Raport_Z21_21400289_1230_09_INFOTVFM

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Nr pracy

21400289

Nazwa pracy

Porównanie standardów DVB-T i DVB-H w zastosowaniu
do telewizji mobilnej

Zleceniodawca

Data rozpocz

cia

Kwiecie

2009

Data zako

czenia

Kwiecie

2009

Wykonawcy pracy

dr in

Dariusz Wi

cek – kierownik tematu

mgr in

Bartłomiej Goł

biowski

Praca wykonana w Pracowni Gospodarki i In

ynierii Widma

Zakładu Kompatybilno

ci Elektromagnetycznej

Instytutu Ł

czno

ci we Wrocławiu

Kierownik Pracowni Gospodarki i In

ynierii Widma: dr in

. Dariusz Wi

cek

Kierownik Zakładu Z21: dr in

. Janusz Sobolewski

czno

ci, Wrocław 2009

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Spis tre

1. Wst

p .................................................................................................................. 4

2. Podstawowa charakterystyka standardu naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T..... 4

3. Charakterystyka systemu telewizji mobilnej DVB-H ............................................ 9

3.1

Odst

p ochronny ........................................................................................ 12

3.2

MPE-FEC ................................................................................................... 12

3.3

Time Slicing................................................................................................ 13

3.4

Wymagany minimalny C/N ......................................................................... 13

3.5

Przepływno

ść

bitowa .................................................................................. 14

3.6

Szum własny odbiornika............................................................................. 15

3.7

Maska widma dla systemu DVB-T/H .......................................................... 15

4. Porównanie ....................................................................................................... 17

5. Podsumowanie .................................................................................................. 22

6. Literatura ........................................................................................................... 23

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

1. Wst

Standard cyfrowej telewizji naziemnej DVB-T (Digital Video Broadcasting –

Terrestrial) opracowany i zatwierdzony w Europie przez Europejski Instytut

Standardów Telekomunikacyjnych ETSI jako norma europejska PN-EN 302304 jest

obecnie szeroko wdra

any na

wiecie oraz samej Europie. W wi

kszo

ci pa

stw Unii

Europejskiej telewizja cyfrowa zgodna z tym standardem zast

pi emisj

analogow

do roku 2012, a w pozostałych krajach europejskich zgodnie z wynikami Regionalnej

Konferencji Radiokomunikacyjnej ITU-R RRC’06 i podpisanym Planem GE06 [12], do

połowy roku 2015.

Standard DVB-H powstał w oparciu i jako rozwini

cie, standardu naziemnej

telewizji DVB-T z przeznaczeniem do jednoczesnego odbioru telewizji w ruchu za

pomoc

przeno

nych terminali typu komórkowego przez nieograniczon

liczb

odbiorców (telewizja mobilna). Przy jego projektowaniu skupiono si

na zapewnieniu

jak najlepszych parametrów i zoptymalizowaniu go do celów specyficznej transmisji

mobilnej. Dlatego te

, standard DVB-H zawiera szereg innowacyjnych rozwi

technicznych, maj

cych zapewni

poprawny odbiór telewizji cyfrowej na noszonych,

niewielkich i kieszonkowych terminalach, najcz

ęś

ciej zintegrowanych z telefonem

komórkowym lub palmtopem. Standard DVB-H jest wpisany na oficjaln

list

standardów UE i jest popierany przez Komisj

Europejsk

jako standard telewizji

mobilnej dla krajów UE [10].

Poniewa

istniej

próby wykorzystywania standardu DVB-T do odbioru w

ruchu, (co w niektórych przypadkach jest mo

liwe, ale pod pewnymi warunkami i z

pewnymi ograniczeniami) w niniejszej pracy dokonano porównania standardów

DVB-T i DVB-H pod k

tem wykorzystania ich do celów emisji i odbioru telewizji

mobilnej. Wskazano na ograniczenia systemu DVB-T w takim odbiorze z

uwzgl

dnieniem warunków i planów budowy sieci DVB-T w Polsce.

2. Podstawowa charakterystyka standardu naziemnej telewizji

cyfrowej DVB-T

System DVB-T został zaprojektowany na bazie opracowanej wcze

niej techniki

kompresji MPEG-2 i techniki transmisji na wielu no

nych OFDM [7], norma

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

systemowa powstała w roku 1995 a jej rewizja nast

piła w roku 2004 [2].

System DVB-T umo

liwia wykorzystywanie ró

nych trybów transmisji. Mo

liwe

jest zastosowanie dwóch typów liczby no

nych OFDM (2k lub 8k), ró

nych sposobów

modulacji poszczególnych no

nych (QPSK, 16QAM, 64QAM) ró

nych sprawno

kodowania oraz ró

nych warto

ci odst

pu ochronnego dla poszczególnych symboli.

Ogółem mo

na okre

120 ró

nych trybów transmisji standardowej plus warianty z

tzw. modulacj

hierarchiczn

[2]. Ka

dy z wariantów odznacza si

innymi

parametrami odno

nie dost

pnej przepływno

ci cyfrowej, odporno

ci na zakłócenia

(decyduj

cej o zasi

gu) czy mo

liwo

konfiguracyjn

sieci (poprzez wybór tzw.

odst

pów ochronnych). Wybór konkretnego wariantu transmisji zale

y głównie od

rodzaju przesyłanych informacji (liczby i jako

ci programów telewizyjnych) oraz

rodzaju odbioru, jaki zamierza si

osi

ąć

: stacjonarny, przeno

ny czy ruchomy jak

równie

zwi

zanego z tym uzyskiwanego zasi

gu. Nie bez znaczenia jest te

sposób

nadawania (SFN, MFN) i zwi

zane z tym wymagane odległo

ci mi

dzy nadajnikami

w sieci.

Tabela 1 U

yteczne przepływno

ci dost

pne w standardzie DVB-T (w Mbit/s), kanał 8 MHz

Odst

p ochronny

Modulacja

Liczba

bitów na

podno

Kod

1/4

1/8

1/16

1/32

QPSK

1/2

4.98

5.53

5.85

6.03

2/3

6.64

7.37

7.81

8.04

3/4

7.46

8.29

8.78

9.05

5/6

8.29

9.22

9.76

10.05

7/8

8.71

9.68

10.25

10.56

16-QAM

1/2

9.95

11.06

11.71

12.06

2/3

13.27

14.75

15.61

16.09

3/4

14.93

16.59

17.56

18.10

5/6

16.59

18.43

19.52

20.11

7/8

17.42

19.35

20.49

21.11

64-QAM

1/2

14.93

16.59

17.56

18.10

2/3

19.91

22.12

23.42

24.13

3/4

22.39

24.88

26.35

27.14

5/6

24.88

27.65

29.27

30.16

7/8

26.13

29.03

30.74

31.67

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Tabela 2 Wymagane warto

ci C/N (w dB) dla DVB-T w zale

ci od rodzaju kanału

Wymagane C/N dla BER = 2 x 10

-4

Modulacja

Kod

Kanał Gaussa

Kanał Rice’a

Kanał Rayleigha

QPSK

1/2

3,1

3,6

5,4

2/3

4,9

5,7

8,4

3/4

5,9

6,8

10,7

5/6

6,9

8,0

13,1

7/8

7,7

8,7

16,3

16-QAM

1/2

8,8

9,6

11,2

2/3

11,1

11,6

14,2

3/4

12,5

13,0

16,7

5/6

13,5

14,4

19,3

7/8

13,9

15,0

22,8

64-QAM

1/2

14,4

14,7

16,0

2/3

16,5

17,1

19,3

3/4

18,0

18,6

21,7

5/6

19,3

20,0

25,3

7/8

20,1

21,0

27,9

Powy

sza tabela dotyczy odbioru stacjonarnego (kanał Rice’a) – polegaj

cego

na odbiorze za pomoc

anteny kierunkowej zawieszonej na wysoko

ci 10 m n.p.t. w

obecno

ci fali bezpo

redniej od nadajnika oraz odbioru przeno

nego (kanał

Rayleigha) DVB-T – to znaczy takiego, w którym odbiornik ustawiony wewn

trz lub

na zewn

trz domu (nieprzemieszczaj

cy si

) korzysta z prostej anteny przy

odbiorniku (np. pr

towej) gdzie wyst

puj

tylko fale odbite, ale odbiornik nie porusza

. Tabela nie dotyczy odbioru mobilnego, który nie był zakładany w trakcie

projektowania systemu DVB-T. Analiza warunków technicznych odbioru w ruchu przy

wykorzystaniu systemu DVB-T została przedstawiona w rozdziale 4

Zasadnicz

cech

systemu DVB-T jest dobre zabezpieczenie transmisji przed

bł

dami w odbiorze stacjonarnym i przeno

nym umo

liwiaj

ce uzyskiwanie du

ych

zasi

gów w takich warunkach odbioru przy znacznie ni

szej mocy promieniowanej w

stosunku do emisji analogowych oraz uodpornienie sygnału na zaniki wynikaj

ce z

odbi

od przeszkód terenowych (zjawisko wielodrogowo

ci) oraz wzgl

dna tolerancja

efektu Dopplera umo

liwiaj

ca ograniczony odbiór w ruchu dzi

ki specyficznym

cechom transmisji w systemie OFDM [7]. Zastosowanie tzw. odst

pów ochronnych

umo

liwia po

cenie cz

ęś

ci dost

pnej przepływno

ci cyfrowej w celu

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

wyeliminowania wpływu sygnałów odbitych (ech) za pomoc

przedziału czasowego,

w trakcie, którego odbiornik nie analizuje sygnału a wi

c nie reaguje na docieraj

echa. Pozwala to z jednej strony na popraw

jako

ci odbioru w warunkach wielu

odbi

, z drugiej pozwala na stosowanie transmisji jednocz

stotliwo

ciowej, w której

zsynchronizowane sygnały z ró

nych nadajników mog

potraktowane jako

sygnały odbite i w przypadku, gdy sygnały te docieraj

z opó

nieniem mniejszym ni

przedział ochronny mog

potraktowane jako składowa u

yteczna wypadkowego

sygnału OFDM. Dzi

ki tym wła

ciwo

ciom sieci SFN mog

budowane na

znacznych obszarach, wielokrotnie wi

kszych ni

zasi

gi poszczególnych stacji

wchodz

cych w skład danej sieci. Jednak

e w przypadku, gdy odległo

ci mi

dzy

stacjami w sieci zaczynaj

powodowa

opó

nienia mi

dzy sygnałami wi

ksze ni

maksymalna warto

ść

przedziału ochronnego (224 µs) powstaje zjawisko interferencji

własnych sieci, którego wpływ musi by

równie

szczegółowo analizowany i

uwzgl

dniany w wypadkowym zasi

gu sieci.

Tabela 3 Odst

p ochronny w standardzie DVB-T

Odst

p ochronny

1/4

224

1/8

112

1/16

1/32

da no

na OFDM mo

e by

w systemie DVB-T modulowana za pomoc

QPSK, 16QAM lub 64QAM. System QPSK zapewnia du

Ŝą

odporno

ść

sygnału na

zaniki i zakłócenia, jednak ilo

ść

transmitowanej informacji (maksymalnie 11 Mbit/s)

raczej wyklucza jego stosowanie do transmisji kilku programów telewizyjnych SDTV

dobrej jako

ci.

Ciekawym sposobem transmisji sygnału DVB-T jest te

tzw. modulacja

hierarchiczna. W tej metodzie transmisji strumie

bitów dzielony jest na 2 oddzielne

strumienie: pierwszy (HP- high priority) zapewniaj

cy minimaln

jako

ść

o niskiej

przepływno

ci a drugi (LP- low priority) zawieraj

cy informacje dodatkowe

umo

liwiaj

ce odbiór programu z lepsz

jako

w strumieniu HP. Strumie

HP+LP transmitowany jest w wersji 16QAM lub 64QAM i odbiornik potrafi

cy je oba

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

poprawnie zdekodowa

uzyska wysok

jako

ść

obrazu. W obszarach o słabym

sygnale i małym stosunku C/N odbiornik potrafi jedynie okre

, w której

wiartce

płaszczyzny konstelacji 16QAM lub 64QAM znajduje si

aktualna faza sygnału i

traktuje sygnał tak jakby transmitowany był w wariancie QPSK, – na którym

nadawany jest strumie

HP. Dzi

ki temu w obszarach stosunkowo oddalonych od

nadajnika, gdzie nie byłby mo

liwy odbiór sygnału 16QAM, istnieje mo

liwo

ść

odbierania DVB-T w wariancie o ograniczonej jako

ci – tak jakby był nadawany tylko

sygnał QPSK. Umo

liwia to ju

w pierwszym okresie po uruchomieniu nadajnika uzy-

skanie bardzo du

ego obszaru pokrycia DVB-T programami poprawnie odbieranymi,

ale o nieco ni

szej jako

ci. Odbywa si

to jednak kosztem zasi

gu dla wariantu o

bardzo dobrej jako

ci (HP+LP, 16QAM), który spada ze wzgl

du na wzrost

wymaganego C/N (ok.3-4dB). Dlatego nale

y wywa

korzy

ci wynikaj

ce z

kszego zasi

gu o niskiej jako

ci i jednoczesnego zmniejszenia zasi

gu dobrej

jako

ci w przypadku wyboru takiego rodzaju transmisji.

Zasadniczo norma systemu DVB-T bazuje na kompresji MPEG-2 umo

liwiaj

cej,

w zale

ci od zastosowanego trybu transmisji emisj

obecnie 4-5 programów

standardowej rozdzielczo

ci (SDTV) w jednym multipleksie cyfrowym wykorzystuj

tzw. multipleksowanie statystyczne polegaj

ce na przeznaczaniu niewykorzystywanej

w danej chwili pojemno

ci bitowej danego programu (w zale

ci od aktualnie

przekazywanej tre

ci ze zmienn

przepływno

VBR) do celu transmisji innego

programu, wymagaj

cego akurat w tej chwili wi

kszej przepływno

ci bitowej.

Pozwala to na uzyskanie programów bardzo dobrej jako

ci przy warto

redniej 3-

3,5Mb/s na jeden program. Mo

liwe jest tak

e zastosowanie wydajniejszych

systemów kompresji (np. MPEG-4 H.264/AVC) wykorzystuj

c do tego strumie

transportowy MPEG-2 TS zgodnie ze specyfikacj

techniczn

ETSI TS 101154.

Jednak

e w takim przypadku mamy do czynienia z rozszerzeniem normy ETSI i do

odbioru takiego sygnału standardowy odbiornik DVB-T musi zosta

rozszerzony o

dekoder wizji MPEG-4/AVC lub transkoder MPEG-4/MPEG-2. Zastosowanie

wydajniejszej kompresji MPEG-4 AVC pozwala na emisj

7 programów w jednym

multipleksie.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

3. Charakterystyka systemu telewizji mobilnej DVB-H

System DVB-H został opracowany głównie w celu transmisji multimedialnych

(obrazu i d

ku) dla terminali przeno

nych, noszonych w r

ku. Został

zestandaryzowany przez Europejski Instytut Standardów Telekomunikacyjnych ETSI

jako EN 302 304 [1] . System jest kombinacj

elementów warstwy fizycznej (zgodnej

z DVB-T - ETSI EN 300744 [2]), liniowej (MPE-FEC i TS, EN 301 192 [3] oraz

informacji o usługach (protokół internetowy IPDC, EN 300 468 [4]).

W jego opracowanie zaanga

owały si

firmy produkuj

ce telefony komórkowe,

a głównym celem było zapewnienie mo

liwo

ci odbioru obrazu na terminalach

przeno

nych w czasie ruchu, tak

e noszonych w r

ku. Z tego powodu zastosowano

rozwi

zania maj

ce na celu ograniczenie poboru mocy przez odbiornik oraz

pozwalaj

ce na odbiór w ruchu sygnałów emitowanych przez g

ste (komórkowe)

sieci jednocz

stotliwo

ciowe SFN (Single Frequency Network), które w najbardziej

efektywny sposób wykorzystuj

widmo fal radiowych.

Wykorzystano w cało

ci cechy transmisyjne systemu DVB-T, który w

standardzie DVB-H został rozszerzony o dodatkowe funkcje. Sygnał DVB-T w trybie

transmisji 8k ze wzgl

du na fakt, i

efekt Dopplera ogranicza maksymaln

dko

ść

odbiornika DVB-T do kilkudziesi

ciu km/h w trybie 8k, a z kolei w przypadku

transmisji w wariancie 2k sie

SFN jest niezwykle kosztowna i trudna do budowy ze

wzgl

du na konieczno

ść

stawiania bardzo blisko siebie kolejnych stacji (co kilka,

kilkana

cie km) oraz powstaj

ce rozległe zakłócenia własne sieci. W zwi

zku z tym

dla systemu DVB-H przyj

to dodatkowy wariant - 4k pozwalaj

cy na odbiór w ruchu

nawet przy du

ych pr

dko

ciach (rz

du 200 km/h) oraz umo

liwiaj

cy jednocze

nie

na prostsz

i ta

implementacj

w sieciach SFN. Kolejn

ró

nic

w stosunku do

DVB-T było przyj

cie dodatkowego zabezpieczenia przed bł

dami tzw. „zamykania

wieloprotokołowego FEC” MPE-FEC (Multi Protocol Encapsulation Forward Error

Correction) okre

lonego norm

EN 301 192 [3], poprawiaj

cego odbiór sygnału w

czasie ruchu przy u

yciu pojedynczej anteny i uodparniaj

ce sygnał DVB-H na

impulsowe zakłócenia pojawiaj

ce si

w zwi

zku z przemieszczaniem si

odbiornika

i pojawianiem si

dodatkowych fal odbitych docieraj

cych do anteny odbiorczej. Na

elementarnych strumieniach zawieraj

cych sekcje MPE przeprowadza si

tzw.

„szatkowanie czasu” TS (Time Slicing) okre

lone norm

EN 301 192 [3], polegaj

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

na przesyłaniu danych w krótkich czasowo grupach ze znacznie wi

ksz

dko

bitow

. W grupie jest pokazany czas rozpocz

cia nast

pnej grupy. Pozwala to na

przebywanie odbiornika w stanie aktywnym jedynie w tym okresie czasu, w którym

odbiera przychodz

grup

, co z kolei oznacza znaczne zmniejszenie zu

ycia

energii, gdy

odbiornik jest w stanie aktywnym wył

cznie w okresie transmisji a nie

przez cały czas.

Pozwoliło to

na zastosowanie odbiorników przeno

nych o zasilaniu

bateryjnym takich jak terminale komórkowe. Pozostałe cechy transmisyjne (rodzaj

modulacji podno

nych OFDM, kodowanie splotowe itp.) s

identyczne jak w

przypadku DVB-T. Zasadniczymi zakresami cz

stotliwo

ci przeznaczonymi dla DVB-

H s

, podobnie jak dla DVB-T, pasma IV i V (470 – 862 MHz) z tym,

e zaleca si

wykorzystywanie maksymalnie zakresu do 750 MHz w zwi

zku z mo

liwo

wyst

pienia interferencji do terminali komórkowych GSM 900 MHz. System pozwala

na nadawanie zarówno w kanale 8 jak i 7 MHz, jego charakterystyki emisyjne s

takie same jak DVB-T, st

d mo

liwe jest wykorzystanie uzgodnionych

dzynarodowo kanałów i przydziałów przeznaczonych wcze

niej dla DVB-T.

Ró

nice miedzy systemami DVB-T i DVB-H zostały przedstawione na rysunku 1.

Warstwa fizyczna systemu DVB-H odpowiada warstwie fizycznej systemu

DVB-T okre

lonej norm

PN EN 300 744 [2], z nast

puj

cymi zmianami

ukierunkowanymi na zastosowanie systemu DVB-H:

•

Dodatkowa sygnalizacja DVB-H w bitach sygnalizacji parametrów

transmisyjnych TPS w celu ulepszenia i przyspieszenia wykrycia usługi.

Bity sygnalizacji parametrów transmisyjnych daj

równie

liwo

ść

identyfikacji komórki w celu wspomo

enia szybszego wybrania sygnału i

przeł

czania cz

stotliwo

ci na odbiornikach ruchomych. Dla systemu DVB-

H sygnalizacja DVB-H jest obligatoryjna.

•

Tryb 4k w celu dopasowania mobilno

ci i wymiarów komórki SFN,

umo

liwiaj

c odbiór za pomoc

pojedynczej anteny w o

rodku SFN na

bardzo du

ej pr

dko

ci, zwi

kszaj

c w ten sposób elastyczno

ść

przy

projektowaniu sieci. W systemie DVB-H praca trybie 4k jest

nieobligatoryjna.

•

Gł

bokie przeplatanie symboli w trybach 2k i 4k w celu dalszego

zwi

kszenia pewno

ci ich pracy przy pracy w ruchu i warunkach

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

wyst

powania szumu impulsowego. W systemie DVB-H przeplatanie to nie

jest obligatoryjne, jednak

e jest znormalizowane.

Dodatkowy tryb transmisyjny 4k obejmuje zbiór parametrów okre

lony dla

trybów transmisyjnych 2k i 8k. Zastosowanie trybu 4k daje dodatkowe mo

liwo

dopasowania pomi

dzy wymiarami komórki w sieciach SFN i działania w warunkach

odbioru ruchomego zapewniaj

c dodatkowy stopie

elastyczno

ci przy projektowaniu

sieci.

Gł

bokie przeplatanie w trybach 2k i 4k zwi

ksza elastyczno

ść

przeplotu

symboli przez uniezale

nienie wyboru przeplatania wewn

trznego od stosowanego

trybu transmisji. Ta elastyczno

ść

wpływa zarówno na polepszenie odbioru w

kanałach, w których nast

puje zanik sygnału, jak i zapewnia dodatkowy poziom

odporno

ci na szumy impulsowe o krótkim czasie trwania, wywołane np. przez prace

ró

nego rodzaju urz

dze

elektrycznych. Zastosowanie trybu 4k i gł

bokiego

przeplatania nie powoduje znacznego powi

kszenia stopnia skomplikowania

urz

dze

w porównaniu z DVB-T wg normy EN 300 744 v 1.4.1, a emitowane widmo

jest takie samo w trybach 2k i 4k.

Rysunek 1 Implementacja systemu DVB-H na bazie DVB-T [11]

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Tabela 4 Parametry systemu DVB-T i DVB-H dla ró

nych wariantów liczby no

nych (4k tylko dla

DVB-H)

Wariant systemu

Liczba nośnych

1705

3409

6817

Czas trwania
symbolu

224 µs

448 µs

896 µs

Odstęp między
nośnymi

4464 Hz

2232 Hz

1116 Hz

Odstęp ochronny

1/4, 1/8, 1/16 lub 1/32 Tu

Szerokość pasma

7,61 MHz

Modulacja nośnych

QPSK, 16QAM, 64QAM

3.1 Odst

p ochronny

Odst

p ochronny GI (Guard Interval) stosowany jest w celu zapobie

enia

interferencji mi

dzysymbolowych i zale

y od topologii sieci. Warto

ci liczbowe dla

poszczególnych trybów transmisji przedstawiono w tabeli nr 1. Warto

ść

odst

ochronnego definiuje maksymalny okres czasu, po którym docieraj

cy sygnał fali

radiowej odbitej nie powoduje postania niedopuszczalnych zakłóce

Tabela 5 Odst

p ochronny (dla wszystkich modeli terenu) w standardzie DVB-H

Odst

p ochronny

1/4

112

224

1/8

112

1/16

1/32

3.2 MPE-FEC

Transmisja w DVB-H jest oparta o protokół IP, co oznacza,

e w pa

mie

podstawowym jest interfejsem IP, umo

liwiaj

c współprac

z innymi sieciami IP. W

warstwie podstawowej transmisji jest wykorzystywany strumie

transportowy MPEG-

2. Dane IP s

osadzone w strumieniu MPEG dzi

ki protokołowi enkapsulacji MPE

(Multi-Protocol Encapsulation). Ze wzgl

du na małe anteny odbiorcze i odbiór w

ruchu, transmisja powinna by

zabezpieczona przed bł

dami. W tym celu

wprowadzono dodatkow

korekcj

bł

dów FEC (Forward Error Correction) na

poziomie MPE.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

3.3 Time Slicing

Wprowadzony algorytm dzielenia czasu (Time Slicing) ma za zadanie zmniejszy

redni pobór energii (do 90%) przez terminal oraz zapewni

płynne przej

cie

stotliwo

ci ( w przypadku jej zmiany). Mechanizm ten zabezpiecza terminal przed

prac

w trybie ci

głym, co zmuszałoby go do nieustannego zu

ywania energii baterii

i krótkiej pracy.

3.4 Wymagany minimalny C/N DVB-H

Model odbiornika DVB-H został opisany przy pomocy dwóch parametrów:

C/N

min

i Fd

3dB

. Stosunek C/N

min

definiuje minimalny C/N dla MFER 5%.

Gdzie:

ramek

ilosc

calkowita

ramek

blednych

ilosc

MFER

100

⋅

3dB

jest to cz

stotliwo

ść

Dopplera, przy której wymagane C/N wzro

nie o 3

decybele ponad C/N

min

. Nale

y zauwa

e Fd

3dB

jest prawie równe Fd

max

Rysunek 2 C/N dla odbiornika DVB-H w kanale mobilnym [5]

ywaj

c modelu propagacyjnego TU6 dla modelu DVB-H wymagany

stosunek C/N b

dzie wzrastał przy małych pr

dko

ciach. Spowodowane jest to mał

skuteczno

korekcji MPE-FEC dla małych pr

dko

ci.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Tabela 6 Warto

ci liczbowe C/N dla odbioru przeno

nego i mobilnego (DVB-H)

C/N [dB]

Modulacja

Sprawność kodu

Przenośne

(Klasa A i B)

Mobilne

(Klasa C i D)

QPSK

1/2

9,5

QPSK

2/3

12,5

16-QAM

1/2

15,5

16-QAM

2/3

18,5

3.5 Przepływno

ść

bitowa

Tabela 7 U

yteczna przepływno

ść

bitowa (Mbit/s) szeroko

ść

kanału 8MHz.

Pasmo kanału 8 MHz MPE-FEC 3/4

Odst

p ochronny

Modulacja

Kod

1/4

1/8

1/16

1/32

1 / 2

3,731

4,146

4,390

4,523

2 / 3

4,975

5,528

5,853

6,030

3 / 4

5,597

6,219

6,585

6,784

5 / 6

6,219

6,910

7,316

7,538

QPSK

7 / 8

6,530

7,255

7,682

7,915

1 / 2

7,462

8,292

8,779

9,045

2 / 3

9,950

11,056

11,706

12,061

3 / 4

11,194

12,437

13,169

13,568

5 / 6

12,437

13,819

14,632

15,076

16-QAM

7 / 8

13,059

14,510

15,364

15,830

1 / 2

11,194

12,437

13,169

13,568

2 / 3

14,925

16,583

17,559

18,091

3 / 4

16,791

18,656

19,754

20,352

5 / 6

18,656

20,729

21,948

22,614

64-QAM

7 / 8

19,589

21,766

23,046

23,744

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

3.6 Szum własny odbiornika

Rysunek 3 Model odbiornika DVB-H [5]

Typowe straty wprowadzane przez filtr LGSM s

du od 1dB do 6dB dla

stotliwo

ci poni

ej 700 MHz. Dla cz

stotliwo

ci 700-750 MHz warto

ść

strat mo

ksza.

3.7 Maska widma dla systemu DVB-T/H

Maska widma ma na celu zdefiniowanie widmowej g

sto

ci mocy sygnału,

która nie mo

e zosta

przekroczona w

adnym punkcie przez rzeczywisty sygnał.

Maska widma wykorzystywana jest w analizach wzajemnych zakłóce

ró

nych

systemów radiowych wewn

trz kraju jak i z krajami s

siaduj

cymi. Przekroczenie

przez rzeczywisty sygnał poziomów maski zdefiniowanej dla systemu mo

oznacza

ryzyko powstania niedopuszczalnych zakłóce

w innych systemach

radiowych we wspólnym lub s

siednim pa

mie zarówno w Polsce jak i za granic

Na rysunku 4 przedstawiono mask

widma dla systemu, DVB-T, która zgodnie

z RRC06 obowi

zuje dla wszystkich systemów implementowanych w pasmach

telewizyjnych. W krytycznych przypadkach, takich jak s

siedztwo kanałów

telewizyjnych z kanałami innych słu

b (niska moc lub tylko odbiór), mo

e by

potrzebna maska widma z silniejszym tłumieniem poza kanałem.

System DVB-H wykorzystuje t

sam

mask

widma.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Porównanie systemów DVB-T i DVB-H w warunkach
odbioru mobilnego

Główne cechy standardu DVB-H wyró

niaj

ce go w stosunku do standardu

DVB-T, oraz optymalizuj

ce go do odbioru mobilnego to omówione w poprzednim

rozdziale:

•

Kodowanie MPE-FEC (Multi Protocol Encapsulation Forward Error Correction)

zwi

kszaj

ce czuło

ść

odbiornika w warunkach odbioru w ruchu.

•

Time slicing – ograniczaj

cy zu

ycie energii, a co za tym idzie dłu

sze

działanie terminala mobilnego na zasilaniu bateryjnym.

Brak tych cech w standardzie DVB-T nie wyklucza go jednak do stosowania w trybie

mobilnym, jednak wnosi za sob

istotne konsekwencje. Brak systemu

ograniczaj

cego zu

ycie energii przez terminal w trybie time slicing powoduje,

praca terminala mobilnego DVB-T na zasilaniu bateryjnym jest bardzo ograniczona i

znacznie krótsza. Wynika to te

z faktu, i

w standardzie DVB-H rozdzielczo

ść

obrazu jest odpowiednio dopasowana do niewielkich wymiarów terminali mobilnych

(zintegrowanych z terminalami komórkowymi) a pr

dko

ci bitowe s

niewysokie

(kilkaset kb/s), Dlatego te

nie jest konieczne analizowanie i przetwarzanie du

ego

strumienia bitów. Natomiast, je

li w naziemnej emisji DVB-T stosowany jest standard

kompresji MPEG-4 H.264/AVC to sygnał taki, aby mógł by

prawidłowo

zdekodowany wymaga pr

dko

ci bitowej 3-4 Mb/s i wymaga jeszcze wi

kszej mocy

obliczeniowej urz

dzenia przeno

nego ni

w przypadku MPEG-2, co jest

równoznaczne z dalszym zwi

kszeniem poboru energii i znacznych wymaga

sprz

towych (moc procesora i wielko

ść

pami

ci buforuj

cych), co z jednej strony

podra

a urz

dzenia odbiorcze a z drugiej jeszcze szybciej ni

w przypadku DVB-

T/MPEG-2 wyczerpuje zasoby baterii. Mo

liwe natomiast byłoby wykorzystywanie

kszych i bardziej zło

onych odbiorników samochodowych DVB-T – jednak tu

ograniczeniem w ich wykorzystaniu byłyby mo

liwy zasi

gi sieci DVB-T w warunkach

odbioru mobilnego, o których mowa dalej, oraz tryb 8k ograniczaj

cy pr

dko

ść

dobrego odbioru do ok. 55-90 km/h.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Brak kodowania MPE-FEC w DVB-T, które zwi

ksza czuło

ść

odbiornika DVB-H (a

c obni

a wymagany stosunek C/N w warunkach odbioru mobilnego) powoduje,

wymagane nat

ęŜ

enie pola dla sygnału DVB-T (w tych samych warunkach odbioru)

jest znacznie wy

sze – a zatem zasi

g mniejszy. W Europie w telewizji naziemnej

stosuje si

modulacje 16-QAM lub 64-QAM. Od wyboru modulacji równie

zale

wymagany poziom nat

ęŜ

enia pola.

W tabelach 8 i 9 przedstawiono rzeczywiste wymagane minimalne poziomy C/N dla

odbiorników DVB-T i DVB-H w odbiorze mobilnym. W Polsce w DVB-T

wykorzystywana b

dzie modulacja 64QAM (kod 3/4 lub 5/6), która wymaga

dzie

zachowania warto

ci C/N dla odbioru mobilnego w klasie C i D minimum 29 dB –

znacznie wi

cej od warto

ci C/N dla odbioru stacjonarnego (21 dB) w DVB-T.

Jeszcze wi

ksza ró

nica wyst

powa

dzie w porównaniu do warto

ci C/N dla

odbioru mobilnego w DVB-H. Dla DVB-H w pocz

tkowym okresie budowy sieci

wybrana b

dzie zapewne modulacja QPSK kod 2/3, która gwarantuje wystarczaj

przepływno

ść

do emisji kilkunastu programów i wymaga zapewnienia poziomu C/N

11,5 dB.

Zatem ró

nica warto

ci C/N w trybach wykorzystywanych w Polsce w przypadku

odbioru mobilnego dla DVB-T i dla DVB-H wynosi ok. 18 dB i o tak

warto

ść

musiałoby by

ksze pole elektryczne

eby mo

na było mówi

o porównywalnej

jako

ci odbioru w ruchu (zakładaj

c max. pr

dko

ść

odbioru DVB-T kilkadziesi

km/h). Co bardzo istotne, maksymalna pr

dko

ść

poruszaj

cego si

terminala w

warunkach pola minimalnego ze wzgl

du na efekt Dopplera dla DVB-T b

dzie

ograniczona do pr

dko

ci kilkudziesi

ciu km/h (55 km/h dla 64QAM kod 2/3), gdzie w

DVB-H pr

dko

ść

poruszaj

cego si

terminala wynosi

e ok. 160 km/h a w

miejscach gdzie pojazd b

dzie poruszał si

z wi

ksz

dko

odbiór byłby

problematyczny nawet gdyby osi

gane było wysokie nat

ęŜ

enie pola u

ytkowego.

Skutkuje to tym,

e mobilny odbiór w standardzie DVB-T w Polsce b

dzie bardzo

ograniczony terytorialnie i niemo

liwy do u

ytkowania w szybko poruszaj

cych si

samochodach (autostrady i drogi szybkiego ruchu) czy poci

gach – gdzie osi

gane

warto

ci nat

ęŜ

enia pola DVB-T b

niskie.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Tabela 8 Minimalne wymagane poziomy C/N dla odbiorników DVB-T w odbiorze mobilnym (model
kanału TU6 dla klasy C i D, dla klasy A model PO, dla klasy B model PI) [9]

QPSK 1/2

16QAM 2/3

64QAM 2/3

Klasa A

10.5 dB

19.5 dB

24.3 dB

Klasa B

9 dB

18 dB

22.8 dB

Klasa C i D

15 dB

23 dB

29 dB

Max pr

dko

ść

odbiornika

przy 698 MHz

(cz

stotliwo

ść

Dopplera)

90 km/h (60 Hz)

55 km/h (35 Hz)

Przepływno

ść

dla kanału 8

MHz i GI 1/8

5.53 Mbit/s

14.74 Mbit/s

22.11 Mbit/s

Przepływno

ść

dla kanału 8

MHz i GI 1/8

6.03 Mbit/s

16.08 Mbit/s

24.12 Mbit/s

Tabela 9 Minimalne wymagane warto

ci C/N dla odbiorników DVB-H w odbiorze mobilnym (model

kanału TU6 dla klasy C i D, dla klasy A model PO, dla klasy B model PI) [9]

QPSK 1/2

MPE FEC 3/4

QPSK 2/3

MPE FEC 3/4

16QAM 1/2

MPE FEC 3/4

16QAM 3/4

MPE FEC 3/4

Klasa A

7 dB

10 dB

13 dB

16 dB

Klasa B

8 dB

11 dB

14 dB

17 dB

Klasa C i D

8.5 dB

11.5 dB

14.5 dB

17.5 dB

Przepływno

ść

dla

kanału 8 MHz i GI

1/8

3.74 Mbit/s

4.98 Mbit/s

7.46 Mbit/s

9.95 Mbit/s

Przepływno

ść

dla

kanału 8 MHz i GI

1/8

4.15 Mbit/s

5.53 Mbit/s

8.30 Mbit/s

11.06 Mbit/s

Max pr

dko

ść

odbiornika: 5 km/h dla klasy A i B, 160 km/h (100 Hz) dla klasy C i D przy 698

MHz

W przypadku odbioru przeno

nego w tabeli 10 przedstawiono przykładowe nat

ęŜ

enia

pola, oraz orientacyjne promienie zasi

gu wyznaczone w oparciu o metod

Okumura-Hata dla przykładowej stacji (Wie

a Eiffla). W przypadku standardu DVB-T

z modulacj

64-QAM kod 2/3 poziom nat

ęŜ

enia pola jest o ponad 10dB wi

kszy ni

dla DVB-H z modulacj

QPSK kod 2/3, a przybli

ony promie

zasi

gu ponad 2 razy

mniejszy. Dla DVB-T z modulacj

16-QAM ró

nice s

o około połow

mniejsze.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Tabela 10 Przykładowe zasi

gi uzyskane z u

yciem modelu propagacyjnego Okumura-Hata dla

ró

nych standardów DVB, nadajnik ERP=20 kW, f = 600 MHz, hant = 324m, ant. Odb. 1,5 mnpt [6]

Rodzaj odbioru

Odbiór wewn

trzny

Odbiór przeno

ny na zewn

trz

Standard

DVB-T

DVB-H

DVB-T

DVB-H

Modulacja, kodowanie

64QAM

2/3

16QAM

2/3

QPSK

2/3

64QAM

2/3

16QAM

2/3

QPSK

2/3

Wymagany poziom
nat

ęŜ

enia pola

[dBµV/m]

82.2

77.7

71.6

66.6

62.1

55.1

teren

miejski

4.4

6.3

10.3

15.5

22.3

39.3

podmiejski

9.0

12.9

21.2

32.0

46.0

68.7

Promie

zasi

gu z

metody
Okumura-
Hata [km]

wiejski

38.4

55.3

68.7

Wida

, zatem wyra

nie,

e ch

ęć

budowy sieci DVB-T w celu uzyskania odbioru

mobilnego i przeno

nego wymaga znacznie wi

kszych poziomów nat

ęŜ

pola

elektromagnetycznego, czyli bezpo

rednio dro

szej i kosztowniejszej infrastruktury

analogiczna sie

telewizji mobilnej zbudowana w oparciu o standard DVB-H

oferuj

ca znacznie wi

ksz

liczb

programów w multipleksie (kilkana

cie) w

stosunku do sieci DVB-T (siedem).

Zastosowanie standardu DVB-T do telewizji mobilnej mo

e by

prostsze w krajach,

które wybrały jako standard emisji telewizji naziemnej DVB-T modulacj

16-QAM

(warto

ci C/N 17-23 dB), od krajów takich jak Polska, które b

stosowa

wył

cznie

modulacj

64-QAM (warto

ci C/N 21-29 dB). Dodatkowym ułatwieniem jest istniej

infrastruktura DVB-T pozwalaj

ce na emisje SFN za pomoc

kilku czy wielu stacji

bardzo du

ej mocy jak to jest np. w przypadku Berlina. Tak wi

c np. w Niemczech,

odbiór DVB-T przez terminale mobilne zdobywa popularno

ść

dzi

ki zastosowaniu

modulacji 16-QAM i kompresji MPEG2 oraz istniej

cej sieci kilku stacji du

ej mocy

SFN zapewniaj

cych wysokie nat

ęŜ

enie pola w obr

bie zasi

gu sieci. Takiej sytuacji

nie b

dzie w Polsce gdzie b

dzie modulacja 64QAM, kompresja MPEG-4/AVC oraz

pojedyncze stacje du

ej mocy umieszczone poza centrami miast.

liwe wykorzystanie w DVB-T tylko trybów 2k i 8k, powoduje,

e przy budowie

sieci SFN do odbioru mobilnego konieczny jest wybór pomi

dzy ograniczonymi

rozmiarami komórki sieci SFN (tryb 2k), a mał

odporno

na efekt Dopplera (tryb

8k). W standardzie DVB-H u

yteczny jest dodatkowy tryb 4k, zapewniaj

kompromis pomi

dzy odporno

na efekt Dopplera i mo

liwo

odbioru w szybko

poruszaj

cym si

poje

dzie, a rozs

dnymi parametrami budowy sieci SFN.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Zastosowanie trybu 2k jak i 8k dopuszczalnych w DVB-T wi

dzie z

problemami i w przypadku Polski gdzie stosowane b

sieci 8k mog

pojawia

problemy z odbiorem w ruchu ze wzgl

du na powstaj

cy efekt Dopplera.

W Polsce naziemna telewizja cyfrowa DVB-T b

dzie budowana i u

ytkowana

(przynajmniej przez najbli

sze lata) w sieciach przystosowanych głównie do odbioru

stacjonarnego ze wzgl

du na istniej

ce telewizyjne anteny odbiorcze do odbioru

stacjonarnego oraz ze wzgl

du na słab

infrastruktur

techniczn

składaj

istniej

cej sieci pojedynczych stacji du

ych mocy, które gdzieniegdzie b

uzupełniane dodatkowymi stacjami ze wzgl

du na fakt i

wzrost wymagania poziomu

odbioru np. tylko do przeno

nego zewn

trznego oznaczałby konieczno

ść

budowy

o dro

szej sieci nadawczej ni

ta, która obecnie jest wykorzystywana i

prawdopodobnie nie uda si

tego zrobi

w najbli

szych latach. Podczas planowania

sieci stacjonarnej przyjmuje si

specyficzne parametry do odbioru stacjonarnego

DVB-T (np. kierunkowa antena odbiorcza) zapewniaj

ce du

o ni

sze wymagane do

odbioru nat

ęŜ

enie pola elektromagnetycznego oraz ograniczaj

ce zakłócenia od

innych stacji. Wykorzystanie DVB-T do odbioru mobilnego w du

ych miastach byłoby

łatwiejsze, gdyby du

e stacje nadawcze znajdowały si

bardzo blisko miast lub w

samych miastach (np. wie

e nadawcze w miastach niemieckich: Berlin, Monachium).

Wtedy taka stacja (lub kilka stacji) łatwo pozwalałaby na uzyskanie odpowiednio

wysokiego poziomu pola w niektórych obszarach centrum miasta wystarczaj

cego do

odbioru mobilnego z mał

dko

. Jednak sie

DVB-T w Polsce b

dzie korzysta

głównie z du

ych stacji nadawczych zlokalizowanych zwykle od kilkunastu do

kilkudziesi

ciu km poza du

ymi miastami. Zatem bardzo wła

ciwie niemo

liwe

wykorzystanie tych stacji do zapewnienia odbioru mobilnego w miastach. W tym celu

konieczne byłoby uzupełnienie sieci o wiele dodatkowych stacji zlokalizowanych w

mie

cie i pracuj

cych w sieci jednocz

stotliwo

ciowej SFN a i tak wy

sze wymagania

odno

nie nat

ęŜ

enia pola oznaczałyby ni

sze zasi

gi ni

w przypadku DVB-H.

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

Podsumowanie

Standard telewizji mobilnej DVB-H, dzi

ki zastosowaniu specjalnych

mechanizmów i udoskonale

w stosunku do DVB-T, jest najbardziej optymalny do

wykorzystania w telewizji mobilnej umo

liwiaj

c emisj

kilkunastu programów

telewizyjnych na terminale komórkowe przy ni

szych kosztach infrastruktury

nadawczej, mo

liwo

ci odbioru przy du

ych pr

dko

ciach oraz oszcz

dnemu

gospodarowaniu energi

telefonu komórkowego. Standard DVB-T mógłby by

wykorzystywany w telewizji mobilnej jednak w Polsce wyst

piłyby liczne

ograniczenia:

•

Znacznie wy

sze wymagane nat

ęŜ

enie pola do odbioru mobilnego

(wskutek wy

szego C/N i modulacji 64-QAM), a wi

c znacznie wy

sze

koszty budowy sieci.

•

Znaczny koszt przystosowania sieci DVB-T planowanej i budowanej do

odbioru stacjonarnego w wykorzystaniu mobilnym (konieczno

ść

wielu

dodatkowych stacji uzupełniaj

cych w sieci SFN).

•

Ograniczona mo

liwo

ść

wykorzystania istniej

cych stacji du

ej mocy

DVB-T do zapewnienia zasi

gu mobilnego w miastach.

•

Ograniczona pr

dko

ść

odbioru w poruszaj

cych si

pojazdach (efekt

Dopplera), słaby lub całkowity brak mo

liwo

ci u

ywania w szybko

poruszaj

cych si

pojazdach.

•

Krótszy czas pracy terminala na zasilaniu bateryjnym (brak mechanizmu

oszcz

dzaj

cego energi

zastosowanego w DVB-H oraz przetwarzanie

kszego strumienia bitów).

•

Ograniczona ilo

ść

na rynku terminali mobilnych z odbiornikiem DVB-T

(brak terminali mobilnych DVB-T MPEG4/AVC).

•

Mniejsza liczba programów telewizyjnych, brak mo

liwo

ci kodowania

transmisji w pierwszych multipleksach DVB-T oznaczaj

ca brak mo

liwo

transmisji innych programów i usług ni

powszechnie dost

pne FTA

multipleksy DVB-T.

Uwzgl

dniaj

c wszystkie aspekty mo

na stwierdzi

e standard DVB-H jest obecnie

najlepszym technicznie rozwi

zaniem umo

liwiaj

cym odbiór wielu programów

Raport Z21/21400289/1230/09Instytut Łączności, Wrocław

telewizyjnych za pomoc

telefonów komórkowych jednocze

nie przez wiele tysi

ytkowników (zwłaszcza w centrach miast), nieposiadaj

cym tylu ogranicze

zasi

gu i mo

liwo

ci jego wykorzystania w warunkach mobilnych, jakimi b

dzie

odznaczał si

wprowadzany w Polsce system DVB-T MPEG-4/AVC.

Literatura

[1]

ETSI EN 302 304, Digital Video Broadcasting (DVB); Transmission System for
Handheld Terminals (DVB-H), ETSI, 2004

[2]

ETSI EN 300 744, Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure,
channel coding and modulation for digital terrestrial television, ETSI, 2004

[3]

ETSI EN 301 192, Digital Video Broadcasting (DVB); DVB specification for
data broadcasting, ETSI, 2004

[4]

ETSI EN 300 468, Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service
Information (SI) in DVB systems, ETSI, 2004

[5]

EBU TECH 3317, Planning parameters for hand-held reception, Geneva, July
2007

[6]

Mobile TV standards: DVB-T vs. DVB-H, Gerard Pousset, EBU Technical
Review, 2008 Q4

[7] Wi

cek D. Modulacja OFDM, KKRR’98, Pozna

, 1998

[8] Wi

cek D.: Wybrane aspekty techniczne planowania sieci DVB-T, KKRRiT

2003, Wrocław, 2003

[9] Mobile Broadcast Technologies, Link Budgets, Update 02/2009, bmcoforum,

February 2009

[10]

Komunikat Komisji Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiego Komitetu
Ekonimiczno-społecznego

Komitetu

Regionów

Wzmocnienie

rynku

wewn

trznego na rzecz telewizji komórkowej KOM(2007) 409

[11]

ETSI TR 102 377, Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-H Implementation
Guidelines, ETSI, 2005

[12]

Final Acts of the Regional Radiocommunication Conference for planning of the
digital terrestrial broadcasting service in parts of Regions 1 and 3, in the
frequency bands 174-230 MHz and 470-862 MHz (RRC-06), Genewa, June,
2006