Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 1 DVB-H Seminaari Comparison of Terrestrial DTV Transmission.

Esitys aiheesta: "Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 1 DVB-H Seminaari Comparison of Terrestrial DTV Transmission."— Esityksen transkriptio:

1 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 1 DVB-H Seminaari Comparison of Terrestrial DTV Transmission Systems: The ATSC 8-VSB, the DVB-T COFDM, and the ISDB-T BST-OFDM Yiyan Wu, Ewa Pliszka, Bernard Caron, Pierre Bouchard, and Gerald Chouinard

2 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 2 Johdanto Artikkelissa on vertailtu maanpäällisten digi-TV lähetysstandardien teknisiä ja toiminnallisia ominaisuuksia. Yhdysvallat –Modulointitekniikka: Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side- Band (8-VSB) –Standadrointi: Advanced Television Systems Committee (ATSC) Eurooppa –Modulointitekniikka: Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) –Standardi: Digital Video Broadcasting – Terrestrial (DVB-T) Japani –Band Segmented Transmission Orthogonal Frequency Division Multiplexing [(BST)-OFDM] –Standardi: Integrated Service Digital Broadcasting – Terrestrial (ISDB-T)

3 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 3 Johdanto Useiden eri lähetysstandardien johdosta viranomaiset joutuvat tekemään valinnan seuraavien seikkojen perusteella: –Käytettävissä oleva taajuusalue, kuuluvuus vaatimukset, lähetysverkon rakenne, vastaanottopään olosuhteet, palveluvaatimukset, vastaanotto- ja lähetyspään kustannukset. Artikkelissa on vertailtu eri lähetysstandardeja keskenään laboratoriomittauksilla ja teoreettisella laskennalla, sekä suoritettu suorituskyky ja implementointi analyysejä. Tässä esityksessä käsitellään artikkelista ainoastaan yleiskuvaus eri DigiTV- standardeista.

4 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 4 ATSC 8-VSB Järjestelmä (USA) Järjestelmän on kehittänyt ATSC (Advanced Television Systems Committee) Maanpäällisen verkon tiedonsiirtokapasiteetti 6MHz kanavaleveydellä on 19,4Mbit/s. Vastaavasti kaapeliverkon tiedonsiirtokapasiteetti 6MHz kanavaleveydellä on 38.8Mbit/s. Kaksi eri toimintamuotoa: 8-VSB maanpäällisen verkon käyttöön ja 16-VSB kaapeliverkon käyttöön. Suunniteltu käytettäväksi 6Mhz kanavaleveydellä mutta voidaan tarvittaessa skaalata 7Mhz ja 8Mhz kanavaleveydelle tiedonsiirto-vaatimusten kasvaessa.

5 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 5 ATSC 8-VSB Järjestelmä (USA) Järjestelmä on suunniteltu toiminaan nykyisen NTSC- järjestelmän rinnalla tarjoten kuitenkin vastaavan kuuluvuusalueen. Tämä tavoite on saavutettu ja jopa ylitetty analogiseen tekniikkaan verrattuna. Järjestelmä on suunniteltu sietämään eri häiriöitä: analogiset NTSC TV- lähetykset, valkoinen kohina, impulssi kohina, kantoaalto ja passiivinen heijastuminen. Järjestelmä käyttää yhtä kantoaaltomodulaatiota ja kahdeksantasoista Vestigial-SideBand (8-VSB) modulaatiota.

6 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 6 DVB-T COFDM Järjestelmä (EU) Järjestelmän on kehittänyt Eurooppalainen julkisen- ja yksityisensektorin yhteenliittymä. Edellämainitun järjestelmän lisäksi määritelty DVB-C kaapeliverkon ja DVB-S satelliittiverkon standardit. Järjestelmä suunniteltu 8MHz kanavaleveydellä mutta voidaan tarvittaessa skaalata 6Mhz ja 7MHz kanavaleveydelle. Tiedonsiirtokapasiteetti 8MHz kanavaleveydellä on 4,98-31,69Mbit/s riippuen kanavakoodausparametreistä, modulointityypistä ja suojavälin kestosta. Järjestelmä sietää hyvin eri häiriöitä: viivästyneet signaalit, signaalin heijastuminen maastosta ja rakennuksista sekä pitkät lähetysmatkat.

7 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 7 DVB-T COFDM Järjestelmä (EU) Järjestelmäparametrien avulla voidaan lähetyssignaali mukauttaa eri käyttötarkoituksiin kuten kiinteään, siirrettävä ja mobiiliin vastaanottoon. Järjestelmässä käytetään COFDM- modulaatiota (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) kahdessa eri toimintamuodossa eli 2k ja 8k. Edellisessä tapauksessa on 1705 kantoaaltoa ja jälkimmäisessä 6817. 2k- moodi soveltuu käyttäväksi pienissä SFN- verkoissa (Single Frequency Network). Vastaavasti 8k- moodi soveltuu käytettäväksi pienissä tai suurissa SFN- verkoissa.

8 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 8 ISDB-T BST-OFDM Järjestelmä (JPN) Järjestelmän on kehittänyt ARIB (Association of Radio Industries and Businesses). Edellämainitun järjestelmän lisäksi määritelty ISDB-S satelliittiverkon standardi. Modulointi- ja virhekorjausparametrien avulla voidaan toteuttaa ja täyttää joustavasti erilaiset järjestelmävaatimukset. Järjestelmä käyttää Band Segmented Transmission (BST) OFDM- modulointia joka koostuu BST- segmenteistä. Jokaisen segmentin kaistanleveys on 1/14 kokonaiskanavanleveydestä. Esimerkiksi 6Mhz kanavanleveydellä segmentin kaistanleveys on 428,6 kHz (6/14 Mhz = 428,6 kHz).

9 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 9 ISDB-T BST-OFDM Järjestelmä (JPN) OFDM:n verrattuna BTS- OFDM:ssa voidaan yksittäisissä BTS- segmenteissä käyttää eri kantoaaltomodulaatioita ja koodaustasoja sisäiselle koodille (Inner Code). Jokainen datasegmentti voi käyttää eri virheentarkistusmenetelmää tai modulaatiota. Yhdellä 428,6kHz segmentillä 6Mhz kanavaleveydellä saadaan datatiedonsiirtonopeudeksi 280.86-1787.28 kbit/s. 13 segmentillä 5,57 MHz kanavanleveydellä (6MHz*13/14 = 5,57 MHz) saadaan DTV- tiedonsiirtonopeudeksi 3.65– 23.23 Mbit/s (LDTV - HDTV) LDTV, Low Definition TV HDTV, High Definition TV

10 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 10 Vertailutaulukko

11 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 11 DVB-H ja Teosto www.tietokone.fi keskiviikkona 1.2.2006 klo 17:08 ”Dvb-h-lähetykset katsottava edelleen jakeluksi” Tekijänoikeusjärjestöt vaativat korvauksia kännykkä-tv:stä Kopiosto ja useat muut tekijänoikeusjärjestöt ovat toimittaneet liikenne- ja viestintäministeriölle lausunnon, jossa ne tuomitsevat ministeriön asettaman työryhmän esityksen kännykkä-tv-ohjelmistolupien osalta. Järjestöjen mukaan ohjelmien jakelusta dvb-h-verkossa tulee maksaa erilliset korvaukset.

12 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 12 DVB-H Seminaari On The Performance Of The Dvb-T System In Mobile Environments R. Burowl, K. Fazel, P. Hoeher, O. Klank, H. Kussmann, P. Pogrzeba, P. Robertson and M. J. Ruf

13 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 13 Johdanto Artikkeli analysoi teoreettisesti, laskennallisesti, laboratoriomittauksin ja käytännön kenttäkokeiden avulla korkeiden Doppler- taajuuksien vaikutusta DVB-T signaaliin mobiilivastaanottoon. Tässä esityksessä keskitytty laboratoriomittauksien sekä kenttäkokeiden tuloksiin.

14 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 14 QPSK, 16-QAM, 64-QAM -Modulaatiot Nelivaiheinen vaiheavainnus (QPSK, Quaternary Phase Shift Keying) Amplitudi- ja vaihemodulaatio (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) QPSK (neljä vaihe-eroa) –00-11 = 0-3 (bin=dec) 16-QAM (neljä amplitudia, neljä vaihe- eroa) –0000-1111 = 0-15 (bin=dec) 64-QAM (kahdeksan amplitudia, kahdeksan vaihe-eroa) –0000 0000-1111 1111 = 0-255 (bin=dec)

15 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 15 DVB-T Parametrit (Ei hierarkkinen lähetys) Määritelty kaksi eri toimintamoodia DVB-T ja DVB-H järjestelmien käyttöön. 2k- moodissa 1705- kantoaaltoa ja vastaavasti 8k- moodissa 6817- kantoaaltoa. Molemmissa toimintamoodeissa seuraavat vaihtoehtoiset parametrit: –Kanavanleveys 6MHz, 7 MHz tai 8MHz –Suojaväli 1/4, 1/8, 1/16 tai 1/32 –Modulointi QPSK, 16-QAM tai 64-QAM –Suojataso 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 tai 7/8

16 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 16 DVB-T Signaalin Siirtokehys Lähetettävä signaali muodostuu kehyksistä (frames). Kehys koostuu 68 symbolista jotka on numeroitu 0:sta 67:ään (y-akseli). Symboli muodostuu 1705- kantoaallosta 2k- moodissa ja 6817- kantoaallosta 8k- moodissa (x-akseli). Symbolien välistä lähetysaika on T s. Tämä koostuu hyötyajasta T u ja suojavälistä ∆ (T s = T u + ∆ ). Kaikki symbolit sisältävät tietoa ja referenssi informaatiota. Seuraavat kehykset sisältävät referenssi informaatiota: –Scattered pilot cells –Continual pilot carriers –TPS carriers. Scattered/ Continual- ohjaussoluja voidaan käyttää kehys –, taajuus –, aika synkronointiin, kanavaestimointiin, lähetystyypinidentifiointiin ja vaihekohinan seuraamiseen. Transmission Parameter Signalling (TPS) sisältää signalointiparametritiedot kuten: –Modulointi; QPSK, 16-QAM, ja 64-QAM –Hierakkinen informaatio; ääni, kuva ja data –Suojaväli (Guard Interval) –Suojaustaso (Inner Code Rate); 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 –Lähetysmoodi (Transmission Mode); 2K tai 8K –Kehysnumero superkehyksessä –Soluidentifiointi

17 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 17 Tiedonsiirtonopeudet Mitä suurempi kanavaleveys (8HZ), mitä tehokkaampi modulointi (64- QAM) mitä pienempi suojaväli (1/32) ja mitä pienempi suojataso (7/8) sitä suurempi tiedonsiirtonopeus (31,67Mbit/s).

18 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 18 Synkronointi DVB-T määrittelyssä synkronointi perustuu suojaväliin (Guard Interval) ja ohjaussoluihin (Pilots). Riittävällä prosessointiteholla voidaan aika ja taajuus poikkeamien korjaus saavuttaa muutaman symbolin aikana. Aika ja taajuus poikkeamien korjauksilla saadaan suuret Doppler- taajuussiirtovaikutus ehkäistyä (Doppler 500Hz, 2k-moodi = 500km/h, 800MHz taajuudella). Jos vastaanottopäässä on käytettävissä riittävä määrä laskennallista kapasiteettia ei mobiilivastaanotosta muodostu ongelmaa.

19 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 19 Laboratoriomittaukset Laboratorioympäristössä käytetty 650MHz lähetystaajuutta (kanava 43). Mobiiliympäristön simuloinnissa on käytetty laitteistoa joka kykenee generoimaan useita signaalipolkuja (signal paths) vaihtelevalla viiveellä. Laitteella voidaan generoida maksimissaan 121Hz Doppler- taajuus joka vastaa 202km/h nopeutta. Laboratoriossa suoritettu objektiivisia ja subjektiivisia arviointeja. Edellisessä tapauksessa BER- arvon (Bit Error Rate) virheraja Viterbi- dekooderi jälkeen on 2*10^-4. Jälkimmäisessä tapauksessa kuvassa ei saa esiintyä virheitä 20s ajanjaksona. Alhaisilla Doppler- taajuuksilla objektiivisen ja subjektiivisen tason välillä 4dB ero kun vastaavasti korkeilla Doppler- taajuuksilla ero on 18,9 dB. 64-QAM, 2k-mode, Inner Code Rate 1/2, Guard Interval 1/4.

20 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 20 Laboratoriomittaukset Korkeilla Doppler- taajuuksilla ja tehokkailla modulointitekniikoilla järjestelmän suorituskyky laskee ennen 56µs- suojaväliä (Guard Interval). QPSK- moduloinnilla suorituskyky laskee nopeasti 52µs kohdalla. Vastaava arvo l6- QAM moduloinnilla on 47µs ja 64-QAM moduloinnilla 40µs. Tämä on seurauksena kanavaestimoinnin huonontumisesta. 1/8- suojavälillä (28µs) suoritetut mittaukset osoittivat että suorituskyvyn nopea lasku ei tapahdu käytettäessä kyseistä suojaväliä. QPSK, 2k-mode, Inner Code Rate 1/2, Guard Interval 1/4 (56µs), Doppler 1.5Hz, 30Hz, 120Hz.

21 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 21 Laboratoriomittaukset 200km/h nopeudessa QPSK ja 16-QAM modulaatioilla on noin 6-7dB suurempi C/N- suhde verrattuna AWGN- kanavaan (Additive White Gaussian Noise). 160km/h nopeudessa 64-QAM modulaatiolla on 11dB suurempi C/N- suhde ja vastaavasti 100km/h nopeudessa 8dB suurempi C/N- suhde verrattaessa AWGN- kanavaan. Guard Interval 1/4, Echo delay 25µs.

22 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 22 Kenttäkokeet Lähetys –1kW lähetinteho, UHF- kanava 40 (626MHz), vaakasuorapolarisaatio. –DVB-T parametrit: QPSK, 2k-moodi FFT, suojataso 1/2, suojaväli 1/4, 4Mbit/s MPEG2 TV- signaali. 16-QAM, 64-QAM, suojataso 1/2. Vastaanotto –DVB-T kuluttajavastaanotin, 8.5dB kohinaluku (Noise Figure). –Vastaanottoantenni auton katolla (kuvio pyöreä, 5dB vahvistus, korkeus 2m). Kulkureitit ja mittaukset –Kolme eri reittiä –Ensimmäinen reitti sijoittui moottoritielle. Välimatka oli 10km ja suurin nopeus 100km/h. Puolivälissä matkaa oli 400m pitkä maantietunneli joka aiheutti 40dB vaimentumisen. Toinen ja kolmas reitti sijoittuvat keskustaan. Maksiminopeus keskustassa oli 50km/h. –Vastaanottopäässä mitattiin vastaanottoteho ja videosignaalin subjektiivinen taso. Näytteenottotaajuutena käytettiin 1kHz. Mittaukset suoritettiin käyttäen DVB-T signaalin vaimennusarvoina 0dB, 6dB, 12dB, 18dB.

23 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 23 Kenttämittaukset Tavoitteena pitää Video Error Rate arvo alle 1%. Kuvassa pienin Video Error Rate arvo 2% ilman vaimennusta (0dB). Tällöin kuuluvuus todennäköisyys reitillä yksi on 98%. Käytettäessä suurempia vaimennuksia Video Error Rate arvo suurenee. Reitti 1 (moottoritie), QPSK. Antennijännite desibelimikro- voltteina (dBµV).

24 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 24 Kenttämittaukset Kuvassa reitti 3 on virheetön vaikka reitti 2 kohdalla Video Error Rate arvo on 6.6% kohdassa 31,5 dBµV (ristiriita!!!). Reitillä 2 on erittäin suuri Video Error Rate arvo 60% johtuen riittämättömästä vahvistuksesta. Toimiva mobiilivastaanotto vaatii lisäantennivahvistuksen. 16-QAM Reitti 1 moottoritie Reitti 2 ja 3 keskusta 64-QAM Reitti 1 moottoritie Reitti 2 ja 3 keskusta

25 Teemu Alapaholuoma Tampereen Teknillinen Yliopisto, Porin Yksikkö DVB-H- Seminaari 24.3.2006 25 Lähteet W. Yiyan, ”Comparison of Terrestrial DTV Transmission Systems: The ATSC 8-VSB, the DVB-T COFDM, and the ISDB-T BST-OFDM,” IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 46, issue 2, June 2000. R. Burowl, ”On The Performance Of The Dvb-T System In Mobile Environments,” Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 98), 1998. U. Ladebusch, ”Terrestrial DVB (DVB-T): A Broadcast Technology for Stationary Portable and Mobile Use,” Proceedings of the IEEE, vol. 94, issue 1, January 2006. European Broadcasting Union, ”Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television,” Final draft ETSI EN 300 744 V1.5.1 (2004-06), April 2004. Tietokone Webline, ”Dvb-h-lähetykset katsottava edelleen jakeluksi,” Tammikuu 4, 2006; http://www.tietokone.fi/uutta/uutinen.asp?news_id=25932 Digitv.fi, ”Yksityiskohtainen termiluettelo,” Maaliskuu 23, 2006; http://www.digitv.fi/sivu.asp?path=1;2997;956;1129