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Il background tecnologico della televisione digitale terrestre: lo standard DVB-T SFN-Vs Vs-MFN: : rendere più efficiente l uso delle frequenze 2
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Cos è il DVB-T? la sigla DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) individua uno standard tecnico della famiglia DVB (DVB-S, DVB-C) fornisce un insieme di regole tecniche di riferimento che definiscono un particolare sistema di televisione digitale terrestre (DTT) il DVB-T è uno dei sistemi DTT esistenti (ATSC in America settentrionale, ISDB-T in Giappone, DMB-T in Cina) sviluppato nel 1995 dal consorzio internazionale DVB Project nel 1997 è diventato uno standard ETSI (standard europeo) con la sigla ETSI EN 300 744 dal 2009 è il sistema DTT più adottato nel mondo (fonte www.dvb.org) 4
DVB Project consorzio creato nel 1993 in Europa per l introduzione della TV digitale raggruppa circa 230 fra emittenti, costruttori di apparati, operatori di rete, sviluppatori di software, organismi di regolamentazione di oltre 35 paesi nel 2009 ha pubblicato lo standard per il sistema DTT di prossima generazione (DVB-T2) ETSI ( (European Telecommunications Standards Institute) organismo internazionale indipendente creato nel 1988 ufficialmente riconosciuto dall Unione Europea per la definizione di standard nel campo delle telecomunicazioni in Europa raggruppa oltre 700 membri fra costruttori, operatori di rete, fornitori di contenuti, amministrazioni statali, università ecc. di oltre 60 paesi 5
Peculiarità del sistema DVB-T ROBUSTEZZA capacità di garantire prestazioni adeguate anche in un ambiente di propagazione particolarmente severo quale è il canale televisivo terrestre in banda VHF/UHF FLESSIBILITÀ grande varietà di configurazioni a disposizione dei broadcasters per adattare le prestazioni del sistema (mix robustezza/capacità trasmissiva) ai propri requisiti di servizio USO EFFICIENTE DELLO SPETTRO RADIO notevole miglioramento nell efficienza d uso dello spettro radio grazie alla possibilità di realizzare reti isofrequenziali (SFN) a copertura regionale o nazionale 6
Apriamo una parentesi: i vantaggi della tecnologia digitale ereditati dal DVB-T MIGLIORE QUALITÀ DELLA VISIONE AUMENTO DEI PROGRAMMI RICEVIBILI Alcuni tra i vantaggi più pubblicizzati del DVB-T non derivano da caratteristiche intrinseche dello standard tecnico (o della DTT) bensì da altre tecnologie digitali per il trattamento dei contenuti audio/video utilizzate a monte della tecnologia DVB-T 7
Il problema della qualità di visione (1/4) (La TV digitale si vede meglio della TV analogica?) TV analogica: in elettronica analogica le grandezze fisiche che caratterizzano un contenuto audio o video vengono trasformate in segnali elettrici che ne rappresentano l andamento in modo continuo, cioè con un numero infinito di valori è fondamentale l accuratezza con la quale l andamento del segnale elettrico rappresentante corrisponde all andamento delle grandezze fisiche rappresentate ogni passaggio successivo del segnale da un apparato all altro (produzione, trasporto, diffusione, ricezione ecc.) introduce inevitabilmente delle alterazioni che degradano la corrispondenza (analogia) tra il segnale elettrico e le grandezze che lo stesso intendeva rappresentare per limitare il degrado è necessario implementare soluzioni circuitali complesse in tutta la catena di fornitura del contenuto all utente finale (produzione, trasporto, trasmissione, ricezione) 8
Il problema della qualità di visione (2/4) (La TV digitale si vede meglio della TV analogica?) TV analogica: esempio di segnale video 9
TV digitale: Il problema della qualità di visione (3/4) (La TV digitale si vede meglio della TV analogica?) in elettronica digitale le grandezze fisiche che caratterizzano un contenuto audio o video vengono trasformate in sequenze di valori numerici discreti (digitalizzazione) èfondamentale la quantità di valori (campioni) che vengono utilizzati per rappresentare digitalmente la grandezza di interesse e la loro finezza il trattamento di un contenuto audio/video digitalizzato diventa un problema essenzialmente informatico di potenza di calcolo e capacità di memorizzazione dall insieme di campioni originale è possibile ricavare infinite copie identiche nel mondo digitale diventa quindi possibile consegnare all utente finale dei contenuti audio/video con caratteristiche praticamente inalterate rispetto al risultato del processo di digitalizzazione iniziale la qualità iniziale di un contenuto video SDTV (Standard Definition TV) in analogico non è in assoluto molto diversa dalla qualità dello stesso contenuto in digitale 10
Il problema della qualità di visione (4/4) (La TV digitale si vede meglio della TV analogica?) A B C 1 2 3 N Coordinate campioni: U7, T7, S7, R7, Q7, P8, O8, N8, N9, M9,, informazione campionamento codifica 11
L aumento dei programmi ricevibili (1/2) la TV analogica su frequenze terrestri utilizza le bande 174-230 MHz (banda VHF-III) e 470-862 MHz (banda UHF-IV/V) (la porzione 790-862 MHz è stata destinata al servizio mobile) La diffusione di 1 programma SDTV impegna un canale a radiofrequenza con larghezza di 8 MHz (7 in VHF) con la TV digitale nello stesso canale da 8 MHz, si può trasmettere un multiplex ( pacchetto ) di 4 o 5 programmi SDTV per una capacità trasmissiva tipica di 20 Mbit/s se volessimo calcolare la capacità trasmissiva necessaria per trasmettere un singolo programma SDTV otterremmo: dimensioni fotogramma SD (l x h): 720 x 576 = 414.720 pixel colore:??? 16 bit per ogni pixel (65.536 colori) fotogrammi al secondo: 25 capacità necessaria: 414.720 x 16 x 25 = 160 Mbit/s 12
L aumento dei programmi ricevibili (2/2) la rappresentazione in forma digitale di un informazione offre possibilità praticamente illimitate di manipolazione una tecnica di manipolazione particolarmente importante nel settore dell audiovisivo è la compressione, una classe di algoritmi complessi che consente di ridurre il notevole volume di dati che quasi sempre caratterizza la rappresentazione in forma digitale di contenuti audiovisivi le tecniche di compressione utilizzate nel settore dei contenuti audio/video sono generalmente del tipo lossy (con perdita di informazione) generalmente si basano sulla rimozione (irreversibile) di parti di informazione che possono essere considerate irrilevanti in quanto non percepibili dall occhio/orecchio umano o ripetitive lo standard DVB-T prevede l utilizzo degli algoritmi di compressione di cui agli standard MPEG-2 (per SDTV) e MPEG-4 (per la HDTV) che definiscono anche le modalità di multiplazione ( impacchettamento ) 13
Torniamo al DVB-T ROBUSTEZZA (vantaggio per l utente) l capacità di garantire prestazioni adeguate anche in un ambiente di propagazione particolarmente severo quale è il canale televisivo terrestre in banda VHF/UHF FLESSIBILITÀ (vantaggio per l operatore l di rete) grande varietà di configurazioni a disposizione dei broadcasters per adattare le prestazioni del sistema (mix robustezza/capacità trasmissiva) ai propri requisiti di servizio USO EFFICIENTE SPETTRO RADIO (vantaggio per il pianificatore) notevole miglioramento nell efficienza d uso dello spettro radio grazie alla possibilità di realizzare reti isofrequenziali (SFN) anche molto estese (copertura nazionale) 14
Quanto è robusto il DVB-T? (1/3) l ambiente di propagazione del DVB-T (il canale terrestre) è un ambiente particolarmente ostile interferenze provenienti da altri trasmettitori disturbi impulsivi il segnale giunge al ricevitore attraverso cammini diversi dovuti alle riflessioni (cammini multipli) sugli ostacoli naturali i segnali dovuti alle riflessioni si combinano con il segnale principale generando una distorsione (multipath fading ) molto dannosa che agisce in modo selettivo soltanto su una porzione (variabile) del canale trasmissivo 15
Quanto è robusto il DVB-T? (2/3) il DVB-T utilizza una tecnica di modulazione multiportante (COFDM) invece di un unica portante modulata ad alta velocità vengono usate moltissime portanti (2.048 o 8.192) modulate a bassa velocità la sequenza di dati da trasmettere viene rimescolata più volte per ridurre l influenza di lunghe sequenze di errore e di eventuali portanti corrotte eventuali errori nei dati possono essere corretti grazie a un sofisticato sistema di protezione dell integrità dell informazione (ForwardForward Error Correction) basato sull introduzione di ridondanze nei dati (codifica convoluzionale+reed Solomon) la bassa velocità di modulazione permette di inserire tra un simbolo e l altro un intervallo di guardia che fornisce ulteriore protezione dagli echi e consente di realizzare reti SFN la trasmissione di segnali pilota e informazioni ausiliarie aiuta il ricevitore a stimare le condizioni del canale e conoscere le caratteristiche del segnale trasmesso per estrarre correttamente i contenuti (demultiplexer) c è bisogno di condizioni QEF (Quasi Error Free) cioè meno di 1 errore ogni 100 miliardi di bit (corrispondenti a 4 errori ogni 100 bit all ingresso del sistema di correzione) se il tasso di errori supera una certa soglia si ha un rapido degrado dell immagine (prima squadrettamento poi schermo nero) 16
Quanto è robusto il DVB-T? (3/3) 4 errori ogni 100 bit ALGORITMI CORREZIONE ERRORI 1 errore ogni 100 miliardi di bit Nel mozzo del cammin di vostra vita mi ritrovai per una salva oscura, ché la diretta via era smarrita. 4 caratteri errati ogni terzina da 100 caratteri 1 carattere ogni 200.000 volumi da 500.000 caratteri 17
Flessibilità (1/2) nel DVB-T i parametri di sistema possono essere modificati molto più che nei sistemi TV analogici il progettista può configurare: il numero di portanti (2.048, 8.192) in base alla tipologia di rete (multifrequenza o isofrequenza) e alla sua estensione territoriale lo schema di modulazione delle singole portanti (QPSK, 16QAM, 64QAM) in base alla capacità trasmissiva desiderata (ma a scapito della robustezza) il tasso di codifica FEC (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) in base al livello di protezione dei dati desiderato (ma a scapito della capacità trasmissiva) la larghezza di banda occupata dal segnale in base alla larghezza del canale ricevuto in assegnazione (7 MHz per i canali in banda VHF, 8 MHz per i canali in banda UHF) la durata dell intervallo di guardia in base al tipo di rete e alla distanza massima fra i trasmettitori della rete (a scapito della capacità trasmissiva) impostando opportunamente i parametri di sistema il progettista può trovare la configurazione più adatta a soddisfare i requisiti di servizio dell operatore di rete 18
Flessibilità (2/2) le reti di riferimento progettate da AGCOM per la pianificazione utilizzano la seguente combinazione: numero portanti: 8.192 modulazione: 64QAM tasso di codifica FEC: 2/3 intervallo di guardia: 1/4 questa combinazione è stata ritenuta idonea a garantire: la possibilità di realizzare reti isofrequenziali (SFN) a estensione nazionale una capacità trasmissiva di circa 20 Mbit/s (sufficiente per 4/5 programmi SDTV) una resistenza alle interferenze e un livello di protezione adeguati ad assicurare il grado di qualità desiderato (90%) in condizioni di ricezione fissa ( ( rooftop ) 19
Uso efficiente dello spettro: reti multi-frequenza quando all ingresso di un ricevitore, oltre al segnale desiderato, giunge un qualunque altro segnale (anche un eco dello stesso segnale desiderato) si genera un interferenza generalizzando un po, possiamo dire che quanto più la frequenza del segnale interferente è vicina a quella del segnale desiderato tanto più dannosa è l interferenza se le frequenze dei due segnali (desiderato e interferente) addirittura coincidono, parliamo di interferenza co-canale canale, la più distruttiva in assoluto per limitare l interferenza co-canale le reti vengono solitamente progettate in modalità MFN (Multi-Frequency Network) fissando precisi vincoli di riuso delle frequenze le reti analogiche possono essere solo MFN 20
Uso efficiente dello spettro: reti multi-frequenza esempio di rete analogica o digitale MFN con grado di riuso=3 per realizzare una rete sono necessarie 3 frequenze diverse distribuite sul territorio f3 f2 f2 f3 f3 f2 21
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Uso efficiente dello spettro: vantaggi del COFDM nel sistema DVB-T, grazie alle caratteristiche della modulazione COFDM: 1. gli echi causati dalla riflessione del segnale 2. i segnali co-canale canale provenienti da altri trasmettitori di una stessa rete non solo non risultano interferenti, ma possono essere utilmente integrati dal decoder sistemi convenzionali ABCDE ABCDE DED sistema DVB-T A B C D E ABCDEA B C D E Intervallo di guardia D 22
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Uso efficiente dello spettro: vantaggi del COFDM nelle reti analogiche qualunque segnale diverso dal segnale utile è interferente nelle reti DVB-T, sia di tipo MFN che SFN, il decoder è in grado di integrare utilmente gli echi (riflessioni del segnale diretto) che gli giungono entro un certo ritardo (dipendente dalla durata dell intervallo di guardia) nelle reti DVB-T T di tipo SFN, oltre agli echi, possono essere utilmente integrati anche i segnali provenienti da altri trasmettitori ottenendo un guadagno di rete il guadagno di rete si traduce in una diminuzione del numero di trasmettitori/potenze trasmesse o in una estensione dell area di copertura nelle reti SFN i segnali possono essere utilmente integrati dal decoder solo se i trasmettitori: trasportano identico flusso di dati (quindi appartengono alla stessa rete) sono ubicati entro una certa distanza l uno dall altro (tipicamente 70 km) sono accuratamente sincronizzati (tipicamente con segnale GPS) è possibile introdurre artificialmente dei ritardi in trasmissione per avvicinare due trasmettitori e renderli cooperanti 23
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Uso efficiente dello spettro: reti SFN nazionali con il DVB-T diventa possibile realizzare reti anche molto estese (ad es. nazionali) che utilizzano una sola frequenza 24
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Uso efficiente dello spettro: reti SFN decomponibili per soddisfare requisiti di decomponibilità (ad es. regionale) è possibile realizzare reti di tipo k-sfn (cioè composte da sottoreti SFN ognuna con una propria frequenza) f2 f2 f2 f3 f3 25
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Esempio di rete analogica multi-frequenza Trasmettitori: 87 Frequenze: 31 26
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Esempio di rete DVB-T SFN Trasmettitori: 57 Frequenze: 1 27
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze Esempio di rete DVB-T SFN a estensione nazionale Trasmettitori: 305 Frequenze: 1 28
SFN-Vs-MFN: rendere più efficiente l uso delle frequenze FINE (grazie per l attenzione) 29