DVB-T, e crea il gruppo di studio TM-T2 (Technical Module on Next Generation DVB-T 51

52 DVB-T2 Multiple Physical Layer Pipes: permete impostare separatamente la robustezza di ogni canale in parte per arrivare ad un certo livello di protezione / qualità. permete anche un risparmio energetico decodificando solo un canale separato invece di un intero MUX Alamouti coding : metodo di sfruttare la diversità del segnale augmentando la copertura in reti di tipo SFN 52

53 DVB-T2 Constellation Rotation (fino a 30 ) offre robustezza del segnale nel caso di fading 53

54 DVB-T2 54