Tesi telecomunicazioni- dvb (digital video broadcasting)

TESI TELECOMUNICAZIONI

DVB (Digital video broadcasting)

Cos'è il DVB?

Il sistema DVB permette di trasmettere un segnale video in digitale, è basato sull'adozione dello standard MPEG-2 per la codifica del segnale audio/video di sorgente e per la multiplazione cioè il meccanismo per cui la capacità disponibile di un collegamento viene condivisa tra diversi canali trasmissivi, combinando più flussi di dati digitali in un solo segnale trasmesso su un singolo collegamento fisico. Anche se è stato sviluppato per la trasmissione di segnali televisivi, è aperto all'evoluzione verso l'alta definizione (HDTV) mediante l'uso di livelli e profili MPEG-2 più elevati. Il DVB utilizza un sistema di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) ovvero multiplazione a divisione di frequenza ortogonale. Altri sistemi di trasmissione video digitale della famiglia DVB sono il DVB-S per le trasmissioni satellitari, il DVB-C per le trasmissioni via cavo, il DVB-H, per le trasmissioni digitali terrestri rivolte ai cellulari di nuova generazione, e il DVB-T per le comunicazioni televisive digitali terrestri.

Schema a blocchi di un sistema di trasmissione DVB-T (Terrestrial)

Codifica di sorgente e multiplazione (MUX) MPEG-2: un flusso video, uno audio e uno dati sono combinati insieme a costituire un unico flusso di programma MPEG-2 PS (MPEG-2 Program Stream) ovvero un formato contenitore per multiplexing audio digitali e video utilizzato per l'archiviazione su supporti di memorizzazione a bassa probabilità di errore quali i DVD. Uno o più flussi di programma costituiscono un flusso di trasporto MPEG-2 TS (MPEG-2 Transport Stream); tale flusso rappresenta la sequenza digitale che viene trasmessa e ricevuta nei Set Top Box (STB) domestici, quelli che comunemente vengono chiamati decoder per il digitale terrestre. Il transport stream è un protocollo di comunicazione per audio, video e dati. Si tratta di un tipo di formato digitale che racchiude i flussi elementari; è impiegato in ambienti ad alta probabilità di errore, come il DVB. Quindi avremo due multiplexer uno per il Program Stream, l'altro per il Trasport Stream. Il bit rate ammesso per il trasporto MPEG-2 dipende dai parametri scelti per la modulazione: essa varia da circa 5 Mbps a circa 32 Mbps.

Divisore: due diversi flussi di trasporto possono essere trasmessi contemporaneamente, utilizzando una tecnica chiamata Trasmissione Gerarchica. Lo scopo di questa tecnica è, ad esempio, quello di trasmettere un segnale video a definizione standard (SDTV) ed un segnale video ad alta definizione (HDTV). In genere, il segnale a definizione standard verrà protetto maggiormente, ed il segnale ad alta definizione sarà invece protetto in misura minore. In ricezione, a seconda della qualità del segnale ricevuto, il set top box può cercare di decodificare il flusso ad alta definizione oppure, se la qualità del segnale ricevuto è scarsa, passare al segnale a definizione standard (così facendo, i ricevitori vicini al sito di trasmissione potranno usufruire di un segnale ad alta definizione, e tutti quelli serviti nell'area di copertura, anche i più distanti, potranno ricevere il segnale a definizione standard).

Adattamento di MUX e dispersione d'energia: il flusso di trasporto MPEG-2 viene identificato come una sequenza di pacchetti dati di lunghezza fissa pari a 188 byte. Con una tecnica chiamata "dispersione d'energia" (scrambling) si effettua la cifratura deli flussi di programma: le sequenze di byte vengono cifrate seguendo un particolare algoritmo.

Codificatore esterno: un primo livello di protezione viene fornito ai dati trasmessi usando un codice a blocchi non binario di tipo Reed-Solomon RS(204,188), che permette la correzione di un massimo di 8 byte errati per ogni pacchetto di 188 byte.

Interleaver esterno: si utilizza una tecnica di interleaving convoluzionale per mescolare la sequenza di dati trasmessa, in modo da renderla più robusta in caso di lunghe sequenze di errori. L'interleaving consiste nel disporre i dati in maniera non contigua, al fine di migliorare le prestazioni in caso di errori a pacchetto. Esso è un processo che dispone in maniera apparentemente disordinata un certo numero di oggetti ordinati. Nel nostro caso il flusso di simboli in ingresso viene scisso tramite un commutatore in n (detta profondità di interleaving) flussi paralleli, ciascuno dei quali viene inviato ad un ramo dell'interleaver. Ogni ramo è costituito da un registro a scorrimento di lunghezza variabile. Così facendo il generico simbolo che entra nel ramo r viene ritardato di (j*B) unità di tempo, (dove j è la lunghezza dal registro e B è la lunghezza dei simboli probabilmente errati) poiché i registri a scorrimento vengono sincronizzati al clock dell'interleaver, che è I volte (I = n° di rami dell'interlaver) più lento del clock principale. Le uscite dei singoli rami vengono raccolte tramite un'altro commutatore e serializzate in un'unico flusso di dati.

Interleaver interno: la sequenza di dati viene mescolata, sempre per ridurre l'influenza di lunghe sequenze di errore. In questo caso, si utilizza una tecnica di interleaving a blocchi con legge di mescolamento casuale.

Mappatore: questo blocco effettua la modulazione in banda-base digitale della sequenza di bit, producendo una sequenza di simboli. I metodi di modulazione ammessi sono tre: QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Adattamento di trama: i simboli generati dal processo di mappatura sono raccolti in blocchi di lunghezza costante (1512, 3024 o 6048 simboli per blocco). Si genera una trama (frame) di lunghezza pari a 68 blocchi; quattro trame costituiscono una supertrama (superframe).

Segnali pilota e TPS: per permettere una migliore ricezione del segnale in seguito alla trasmissione sul canale radio terrestre, in ogni blocco vengono inseriti dei segnali di aiuto. I segnali pilota servono in fase di equalizzazione (procedimento di filtraggio a cui è sottoposto un segnale audio per compensare eventuali disuniformità dell'apparato che lo produce per poi ottenere il suono desiderato); mentre i segnali TPS (Transmission Parameters Signalling) si utilizzano per inviare i parametri del segnale trasmesso e per identificare univocamente la cella di trasmissione.

Modulazione OFDM: la sequenza di blocchi è sottoposta ad una operazione di modulazione secondo la tecnica OFDM (multiplazione a divisione di frequenza ortogonale, successivamente è spiegato il funzionamento)  utilizzando un numero di portanti pari a 2048 (modo 2k), 4096 (modo 4k), oppure 8192 (modo 8k).

Inserimento intervallo di guardia: per diminuire la complessità del ricevitore, ciascun blocco modulato in OFDM viene esteso, copiando in testa ad esso la sua parte terminale (tecnica del prefisso ciclico). La durata dell'intervallo di guardia può essere 1/32, 1/16, 1/8 o 1/4 di quella del blocco modulato.

DAC e front-end: il segnale digitale viene opportunamente trasformato in un segnale analogico, grazie ad un convertitore digitale-analogico (DAC, Digital to Analog Converter), ed infine modulato a frequenza radio (VHF o UHF) dal front-end ad RF. La larghezza di banda occupata da ciascun singolo segnale DVB-T è studiata per accomodarsi in canali larghi 6, 7 o 8 MHz, compatibili in larghezza  con i vecchi canali analogici.

Modulazioni

Modulazione QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

Modulazione OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

Per il digitale televisivo satellitare, la scelta ottima è il 4PSK denominato anche QPSK che permette di quasi saturare gli stadi di potenza e funziona correttamente fino a bassi rapporti segnale/rumore Mentre per la comunicazione dei canali televisivi terrestri (DVB-T) viene usata la modulazione OFDM il cui vantaggi principale è il facile adattamento a canali in condizioni critiche.

Modulazione QPSK:

Nella modulazione digitale a quattro fasi (denominata anche QPSK, quadrature PSK) i bit del segnale dati vengono riuniti in coppie (dibit) utilizzate per modulare in fase la portante sinusoidale.

Nei modulatori il flusso di dati in ingresso viene suddiviso in dibit da un convertitore seriale/parallelo (registro); i due bit di ogni coppia generano due flussi separati, a velocità dimezzata rispetto a quella del segnale dati originario, che costituiscono i segnali modulanti inviati in ingresso a due modulatori bilanciati. Le due portanti di modulazione hanno medesima frequenza ma le loro fasi differiscono di 90° (per questo vengono dette in quadratura). In pratica la fase del segnale in uscita dal primo modulatore può assumere i valori 0gradi e 180° mentre quella del segnale in uscita dal secondo assume i valori 90° e 270°. Infine le due portanti vengono sommate originando un segnale che può assumere quattro fasi diverse (45°, 135°, 225°, 315°).

Schema a blocchi del modulatore 4-PSK:

Poiché la velocità del flusso di dati a dibit è dimezzata rispetto a quella del segnale digitale originario si ha un raddoppio di efficienza di banda. Vi è, però, una minore separazione tra i livelli di modulazione (valori di fase nel segnale modulato) e ciò comportata una maggiore sensibilità al rumore: per ottenere la medesima probabilità di errore della 2-PSK occorre che il canale trasmissivo abbia un rapporto segnale/rumore di 3dB maggiore. La demodulazione 4-PSK si effettua mediante circuiti simili a demodulatori 2-PSK raddoppiati in alcune parti.

Nella 2-PSK le variazioni di fase del segnale modulato avvengono sempre in corrispondenza con i passaggi per lo zero, mentre nella 4-PSK i salti di fase possono causare brusche variazioni del livello del segnale, come in questo esempio:

Questi notevoli ed improvvisi cambiamenti di livello, in presenza di mezzi trasmissivi non perfettamente lineari in fase, potrebbero causare distorsioni con conseguente allargamento dello spettro del segnale modulato. Per ovviare a questi problemi è stata ideata una variante denominata O-PSK (Offset PSK) in cui una delle due sequenze di dibit, prima di entrare nel modulatore, viene traslata di 180° in modo che non avvengano commutazioni contemporanee e si ottengano così variazioni di fase più graduali.

Modulazione OFDM:

La modulazione OFDM si basa su un approccio a portante multipla, in quanto consente di trasmettere elevati bit rate senza che il rumore degradi la qualità della trasmissione. Il flusso binario originale, di rate pari ad R, viene diviso in N flussi paralleli, ognuno di rate Rmc = 1/Tmc = R/N.

Ciascun flusso modula una diversa portante, e il segnale risultante, somma dei singoli segnali, viene trasmesso sulla stessa banda.

Il sistema di modulazione OFDM sfrutta un approccio a portante multipla, in quanto consente di trasmettere elevati bit rate.

La sovrapposizione parziale tra le varie sottobande, propria dell'OFDM, garantisce un'efficienza spettrale molto migliore di quella tipica di un sistema FDM (Frequency Division Multiplexing). Le varie sottobande hanno un'estensione molto inferiore alla banda del mezzo trasmissivo, per cui la risposta in frequenza di quest'ultimo può essere, in molti casi, ritenuta piatta per ognuna di esse. Lo spettro del segnale OFDM è dato, quindi, dalla sovrapposizione delle funzioni sinc(.) associate alle diverse sottoportanti.

Spettro teorico Spettro reale