Distribuční sítě DVB

záhlaví
rozhovor
Distribuční sítě DVB-T a síť SFN
JiÏ dlouhou dobu se mluví v kruzích odborné vefiejnosti o digitálním televizním
vysílání a obzvlá‰tû o jeho pozemní variantû, tedy o pozemnû pfiená‰ené digitální televizi (Digital Video Broadcasting Terestrial – DVB-T). Projekt DVB
odstartovan˘ v fiíjnu 1993 podepsáním
Memoranda porozumûní od této doby
prodûlal boufiliv˘ v˘voj a pfienesl se do
praxe. Pfiedev‰ím v oblasti satelitního
vysílání (Digital Video Broadcasting
Satellite – DVB-S) jsme se doãkali brzké
implementace. U varianty pozemní,
Základní aspekty primární distribuce
Primární distribuãní síÈ (nûkdy naz˘vána
jako transportní síÈ) pfiená‰í TV signál
z TV produkce do vysílací sítû. Následující odstavce posuzují dostupné metody
primární distribuce; v praxi jsou nakonec
tvofieny kombinací z nûkolika zde popsan˘ch
moÏností.
Centralizované vytváření signálu COFDM
Modulátor COFDM je umístûn v centrálním
bodu a modulovan˘ signál COFDM je pfiená‰en pomocí pozemních linek SFN k vysí-
Obr. 1 Blokové schéma síťového adaptéru DVB – SDH
tedy DVB-T do‰lo k prvnímu komerãnímu vysílání (Velká Británie, ·védsko)
a k provedení mnoha pilotních projektÛ. I v âR jiÏ probíhá pokusné vysílání,
a to v Praze na 25. kanále (âeské radiokomunikace) a 46. (Czech Digital Group).
DÛleÏit˘mi aspekty pfii budování a pro-
laãÛm. Standardní frekvenãnû modulované
(FM) linky SFN jsou pouÏívány pro analogové signály PAL a SECAM, mohou b˘t
pouÏity pro pfienos signálÛ COFDM s pfiimûfien˘m v˘konem na vzdálenosti kolem
20 km. Pfienos mÛÏe b˘t zlep‰en pfii úpravû
linkov˘ch systémÛ dle doporuãení ITU-
Obr. 2 Přenos prostřednictvím ATM
vozu DVB-T jsou fie‰ení primární distribuce a volba, zda stavût jednofrekvenãní
síÈ SFN (v oblasti stfiední Evropy nevyhnutelná kvÛli obsazení kmitoãtového
spektra).
1
R 405 pomocí pre/deemfáze a ostatních
obvodÛ nezbytn˘ch pro pfienos COFDM
s redukcí fázového ‰umu v lokálních oscilátorech. Analogová satelitní distribuce
signálÛ COFDM je také technicky moÏná.
Decentralizované vytváfiení signálÛ COFDM
MPEG2-TS musí b˘t pfiená‰en do v‰ech
COFDM modulátorÛ v síti. Distribuãní síÈ
mÛÏe vyuÏívat pevné pozemní nebo satelitní linky a mÛÏe také vkládat dal‰í informace do multiplexu MPEG-2, napfiíklad
rÛzné regionální programy. Také vyuÏití
optického kabelu unequipped optical fibre
(„Dark fibre“) je v mnoha zemích závislé
na pfiedpisech a místních síÈov˘ch operátorech. V pfiípadû dostupnosti je to v˘hodn˘ a ekonomick˘ zpÛsob pfienosu na vzdálenosti kolem 100 km. Vlákno je pfiipojeno
na optick˘ zdroj nebo
vysílaã nebo na dal‰í
terminály ãi monitorovací zafiízení. UÏivatel je
pfiipojen pomocí vhodného terminálu pfiímo
na vlákno (direct connection), které je opatfieno
vhodn˘m konektorem.
Z bezpeãnostních dÛvodÛ je urãen maximální
v˘kon záfiení.
PouÏití dvoufázového kanálového kódování
je specifikováno v DVB
Professional Interface
(EN 50083-9), zaji‰Èuje
dobrou pfienosovou charakteristiku (bez
stejnosmûrn˘ch a frekvenãních pfiechodÛ),
pfiestoÏe zdvojuje bitov˘ tok. Na krátké
vzdálenosti okolo 3 km mohou b˘t pouÏita vícemódová vlákna s diodami LED nebo
laserov˘mi vysílaãi; del‰í vzdálenosti vyÏadují pouÏití jednomódov˘ch vláken s laserov˘mi vysílaãi.
Sítû PDH
Pleziochronní digitální hierarchie (PDH)
je navrÏena pro digitální signály 64 kb/s,
vy‰‰í stupnû jsou násobky, v USA do
274,176 Mb/s (T-1 aÏ T-4), v Evropû do
139,267 Mb/s (E-1 aÏ E-4 + nestandardizovan˘ stupeÀ E-5 ... 564,992 Mb/s).
Pfiíspûvkové kanály nejsou synchronní,
multiplexer ãte pfiíspûvkov˘ kanál dostateãnou rychlostí, aby bylo moÏné „vyplnit“
bitové toky slep˘mi bity tak, Ïe je dosaÏeno
vyrovnání rychlostí. Vztahy mezi rychlostmi nejsou dány podílem cel˘ch ãísel, termín „pleziochronní“ znamená „témûfi synchronnní“. Problémem je vyjmutí ãi vloÏení toku dat, obnovení spojení po v˘padku.
ITU-T doporuãení G.703 specifikuje
rozhraní pro rÛzné hierarchické úrovnû;
rozhraní pro 34,368 Mb/s je vhodné pro
pfienosov˘ tok Transport Stream (TS).
Rozhraní mezi pfienosov˘m tokem DVB a
sítí PDH je specifikováno v ETS 300 813
[1].
11
rozhovor
Na obr. 1 je schéma síÈového adaptéru
DVB-PDH navrÏeného EBU a normovaného
v ETS 300 813, kde je moÏné nalézt dal‰í
podrobnûj‰í informace [1].
Sítû SDH
Jedná se o mezinárodní standard, jehoÏ
plnû sluãitelnou souãástí je americká technologie SONET (Synchronous Optical
Network) vyvinutá v Bellov˘ch laboratofiích. PfiestoÏe je pfienos SDH (Synchronous Digital Hierarchy), jak udává zkratka,
synchronní, je schopen pfiená‰et jak synchronní, tak asynchronní informaci.
Informace pfiená‰ené v synchronní digitální hierarchii jsou uloÏeny do kontejnerÛ
s kapacitou 2 nebo 34 Mb/s. Kontejnery
jsou uspofiádány do informaãního bloku
základního rámce SDH. Kromû informaãního bloku obsahuje rámec SDH je‰tû záhlaví s kapacitou 5 Mb/s. Tato kapacita je
vyhrazena pro fiídicí funkce SDH. Základní
pfienosová rychlost rámcÛ je 155,52 Mb/s.
Nejvy‰‰í úroveÀ je STM-16, které odpovídá
pfienos rychlostí 2488,32 Mb/s. Pfiíspûvkové rámce mohou ubíhat oproti rámcÛm
STM a klíãem k úspûchu STM je pouÏití
ukazovátek (pointerÛ), oznaãujících polohu
pfiíspûvku v rámcích STM.
Tedy jednodu‰‰í pfiístup k informacím
s niωí pfienosovou rychlostí je jednou
z klíãov˘ch v˘hod pfienosu v hierarchii
SDH oproti PDH.
PruÏnost, která je vlastní hierarchii
SDH, je zvlá‰tû vhodná pro pfienos informace ATM. BuÀky ATM jsou vkládány do
nejvût‰ích dostupn˘ch kontejnerÛ SDH,
které jsou pfiená‰eny v informaãním bloku
rámce SDH (obr. 2).
Transportní mód ATM (Asynchronous
Transfer Mode) hierarchie SDH jsou komplementární. Mód ATM poskytuje ‰ífiku
pásma, která je poÏadována danou sluÏbou a SDH zaji‰Èuje zpÛsob pfienosu informace ATM v rámci sítû bez ohledu na typ
provozu.
Na obr. 3 je blokové schéma síÈového
adaptéru DVB-SDH uvedené EBU v normû
ETS 300 814 [2].
Sítû ATM
V budoucnosti se nám nabízí pro primární
distribuci pouÏití Asynchronního pfienosového módu (ATM). ATM pouÏívá buÀkovou strukturu multiplexu a mÛÏe b˘t vyuÏito k pfienosu signálÛ PDH (ETS 300 813)
a SDH (ETS 300 814). BuÀky ATM sestávají z 5oktetové hlaviãky a následuje 48 oktetÛ dat. Pro pfiizpÛsobení rÛzn˘ch signálÛ pro ATM je definováno pût ATM
Adaptaãních úrovní (AALs). AAL1 nebo
AAL5 mohou b˘t pouÏity pro pfienos
MPEG2-TS, li‰í se chybovou detekcí a korekcí pouÏitou v AAL1 (v AAL5 pouÏity
nejsou).
BuÀky ATM jsou na rozdíl od synchronního pfienosového módu a pfienosu
paketÛ vkládány do ãasov˘ch intervalÛ
a vytváfiejí tak spojit˘ tok tûchto elementárních intervalÛ. Neexistuje zde Ïádn˘ rámec, kterému by informace musela b˘t
pfiizpÛsobena. BuÀky ATM jsou vloÏeny
do toku ãasov˘ch intervalÛ, kdykoliv je takov˘ voln˘ interval k dispozici. Fixování
pevné délky bunûk je klíãovou pfiedností
ATM na rozdíl od konvenãních sítí, kde se
pfiená‰ejí pakety o promûnné ‰ífice prostfiednictvím fixního pásma. V existujících
sítích to umoÏÀuje vystavût dynamické
virtuální cesty smûrováním bunûk pomocí
pfiepínaãÛ ATM rÛzn˘mi cestami do místa
urãení, kde je znovu sestaven informaãní
paket. Cesty lze okamÏitû rekonfigurovat
a opûtovnû jinak vyuÏít. V˘sledkem je
Obr. 3 Blokové schéma síťového adaptéru DVB-SDH
12
velmi pruÏn˘ systém, kter˘ nemá rigidní
strukturu. Nerozli‰uje kolik a jak˘ typ
provozu putuje v libovolnû definovaném
okamÏiku systémem, z ãehoÏ vypl˘vá,
Ïe pfienosov˘ mód ATM je schopen potenciálnû zpracovat jakoukoliv sluÏbu.
Z tûchto dÛvodÛ b˘vá mód ATM oznaãován za systém, kter˘ je schopen poskytnout libovolnou poÏadovanou ‰ífiku pásma.
SíÈové adaptéry specifikované pro
adaptaci DVB do sítí PDH a SDH jsou zaloÏeny na pfievodu MPEG2-TS do bunûk
ATM s vyuÏitím AAL1 s pozdûj‰ím pfievodem bunûk ATM do rámcÛ PDH nebo
SDH. Proto tyto specifikace mohou b˘t
pouÏity pro pfienos sítí ATM.
Satelitní distribuce
Pfienosov˘ tok mÛÏe b˘t pfiená‰en satelitním spojem s vyuÏitím DVB-S (EN
300 421). Av‰ak ve v‰ech vysílacích sítích je doporuãen re-multiplex SI dat
pro respektování zmûny pfienosového
média.
Synchronizace
MPEG z ãasového hlediska
MPEG-2 dekodér v pfiijímaãi musí obnovovat programové hodiny. Obvykle se
k tomu vyuÏívají programové hodiny
(Programme Clock Reference – PCR) vkládané do v‰ech paketÛ MPEG – specifikace vyÏaduje maximální interval mezi po
sobû jdoucími PCR pro kaÏd˘ program
0,1 s. Nepfiesnosti v odstupech po sobû
jdoucích PCR v pfiijímaãi zpÛsobuje jitter
v hodinách pfiijímaãe.
Pfii multiplexování nebo re-multiplexování je vloÏeno rÛzné mnoÏství paketÛ
mezi pÛvodní, podle odchylky od poÏadovaného odstupu PCR.
rozhovor
Synchronizace MPEG multiplexoru
a modulátoru
1) modulátor COFDM je master. Toto je
nejjednodu‰‰í pfiípad, kdy je synchronizace pfiedávána mezi modulátorem
a multiplexerem. Omezení je dáno jitterem hodin vznikajícím pfii vût‰í
vzdálenosti mezi modulátorem a multiplexerem.
2) COFDM modulátor i multiplexer jsou
masters. Zde obsahuje modulátor jednoduch˘ remultiplexer a pomocí nûj je
Synchronizace
V‰echny vysílaãe v SFN jsou synchronnû
modulovány stejn˘m signálem a vysílají na
stejné frekvenci. V‰echny souãasnû vysílané signály musí b˘t frekvenãnû, ãasovû a bitovû synchronizovány. Pro docílení tûchto
poÏadavkÛ (frekvence) musí b˘t v‰echny
oscilátory na v‰ech vysílaãích fiízeny referenãním oscilátorem. JestliÏe (ãasovû) Tn
pfiedstavuje ideální okamÏik pro symbol nth,
kter˘ bude vysílán, budou moci v‰echny
vysílaãe pfiijmout tento symbol v ãase
a proto mohou b˘t i nejlep‰í vysílaãe
PAL nepouÏitelné pro DTT.
– V˘stupní Back-off. Maximální v˘kon,
kter˘ mÛÏe b˘t získán z vysílaãÛ, je
omezen nelineárními efekty v zesilovaãích, které ovlivÀují kvalitu vysílání.
Pro v‰echny vysílaãe pouÏité v DVB-T
vysílání existuje daná velikost v˘stupního v˘konu, která maximalizuje velikost pokrytého území. S niωím v˘konem nebude vyuÏita celá kapacita zafiízení, s vy‰‰ím v˘konem obdrÏíme
Obr. 4 Schéma sítě SFN
upravována bitová rychlost vkládáním
nulov˘ch paketÛ; kvÛli tomu musí b˘t
upraveno PCR pro v‰echny sluÏby.
Tato metoda je velice flexibilní, ale na
druhou stranu nehospodárná ve vyuÏití
bitového toku.
3) Multiplexer je master. Modulátor má velkou vyrovnávací pamûÈ na vstupu a v˘stupní hodiny jsou fiízeny v závislosti na
zaplnûní vstupní vyrovnávací pamûti.
4) Externí synchronizace. Modulátor a multiplexer jsou fiízeny z dostupného univerzálního externího ãasového zdroje. Pfii
pouÏití sítû SFN je nutné zabezpeãit dÛkladnou synchronizaci v primární distribuãní síti.
Síť SFN
Síťová topologie
SíÈ pfiedstavuje kompletní digitální pozemní TV fietûz, tvofiící DVB-T a sestávající
ze ãtyfi ãástí:
– produkãní TV studio a hlavní „control
room",
– zdrojové kódování, vkládání dat a programov˘ multiplex,
– primární distribuãní síÈ (transportní),
– sekundární distribuãní síÈ (vysílací).
Požadavky na SFN
Nastavení SFN umoÏÀuje v DVB-T nastavení v‰ech v˘znamn˘ch parametrÛ v poli
televizního vysílání. Hlavní parametr je
spektrální úãinnost. Pro zdárné dosaÏení
tûchto parametrÛ musí b˘t zváÏeno nûkolik specifick˘ch parametrÛ.
Tn±1µs. Vysílání stejn˘ch symbolÛ ve stejném ãase vyÏaduje identickou modulaci
v‰ech nosn˘ch. Koneãnû v‰echny bity musí b˘t modulovány stejnou nosnou kth.
DVB-T stanovuje specifikace SFN pro
provedení tûchto poÏadavkÛ. V popsané
síti je adaptér SFN umístûn na v˘stupu ãásti vytváfiející TS. Toto zafiízení periodicky
vkládá do pfienosového toku tak zvan˘
Megaframe Identification Packets (MIP).
Tyto pfiidané pakety jsou pouÏity v modulátorech pro vhodnou bitovou synchronizaci.
Synchronizaãní mechanizmus je zaloÏen na existenci dvou externích celosvûtov˘ch normálÛ – jednoho frekvenãního normálu a jednoho ãasového normálu. V na‰em pfiípadû to mohou b˘t pouÏité frekvence
10 MHz a ãasové pulzy 1 p/s (pulzes za
sekundu) ze signálu pfiijímaného z Global
Positioning Systém (GPS) ve v‰ech sítích
vysílaãÛ a v místech v‰ech SFN adaptérÛ.
Schéma takové sítû je na obr. 4.
PoÏadavky na vysílaã
Kompletní soubor poÏadavkÛ na vysílaãe byl
urãen v systému VALIDATE. Nejv˘znamnûj‰í
body, které byly urãeny, jsou:
– Frekvenãní stabilita. V‰echny nosné musí b˘t vysílány s frekvencí v rozmezí
fk±(∆f/100). Pfiedpokládan˘ limit tolerance je ±11 Hz. Vysílaãe potfiebují externí
frekvenãní normál pro synchronizaci
v SFN (napfi. 10 MHz z pfiijímaãe GPS).
– Fázov˘ ‰um oscilátoru. Nejvíce omezujícím faktorem pfii testování vysílaãÛ
a pfiijímaãÛ byl fázov˘ ‰um oscilátorÛ
realizací pfiidaného systému vût‰í ztrátu neÏ bude zisk na velikosti pokrytého
území. Typická hodnota Back-off je
okolo 6 dB nebo je‰tû více.
PoÏadavky na pfievadûãe
V‰echny poÏadavky uvedené u vysílaãÛ
mÛÏeme aplikovat na pfievadûãe nebo profesionální vykr˘vaãe. Av‰ak v tomto pfiípadû je tfieba vzít v úvahu ekonomickou
stránku, protoÏe pfievadûãe by mûli b˘t
o mnoho levnûj‰í neÏ vysílaãe.
Dal‰í poÏadavek na pfievadûãe je maximální dosaÏiteln˘ zisk v dané síti, kde jsou
pouÏity pfievadûãe pro SFN. Tento zisk je
omezen zpûtnovazebním ziskem, tedy izolací vysílací/pfiijímací antény. Maximální
zisk pfievadûãe je tedy omezován hodnotou
izolace minus bezpeãnostní hodnoty potfiebné pro zabránûní problémÛ s nestabilitou, která mÛÏe vytváfiet nedostupnost
systému na území vykr˘vaãe. PfiedbûÏná
bezpeãnostní hodnota je okolo 20 dB.
Ing. Richard ·imík
Katedra radioelektroniky
Fakulta elektrotechnická, âVUT Praha
LITERATURA
[1] ETS 300 813: Digital Video Broadcasting (DVB);
Interfaces to Plesiochronous Digital Hierarchy
(PDH) networks.
[2] ETS 300 814: Digital Video Broadcasting (DVB);
Interfaces to Synchronous Digital Hierarchy
(SDH) networks.
[3] TR 101 190: Digital Video Broadcasting (DVB);
Implementation guidelines for DVB terrestrial
services; Transmission aspects
13