LW04: Transmisión de TV Digital para receptores LW04.pdf · • Banda de Guarda. –La...

1

LW04: Transmisión de TV Digital para receptores nómadas

Introducción

Leandro de Haro, Jesús GarcíaRamón Martínez, Miguel Calvo

email: {leandro, ramon, [email protected]}[email protected]

Madrid, Julio de 2004

mailto:[email protected]

Introducción y Modulación OFDM 2

Índice

• Lunes - Leandro de Haro– Introducción (1h)– Estándar DVB-T (1h)

• Martes - Jesús García– Estándar DVB-T (2h)

• Miércoles - Jesús García– Estándar DVB-T (2h)

• Jueves – Leandro de Haro– Estándar DVB-H (1h)– Descripción del receptor TV Digital (II) (1h)

• Viernes (2h) - Leandro de Haro / Ramón Martínez– Otros sistemas: Estándar Japonés (ARIB) (2h)

3


Introducción - Solución Global DVB






Tecnología y estándares DVB

– Señales de retorno para servicios interactivos

• Soluciones verticales• Soluciones horizontales

– Plataforma multimedia del hogar

• Solución global: máquina virtual Java

• Soluciones interinas: MHEG-5 / HTML 3.2

– Radiodifusión para Móviles• Totalmente compatible

DVB-T• Servicios IP mediante

MPE

– Codificación fuente: Familia MPEG

– Navegación e información de servicio

• Navegadores y Guías de programas

– Acceso Condicional• Telecarga sistema• Simulcrypt / Multicrypt

– Difusión• Soluciones verticales• Soluciones horizontales

– Distribución en el hogar• Individual• Colectiva


Equipamiento de emisión

Codificación

MPEG-2

Datos

Audio

Vídeo

Señal fuente

Servicio MPEG-2

MPEG-2 TS

Servicio MPEG-2

Modulador

Operador de Múltiplex

Operador de Red de Difusión

Proveedor de servicios

Multiplexador

Acceso Condicional Operador de AC Proveedor de AC

Operador de Red de Retorno


Fundamentos del sistema de CA

Cifrado

EncripciónECM

Autoriz.suscripción

Mux

CWECM

EMMSistema

CA

Demux

Señal Señalcifrada Descifrado

Generador CW

CW

GestiónSuscripción

Canal interactivo


La plataforma multimedia del hogar

HW + Sistema Operativo

“Device Layer Interface” (DLI)

“Java Virtual Machine” (VM)

Aplicaciones (Java “byte code”)

Paquete deNavegación

Paquete deAcceso Condicional

Paquete deSintonización

Paquete deControl del modem

Paquete de.........

“Application Program Interface” (API)


Receptores domésticos

“Integrated Digital TV” (IDTV): Integra las funciones de la STB, el monitor y algunas propias de un PC

Nota:Nota: No confundir el IDTV con los mal llamados “TV digitales” comerciales actuales que no responden a la normativa DVB

– “Descodificador” analógico (ej. Canal+): Reconvierte la señal cifrada en cabecera a su forma original para su visualización en un TV convencional

– “Descodificador” digital o STB (ej. CSD): Convierte los servicios que integran un MPEG-2 TS (múltiplex), sean en abierto o cifrados por el operador de CA, a una señal inteligible por un TV convencional


Segmentación de DVB

EstándaresDVB-H

DVB-H

DVB-TDVB-H


Diagrama de Bloques de DVB-H


Convergencia multimedia

– Perfiles de introducción• Radiodifusión avanzada• Radiodifusión interactiva• Acceso a Internet• UMT

– Situación de mercado• APIs propietarias y

Sistemas de CA• Nuevos servicios tipo

Internet• Electrónica de consumo y

gama de productos• La próxima generación:

EuroMHEG

RadiodifusiónDVB

ServiciosMultimediaInteractivos

DavicInternet

IETF

MóvilesUMTS


Convergencia UMTS/DVB-H

13


Modulación OFDMLeandro de Haro, Jesús GarcíaRamón Martínez, Miguel Calvo





“Orthogonal Frequency Division Modulation” (OFDM)

• La señal OFDM presenta N subcanales a las frecuencias de portadora:

donde:– fc es la frecuencia base de portadora.– ts es el tiempo de símbolo y ts=NT.

• La señal OFDM se define como:

donde Ci,k contiene la información modulada.

T21

tkffs

ck −+=

( )

( )

≤≤

−+π=Ψ

−Ψ⋅= ∑∑

∞=

−∞=

−

=

fuera0

tt0tT21

tkf2jexpt

ittCRe)t(x

ss

ck

i

i

1N

0kskk,i


OFDM

• Las funciones ψk son ortogonales, y cumplen:

– Esta propiedad permitirá la demodulación.• La señal OFDM se puede reescribir como:

y la secuencia (BB ,t=nts/N) es la IDFT de Ci,k

( ) ( ) ( )

′==Ψ

′≠=Ψ⋅Ψ ∫∫

∞

∞−

′

∞

∞−kktdtt

kk0dttt

s2

k

*kk

( ) ( )

−Π

−π⋅π= ∑ ∑

∞=

−∞=

−

=

i

ist

1N

0k sk,ic ittt

T21

tk2jexpCtf2jexpRe)t(x

s

( ) ( )∑ ∑∞=

−∞=

−

=

−Π

π⋅−=

i

iN

1N

0kk,i

n iNnNkn2jexpC1)n(x


OFDM

tst´s

∆ ts

τh(τ)

• Tiempo de Guarda.– La transmisión por el canal de RF introduce interferencia entre

símbolos (ISI) que destruye las propiedades de ortogonalidad de la OFDM.

– La solución tecnológicamente posible consiste en introducir un tiempo de guarda que absorba la ISI.

siendo t’s= ts+∆ts el nuevo tiempo de símbolo:

( )

′≤≤∆

′−Ψ′⋅

∆≤≤= ∑∑

∞=

−∞=

−

=ss

i

i

1N

0kskk,i

s

ttttitCRe

tt0periodico)t(x

( )

′≤≤∆

−+π=Ψ′

fuera0

ttttT21

tkf2jexpt sss

ck


OFDM

• Banda de Guarda.– La coexistencia de varios sistemas de TV fuerza a la

búsqueda de una protección elevada contra las interferencias por canal adyacente (ACI) en el receptor.

– La solución tecnológicamente posible consiste en introducir una banda de guarda.

– Se considera un BW mayor y se distribuyen en los extremos subcanales con señal nula. La demodulacióncon FFT en el Rx mejora la ACI.


OFDM

• Señal OFDM transmitida.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

0

50

OFDM

ofdm1m

.tm 1000

ts=1.25 ms∆ts=ts/8N=64f0=40KHz


OFDM

• Espectro de la señal OFDM transmitida.

0 1 104 2 104 3 104 4 104 5 104 6 104 7 104 8 10440

30

20

10

0

Bit 0Bit 1Bit N-1OFDM

.10 log S0nm

.10 log S1nm

.10 log SNnm

.10 log OFDMnm

f1m

ts=1.25 ms∆ts=ts/8N=64f0=40KHz


OFDD

• Dada una señal transmitida x(t) la señal y(t) recibida al atravesar un canal es:

siendo:

( ) ( )

( )∑ ∑

∫ ∑ ∑

∫

∞=

−∞=

−

=

∞=τ

−∞=τ

∞=

−∞=

−

=

∞=τ

−∞=τ

−Π

π⋅

π−=

ττ−τ−Π

τ−

−π⋅=

=ττ−τ=τ=τ=

i

ist

1N

0k sk,ik

i

ist

1N

0k sk,i

ittttk2jexpC)t(H

Ttjexp

d),t(hitttT21

tk2jexpC

d)t(x),t(h)t(x*),t(h),t(h*)t(x)t(y

s

s

∫∞=τ

−∞=τ

τ

τπ−τ= d

tk2jexp),t(h)t(Hs

k


OFDD

• La señal BB muestreada en los instantes t=nts/N.

• La señal transmitida en cada símbolo i se demodulamediante la DFT de la “señal recibida”,

siempre y cuando se conozca el canal Hk.

( ) ( )∑ ∑∞=

−∞=

−

=

−Π

π−=

i

iN

1N

0kk,ik

n iNnNnk2jexpCH1)n(y

( )( )∑−

=

π−−=

1N

0n

nkk N

nk2jexp)n(y1N1CH


Receptor - OFDD

• Espectro de la señal OFDM recibida.

0 1 104 2 104 3 104 4 104 5 104 6 104 7 104 8 10440

30

20

10

0

.10log S0nm

.10log S1nm

.10log SNnm

.10log OFDMnm

fm

ts=1.25 ms∆ts=ts/8N=64f0=40KHzCanal Urbano No Montañoso

1 104 2 104 3 104 4 104 5 104 6 104 7 1041.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

HCk

fk( )k fh0


Prestaciones del DVB-T

Modulación RxFijoC/N BER=10-10

Rx PortableC/N BER=10-10

Rb (Mbps)

QAM 3,6-8,7 5,4-16,3 5-10,616QAM 9,6-15,0 11,2-22,8 10-21,164-QAM 14,7-21,0 16,0-27,9 15-31,7QPSK en 16-QAM 5,4-18,7 6,9-24,1 5-10,6QPSK en 16-QAM α=4 4,4-22,8 6,0-28,5 5,10,6QPSK en 64-QAM α=2 9,5-22,2 11,4-27,6 5-10,6QPSK en 64-QAM α=2 7,1-23,8 8,7-29,6 5,10,6

Prestaciones obtenidas por simulación

24


Televisión Digital Terrestre DVB-TLeandro de Haro, Jesús GarcíaRamón Martínez, Miguel Calvo




25

Fundamentos de Codificación de Vídeo MPEG-2

Grupo de Radiación.Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones


Muestreo de la Señal de Vídeo

• Estándares básicos– Nº de líneas: 625 líneas (576 activas) / 525 líneas– Cuadros/seg: 50 /60 Hz– Sistema de Color: PAL(B 7MHz/G 8MHz), SECAM,

NTSC– Ancho de Banda de Vídeo: 5 MHz– Frecuencia de líneas 15.625 Hz– Duración de líneas 64 µseg– Borrado de Líneas: 12 µseg– Frecuencia muestreo: 12/13,8/14,3 MHz– Nº de pixeles por línea: 720


Recomendación ITUR 601 (4:2:2)

RGBa

YUV

R

B

G2.75 MHz

2.75 MHz

5.75 MHz

ADC

ADC

ADC

6.75 MHz

6.75 MHz

13.5 MHz

Cb=U

CR=V

Y

6,75x10 bits=67,5

6,75x10 bits=67,5

13,5x10 bits=135

6,75x8 bits=54

6,75x8 bits=54

13,5x8 bits=108

B114,0G587,0R701,0YRVB886,0G57,0R299,0YBUB114,0G587,0R299,0Y

−−=−=+−−=−=++= 4:2:2⇒216 Mb/s

⇒ 270 Mb/s4:2:0⇒162 Mb/s

⇒ 202,5 Mb/s


Muestreos del Color

Blanking Vertical

Vídeo Activo

720 pixels x línea 0 1 2 30 1 2 30 1 2 30 1 2 3

Cb Y Cr Y Cb Y Cr Y

Línea nLínea n+263Línea n+1Línea n+264

Muestreo 4:2:2 (Recomendación ITUR 601)

Tasa de Datos: 27 Mmuestras/s= 270 Mb/s (10 bits/s)

Anchos de Banda:Y:“4” 13.5 MHz (NTSC-14.3MHz, PAL-12MHz)Cx:”2” 6.75 MHz

625 líneas (576 activas)

x x x x x x x xx x x x x x x xx x x x x x x xx x x x x x x x4:1:1x x x x x x x xx x x x x x x xx x x x x x x xx x x x x x x x4:2:0

x x x x x x x xx x x x x x x xx x x x x x x xx x x x x x x x4:2:2 Rec 601

X 1 Muestra de Luminancia Y2 Muestras de Color Cb, Cr

Sub muestreo 4:2:0


Estándares de Compresión de Vídeo

• JPEG (Joint Photographic Expert Group)– Estándar ISO (ISO/IEC 10918-{1,2},SC29 WG8)– Codifica imágenes fijas en color representadas mediante DCT

cuantificados.• H.261 (px64)

– Es un estándar de vídeo-conferencias con tasas binarias px64 Kb/s (P=1,2, ... 32)

– Emplea una predicción compensada del movimiento mediante DCT cuantificados.

• H.263– Es un nuevo estándar de vídeo-conferencias que enfatiza la

aplicación de tasas binarias inferiores a 64 Kb/s.



• MPEG-1 (Moving Picture Expert Group)– Estándar ISO (ISO/IEC 11172-{1,2,3,4,5},SC29 WG11)– Usado fundamentalmente en aplicaciones multimedia y CD-ROM – Emplea predicción compensada tanto hacia delante como

bidireccional con DCT cuantificados.• ETSI 300 174 (ITU Rec 723)

– Desarrollada anteriormente al MPEG-2 para distribución de imágenes para difusión (TV, cine). Tiene peor calidad que el MPEG-2

• MPEG-2– Extiende los conceptos del MPEG-1 para difusión (perfil 4:2:2) y

aplicaciones DVD.



• Otros métodos no basados en DCT’s– Ondículas (“Wavelets”), Fractales, y DPCM.

• MPEG-4 (Moving Picture Expert Group)– No hay MPEG-3, ya que la HDTV está cubierta

adecuadamente por el MPEG-2.– Muy adecuada para velocidades binarias muy lentas.– Propone una codificación muy novedosa basada en el

empleo de información del contexto para alcanzar tasas de compresión muy elevadas. Utiliza ondículas.


H.261 - H.263

• H. 261– Para líneas telefónicas– DCT para la compresión espacial

• Luminancia + 2 colores (1/2 resolución)

– Predicción temporal de la compensación del movimiento.

– Codificación sin referencia externa en bloques de 8x8

– Errores de predicción entre bloques de 16x16

• H.263– Desarrollado para “Very Low Bit

Rate Video Telephony”– Codificación híbrida DPCM/DCT

(<64 Kbit/s)– 4 opciones negociables

• Vectores de movimiento sin restricción

• Codificación aritmética basada en la sintaxis

• Predicción avanzada• Predicción hacia delante y

hacia detrás.


MPEG - 1

• 1,5Mbit/s• Vídeo

– Interpolación condicional de la compensación de movimiento

• Compensación causal• La señal de error se

comprime con DCT• Los vectores de

movimiento se codifican con codificación aritmética

• Audio– MUSICAM:Banco de filtros– ASPEC: DCT ModificadaModelo de Referencia


Aplicaciones de MPEG-1

• Aplicaciones asíncronas– Vídeo digital– Publicaciones electrónicas– Guías de viajes– Juegos electrónicos– Karaoke

• Aplicaciones síncronas– Publicidad electrónica– Vídeo mail– Vídeo teléfono– Vídeo conferencia.


MPEG-2

• 2-15 Mbit/s• Soporta las

funcionalidades del MPEG-1

• Se añade:– Información de

servicio– Información de

copyright– Encriptación

Modelo de Referencia



• Difusión de TV– DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial).– DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite).– DVB-C (Digital Video Broadcasting - Cable).– ENG (Elecronic -satellite- News Gathering).

• Redes de Banda Ancha.– Programas de Calidad de Contribución.– Vídeo bajo demanda.



• Medios de Almacenamiento.– DVD (Digital Versatile Disk)– Servers de Vídeo.

• Intra-estudio– Conexiones Punto a Punto (en desarrollo)– Conexionado en red (en especificación)


MPEG - 4

Arquitectura

Vídeo Audio

Multiplexación


Compresión de Vídeo tipo MPEG-2

• Procesos:– Pre-procesado

• Limpiado previo de imágenes y preparación de las muestras de vídeo para una compresión eficiente.

– Compresión Temporal (entre tramas) “INTER-FRAMES”• Comprime los datos de más de un trama

– Compresión Espacial (dentro de tramas) “INTRA-FRAMES”• Comprime los datos dentro de una trama (o campo)• Es similar al JPEG

– Control de Tasa• Los procesos de compresión se ajustan en el sistema de control

de tasa para mantener:– Tasa binaria constante– Calidad casi-constante (variando la tasa binaria)


Preprocesado

• Requerimientos Necesarios.– Decodificación de la señal descompuesta PAL a las componentes

RGB– Producción de la imagen de dimensiones correctas.– Reducción de 10 bits a 8 bits (los que utiliza el MPEG)– Cambio de la estructura de muestreo de la señal de color para

reducir la información de color antes de la compresión.• P.e. Conversión a 4:2:0 para calidad de entretenimiento.

• Opcional– Es importante tener una imagen lo más limpia posible reduciendo

por ejemplo el nivel de ruido.


Codificación Intra-Frame

Control de la Tasa

Conversión4:2:2 10 bits4:2:0 8 bits

DCT Cuantización

Flujo de Datos a 10 bits

Datos de CuantizaciónDatos Comprimidos

CodificaciónEntrópicaRLC+VLC

Buffer

Pérdida de InformaciónCompresión de datos

Sin pérdidaSin reducción

Pérdida de InformaciónCompresión de datos

Sin PérdidaCompresión de datos


Transformada Discreta de Coseno (DCT)

• Definición: La transformada DCT NxN bidimensional se define como:– Codificador

– Decodificador

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∑∑−

=

−

=

π+π+=

1N

0x

1N

0y N2v1y2cos

N2u1x2cosy,xfvCuC

N2v,uF

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∑∑−

=

−

=

π+π+=

1N

0u

1N

0v N2v1y2cos

N2u1x2cosv,uFvCuC

N2y,xf

( ) ( )

==

fuera1

0v,u2

1vC,uC


Transformada Discreta de Coseno (DCT)

• Función:– Bloques de pixels de 8x8 se convierten del dominio

espacial al dominio espacial de frecuencia.– Los bloques transformados se representan

numéricamente como 8x8 coeficientes DCT.– Los coeficientes DCT son más adecuadas para técnicas

de reducción de tasa binaria.

• EL PROCESO DE TRANSFORMACIÓN NO IMPLICA UNA REDUCCIÓN DE TASA BINARIA.


Ejemplos de DCT

926 542 16.457.2 4 11.1 8.3 -1.6

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

223 191 159 128 98 72 39 16

8x8 Pixels

720 Pixels

576/480Líneas

H

V

Ondas de FrecuenciaEspacial Horizontal

Funciones Base DCT


Cuantificación

• Divide cada coeficiente DCT por un valor función de la frecuencia y trunca el resultado a un entero.

• Mucho de sus resultados enteros son ceros o toman valores pequeños (p.e. 1,2,3,... 12,13, ...)

• Los coeficientes de cuantificación pueden ser adaptados para complementar los límites del ojo humano.

• La cuantificación causa una pérdida irrecuperable de información. Los pixeles reconstruidos difieren del valor original.

• ES LA PARTE DEL PROCESO DE COMPRESIÓN DONDE HAY PERDIDAS Y DONDE LA TASA DE INFORMACIÓN SE CONTROLA.


Ejemplo de Cuantificación

7842 199 448 362 342 112 31 22

198 151 181 264 59 37 14 3

142 291 218 87 27 88 27 12

111 133 159 119 58 65 36 2

49 85 217 50 8 3 14 12

58 120 60 40 41 11 2 1

30 121 61 22 30 1 0 1

22 28 2 33 24 51 44 81

Coeficientes DCT

CódigoEscala de

CuantificaciónLineal

Escala deCuantificación

No Lineal1 2 18 16 816 32 2420 40 4024 48 5628 56 8831 62 112

8 16 19 22 26 27 29 34

16 16 22 24 27 29 34 37

19 22 26 27 29 34 34 38

22 22 26 27 29 34 37 40

22 26 27 29 32 35 40 48

26 27 29 32 35 40 48 58

26 27 29 34 38 48 56 69

27 29 35 38 46 56 69 83

Matriz de Cuantificación

División por la Matriz de

Cuantificación

980 12 23 16 13 4 1 0

12 9 8 11 2 1 0 0

7 13 8 3 0 2 0 1

5 6 6 4 2 1 0 0

2 3 8 1 0 0 0 0

2 4 2 1 1 0 0 0

1 4 2 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

División por la Escala de

Cuantificación

Coeficientes de Salida


RLC - “Run Length Coding”

• La etapa de cuantificación sobre los bloques DCT produce muchos ceros .

• Cada uno de estos bloques se recorre optimizadamente (siguiendo los recorridos de la figura).– En Zigzag, adecuado para imágenes progresivas (frames)– Alternado, adecuado para imágenes entrelazadas (fields)

• Cada conjunto de N valores repetidos que se localizan se sustituye por una palabra de código especial (p.e. 13 ”0”, 5”1”).

Clásico o en ZigZag

Alternado


VLC - “Variable Length Coding”

• Los códigos de la etapa anterior no tienen probabilidades de aparición constantes. Unos símbolos son muy probables y los otros muy poco.

• Es posible conseguir una compresión de los datos si la codificación es de longitud variable y asigna palabras más cortas a los símbolos más probables (Codificación Entrópica)– Un ejemplo es el código de Morse

– Para realizar esta codificación se utilizan los códigos de Huffman, que son los que pueden conseguir la menor longitud media de código.


Códigos de Huffman

– Son códigos de prefijo libre (ninguna palabra de código es prefijo de cualquier otra palabra de código).

– Cada palabra de código no presenta ningún preámbulo o colofón.

– Si el juego de caracteres tiene probabilidades: P(1)≥P(2)≥...≥ P(N) las palabras del código binario deben cumplir que:

• Las longitudes de las palabras son: L(1)≤ L(2) ≤...≤ L(N-1)=L(N)

• Al menos 2 y no más de 2 de las palabras con longitud L(N) son iguales salvo en sus bits finales.

• Cada secuencia de longitud L(N)-1 puede ser:– Una nueva palabra del código.– Un prefijo de otra palabras del código.


Códigos de Huffman

a

b

c

d

e

f

0,4

0,2

0,1

0,1

0,1

0,10,2

0,4

0,2

0,2

0,1

0,10,2

0,4

0,2

0,2

0,20,4

0,4

0,4

0,20,6

0,6

0,41,0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

Códigos de Huffman para un juego de 6 caracteres

Xi P(Xi) Código ni niP(Xi)a 0,4 11 2 0.8b 0,2 00 2 0,4c 0,1 101 3 0,3d 0,1 100 3 0,3e 0,1 011 3 0,3f 0,1 010 3 0,3

<n>= 2,4


Codificación Inter-Frame(Predicción Forward)

Entradade Vídeo Trama Diferencia

Diferencia

Compensacióndel Movimiento

Estimacióndel Movimiento

Memoria FijaTrama Previa

Suma

Vectoresde Movimiento

TramaActual Predicción de la

Trama Actual

Trama Previao trama actual

reconstruida para usarse en la

próxima predicción

Vectoresde Movimiento


Compresión de Vídeo MPEGImágenes P

Compensacióndel Movimiento

MemoriaFija

Diferencia

Suma

DCT-1

Q-1

Q RLC VLC MUL

Buffer

Entradade Vídeo

Predicción de laTrama Actual

Control de TasaDatos de Cuantificación

DCT

Vectores de Movimiento

Estimacióndel Movimiento Vectores de Movimiento

Control de Grupo de Imágenes


Otros procesos de Codificación.

• Redundancias Espaciales.– Existe información redundante en una trama. Partes de la misma

son similares o se repiten en áreas próximas entre si.• Redundancias espaciales.

– La información es repetida cuando van cambiando las tramas.

• Estimación de movimiento.

Imagen N

Macrobloque16x16

Imagen N+1

Vector deMovimiento

Zona deBúsqueda

...


Grupo de ImágenesSecuencia Temporal

Tramas I: Codificada únicamente como Intra-frameTramas P: Contienen compensación forward del movimientoTramas B: Contienen compensación forward, backward y bidireccional del movimiento.

I B B P B B P B B I B B P

I P B B P B B I P B BB B

Flujo Elemental

Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama Trama

Imágenes de Vídeo Rec 601Predicción Bidireccional

I B B P B B P B B I B B P

PredicciónForwardN: Distancia entre tramas ancla (I o P)

M: Distancia entre tramas ILa relación M/Nsuele ser 15/3 o 12/3


Características de MPEG -2

• MPEG sólo especifica la sintaxis del flujo de bits y la decodificación.

• No se especifican los algoritmos de codificación.– Están abiertos a la invención y los algoritmos

propietarios– Acepta futuras mejoras compatibles con los

decodificadores• Compresión asimétrica

– El codificador es muy complejo– La definición del decodificador destaca el bajo coste y

la baja complejidad.• La codificación es un híbrido de predicción compensada

del movimiento y DCT.


Características de la MPEG-2

• Las señales de entrada son las componentes de vídeo YUV. El color (en los 4 primeros perfiles) se codifica diferencialmente (R-Y, B-Y).

• Los formatos de las señales de crominancia empleados son el 4:4:4, 4:2:0 y 4:2:2 (factores de compresión).

• Trabaja sobre señales entrelazadas o progresivas, sobre 50-60 Hz.• La señal de vídeo es codificada mediante multiresolución

permitiéndose hasta cuatro niveles (“levels”) en la calidad de la señal. Estos son:– Nivel Bajo: 352 pixeles*288 líneas.– Nivel Principal:720 pixeles*576 líneas.– Nivel Alto 1440: 1440 pixeles* 1152 líneas.– Nivel Alto:1920 pixeles*1152 líneas.


Características de la MPEG-2

• Los perfiles de la jerarquía de codificación son:– Perfil Simple: No escalable ni con B-frame.– Perfil Principal: No escalable– Perfil de Escalabilidad de SNR.:

• Cada Layer se codifican con la misma resolución espacial, más las señales de diferencia correspondientes a cada nivel.

– Perfil de Escalabilidad Espacial.• El layer más bajo se codifica normalmente.• El layer alto se codifica a partir de la predicción de la baja

resolución más otra información temporal de alta resolución.– Perfil Alto: Escalabilidad de SNR y espacial.


Familia de Codificación MPEG - 2

Perfiles >

NivelesV

SimpleNo B-frames

4:2:0I,P

No escalable

PrincipalB-frames

4:2:0I,P,B

No escalable

4:2:2B-Frames

4:2:2I,P,B

No escalable

SNR EscalableB-frames

4:2:0I,P,B

EscalableEspacialmente

B-frames4:2:0I,P,B

AltoB-frames

4:2:0 ó 4:2:2I,P,B

SNR escalableEspac. escalable

Bajo352 pixels288 líneas

X 4 Mbits/s X 4 Mbits/s X X

Principal720 pixels576 líneas

15 Mbits/s 15 Mbits/s 50 Mbits/s720x608

15 Mbits/s X 20 Mbits/s

Alto-14401140 pixels1152 líneas

X 60 Mbits/s X X 60 Mbits/s 80 Mbits/s

Alto1920 pixels1152 líneas

X 80 Mbits/s X X X 100 Mbits/s


MPEG Audio

Banco de Filtros32 Sub bandas

FFT 512 Puntos EnmascaradoTemporal

Codificadory Asignador

Dinámico del Factor de Escala

Escaladory

Cuantificador

MUX

Muestras de entrada de la Trama de Audio

Capa 1: 384 Muestras (12 Secciones*32 Muestras)@ 48 KHz

Capa 2: 3*384=1152 Muestras (36 Secciones *32 Muestras) @ 48 KHz

Capa 3: Flexible @ 48 KHz

f

Pres

ión

Silencio Tono 1KHz

Enmascarado Simultaneo

EnmascaradoPrevio

EnmascaradoPosterior

Pres

ión

t


Sistema de Multiplex MPEG-2

Codificadorde Vídeo

Codificadorde Audio

MUXde flujo dePrograma

Empaquetador

Empaquetador

MUXde flujo deTransporte

MUXde

Programas

Datosde Vídeo

Datosde Audio

Flujo dePrograma

(DVD)

Flujo Simple deTransporte

FlujoMúltiple deTransporte

Flujo Elemental

Vídeo PES

Audio PES

Datos


Flujo de Transporte

PES(+ de 64 Kb)

Rec 601 de Vídeo

Flujo Elemental

Vídeo 1PES(+ de 64 Kb)

Flujo Elemental

Audio 1

PES(+ de 64 Kb)

Rec 601 de Vídeo

Flujo Elemental

Vídeo 2

Programa 2

PCR (27 MHz)

PCR (27 MHz)

Flujo de Transporte188 Bytes por paquete

Flujo de Transporte Multiple (2 programas)


Paquetes MPEG-2

• Stream de Programa del MPEG-2.

• Stream de Transporte del MPEG-2 obtenidos del PES (Packetized Elementary Streams).

• Cabecera: 1 byte de sincronismo + 13 bit de PID + 1 bit de prioridad +48 bits de PCR ...

• Preámbulo: Contiene el identificador del Paquete de Transporte.

DatosCabecera Preámbulo

4 bytes188 bytes

64

Televisión Digital TerrestreDVB - T



Servicios de TV Digital Considerados

Servicios DefiniciónEstandard (SD)

DefiniciónMejorada (ED)

AltaDefinición (HD)*

Relaciones 625/50/2:1 16/9 625/50/2:1 16/9 1250/50/2:1 16/9

Muestreo dela señal Y

13,5 MHz 13,5 MHz 54 MHz

Muestreo dela señal U/V

6,75 MHz 6,75 MHz 27 MHz

Definición 720 pelsx576lineas por trama

720 pelsx576lineas por trama

1440 pelsx1152lineas por trama

CalidadEsperada

PAL/SECAM D2MAC-PALplus HDMAC

VelocidadBinaria

4 Mbits/s 12 Mbits/s A partir de24 Mbits/s


Parámetros del Estándar

• Se consideran 3 tipos de receptores.– Receptor SD (fijo o portable) que presenta un programa

SD sobre una pantalla pequeña (14”).– Receptor ED (fijo) que presenta un programa ED o un

programa SD sobre una pantalla mediana o grande.– Receptor HD (fijo) que presenta un programa HD, o un

programa ED o uno SD sobre una pantalla grande.• Se fijan 2 tipos de Sistema:

– FFT de 2K para distribución de TV Convencional.– FFT de 8K para distribución de TV en redes de

frecuencia única (SFN).• Se fijan varios intervalos de guardia (1/32, 1/16, 1/8, 1/4)


Especificación del Transmisor

HP

LP Codificador

BB

-> R

F

Mul

tiple

xado

rde

Tram

a

OFD

M

D/A

Map

ping

64-Q

AM

con

mul

ti-re

solu

ción

Ent

rela

zado

ren

Frec

uenc

iaSímbolos

de referencia

Cod

ifica

dor d

e Fu

ente

Enc

amin

ador

-Buf

fer Entrelazador

de byteCodificador

RSCodificador

Interno

Mul

tiple

xor

RSEntrelazador

de byteCodificador

Interno


Especificación del Receptor

HP

LP

InformaciónDecisión Soft

Dem

ultip

lexa

dord

e Tr

ama

OFD

D

A/D

Map

ping

64-Q

AM

con

mul

ti-re

solu

ción

Dee

ntre

laza

doen

Fre

cuen

cia

Gen

erac

ión

IQ

X

Estimaciónde Canal Sincronismo

Frecuencia

VCO Digital

Dec

odifi

cado

rIn

tern

o

RF

-> IF

CAG

Símbolo NuloVentana

Entrelazadorde byte

Entrelazadorde byte

MuestreoSincronismo

Tiempo

Dee

ncam

inad

or-B

uffe

r

Dec

odifi

cado

r de

Fuen

teD

emul

tiple

xor

CodificadorRS

CodificadorRS


Multiplexador - Demultiplexor

• Compatible con el Stream de Transporte del MPEG-2

• Cabecera: 1 bit de sincronismo + 13 bit de PID + 1 bit de prioridad + ...

• Preámbulo: Contiene el identificador del Paquete de Transporte.

• Maneja 20 streams de hasta 4 programas (y sólo 4 referencias temporales).

Prog

ram

aM

ULT

IPLE

X

Codificadorde Video

Codificadorde Audio

Codificadorde Datos

MU

LTIP

LEX

de T

rans

port

e

1

2

NServicios

Componentesdel Servicio

Multiplexador de Transmisor


Encaminador - Desencaminador

• Sólo se emplea en caso de utilizar transmisiones jerárquicas

• Encaminador– Clasifica los Streams de Transporte según su prioridad.– El máximo número de flujos (cada uno con su

prioridad) son 2: HP y LP.• SDTV+EDTV• SDTV+HDTV

– Emplea un buffer para cada prioridad. • Desencaminador

– Realiza la tarea contraria en el receptor


Codificador Externo - Reed Solomon

– Permite la corrección de errores en ráfagas que surgen por los fallos del decodificador interno de Viterbi.

– Se codifica una paquete de transporte MPEG en una “code-word” con el código RS [204,188,T=8].

• Es un código acortado implementado añadiendo51 bytes a cero antes de los bytes de información a la entrada del código base RS(255,239)

• Longitud n=204, dimensión k=188.• Distancia mínima dmin=17.• Generador Polinómico

g(x)=x8+x4+x3+x2+1.0.1 1 10

1 10 13

1 10 12

1 10 11

1 10 10

1 10 9

1 10 8

1 10 7

1 10 6

1 10 5

1 10 4

0.001

0.01

0.1

1

RS(207,118)

Probj

Psj

Probabilidad de Error calculada suponiendo Hard-Decision


Estructura de Tramas

DatosCabecera PreambuloSinc

187 bytes1 byte

4 bytes

Tramas de transporte MPEG-2

DatosCabecera PreambuloSinc

204 bytes1 byte

4 bytes

RS(204,188,8)

187 bytes

Tramas después del código Reed-Solomon

203 bytesSinc

204 bytes1 byte

Tramas después del entrelazado


Entrelazador - De-entrelazador de Byte

• Distribuye los errores en ráfaga que surgen por los fallos del decodificador interno de Viterbi.

• Se aplica a cada uno de los flujos de prioridad.– Entrelazador

• Es de tipo Convolucional (de Forney) con una profundidad de I=12 bloques RS.

• Está compuesto por l=12 ramas conectados cíclicamente al flujo de bytes de entrada.

– Cada rama j es un registro de desplazamiento de lógica FIFO con una profundidad M*j.

– En este caso M=17=N/l, ya que N=204, longitud de la trama RS.– El byte de sincronismo siempre atraviesa la rama cero (retardo

nulo) no sufriendo entrelazado.– De-entrelazador

• El principio es similar al del entrelazador pero invirtiendo las ramas.


Entrelazador - Dentrelazador de Byte

17=M

17=M

17=M

17x2

17x3

17x11

Byte de SincronismoEntrelazador l=12

Registro dedesplazamiento

FIFO

01

2

3

11

1 byte porposición

1 byte porposición

17=M 17x11

11

17=M17x3

917x2

1017=M

8

0Dentrelazador l=12


Codificador Interno

• La codificación interna es de tipo Convolucional.• El código convolucional básico es 1/2 (K=7) y mediante

“puncturing” se obtienen las distintas relaciones k/n (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8) de la codificación.

G0= 1718=001111001

G1= 1338=001011011

+

+

Puncturing

Puncturing

G0

G1

0

1

k/n=1/2, K=7

Y

X

Tasa Puncturing SequenciaTransmitida

1/2 X:1Y:1

X1Y1

2/3 X: 1 0Y: 1 1

X1Y1Y2

3/4 X: 1 0 1Y: 1 1 0

X1Y1Y2X3

5/6 X: 1 0 1 0 1Y: 1 1 0 1 0

X1Y1Y2X3Y4X5

7/8 X: 1 0 0 0 1 0 1Y: 1 1 1 1 0 1 0

X1Y1Y2Y3Y4X5Y5X7


Codificador Interno

• También es posible realizar la codificación interna jerárquicamente asignando una tasa diferente a los flujos en función de la prioridad de los mismos. Esta se denomina codificación Convolucional Multinivel, es decir que cada bit se codifica bajo una relación diferente.

• Por ejemplo un modo de funcionamiento sobre 64-QAM podría ser:

C1

dH,1

C2

dH,2

C3

dH,3

C4

dH,4

C5

dH,5

C6

dH,6

HP LP LP

C1 C2 C3 C4 C5 C6

3/4 3/4 1/2 1/2 1/2 1/2

C1

dH,1

C2

dH,2

C3

dH,3

C4

dH,4

HP LPCodificación Jerárquica

sobre 64-QAM

Codificación Jerárquica

sobre 16-QAM


Receptor - Decodificador Interno

• La procedimientos de decodificación son:• Decodificación Iterativa Multietapa.

• Decodificación Iterativa Multietapa subóptima.

• Decodificación Jerárquica Multietapa: Encadenando 6 decodificadores para cada bit

Detección de los puntos 16/64-QAMDecodificación de C3, C4,C5 y C6

Detección de los clusters QPSKDecodificación de C1 y C2

Retardo

b1

b2

b3b4b5b6

HP

LP

Detección de los puntos 16/64-QAMDecodificación de C3,C4, C5 y C6

Detección de los clusters QPSKDecodificación de C1 y C2

b1

b2

b3b4b5b6

HP

LP


Entrelazador - Deentrelazador Interior

– Entrelazado de bit• Modo No jerárquico:

– El flujo se multiplexa en 2, 4, o 6 flujos. – Cada uno de ellos se somete a un entrelazado

• Modo Jerárquico– Cada flujo jerárquico se multiplexa en 2 o 3 flujos.– Cada flujo se entrelaza.

• Cada uno de los entrelazadores manipula 126 bits– 2K OFDM: 12 bloques– 8K OFDM: 48 bloques

– Entrelazado de símbolo.• Todo el flujo anterior en paralelo se introduce en el entrelazador.• Agrupa y entrelaza 1512 bits (2K) o 6048 bits (8K) para formar el

símbolo OFDM.– El deentrelazador sigue un funcionamiento reciproco.


Entrelazador de Bit

DEMUXEntrel. de bit I0

Entrel. de bit I2Entrelaz.de Símb.

QAM



Entrel. de bit I0

Entrel. de bit I3

16-QAM



Entrel. de bit I1

Entrel. de bit I4

Entrel. de bit I0

Entrel. de bit I5

64-QAM


Entrelazador de Bit

16-QAMJerárquico


Entrel. de bit I2 Entrelaz.de Símb.


Entrel. de bit I2

64-QAMJerárquico

DEMUX

Entrel. de bit I0


Entrel. de bit I0

Entrel. de bit I0

Entrel. de bit I0

Entrel. de bit I0

DEMUX


Entrelazador de Símbolo

• El proceso de entrelazado de una entrada y’ en salida y se define como:

Nmax=1512 (2K Mmax=2048 )Nmax=6048 (8K Mmax=8192 )

– R’ se obtiene mediante el operador OR-EXCLUSIVE

– R se obtiene mediante una tabla de permutaciones

Permutación

R’

RUnidad

de Control

H(q)

09

Permutación

R’

RUnidad

de Control

H(q)

011

2K OFDM

8K OFDM

( )

( ) 1N0qparessímbolosyy

1N0qimparessímbolosyy

maxqHq

maxqqH

−=′=

−=′=

K

K

( ) ( ) ( ) ( )

( ){ }1qqthenNqHif

2jR22modiqH

1ii;Mi;0ifor;0qfor

max

2Mlog

0j

jnpermutaciói

1Mlog

max

max2max2

+=<

⋅+⋅=

+=<==

∑−

=

−


Mapping Uniforme (α=1)

1

-1

-1 1 3-3

-3

3

5 7-5-7

5

7

-5

-7

64-QAM

1

-1-1 1 3-3

-3

3

16-QAM

1

-1-1 1

QAM


Mapping No Uniforme (α=2)

2

-22 4-4

-4

4

6 8-6-8

6

8

-6

-8

-2

64-QAM

2

-2 2 4-4

4

-4

-2

16-QAM


Mapping No Uniforme (α=4)64-QAM

2

-2-2 2 4-4

-4

4

6 8-6-8

6

8

-6

-8

10

-10

-10

10

2

-2-2 2 4-4

-4

4

16-QAM

6

-6

-6 6


Mapping Multiresolución

• Tanto las modulaciones 16-QAM como 64-QAM emplean en el modo jerárquico Multi-Resolución. – La constelación 16-QAM se

subdivide en otro conjunto de puntos correspondientes a la modulación QAM.

– La constelación 64-QAM se subdivide en otra constelación QAM.

– De este modo las distancias euclídeas mínimas para cada con-junto aumentan: (dE,HP>dE,LP).

dE,HP

dE,LP

dE,HP

dE,LP

16-QAM/QAM

64-QAM/QAM


Diagrama de Bits del Mapping

Mapping del 64-QAM4 bits HP y 2 bits LP(b0,b1, b2,b3,b4,b5)

100001 100011

100111100101

100100 100110

101110 101001

101101101111

101110 101100

001001 001011

001111001101

001100 001110

100010100000 101000101111 001010001000 000000000010

000011 000001

000101000111

000110 000100

110110110100 111100111110 011010011000 010100010110

110111110101 111101111111 011011011001 010101010111

110011110001

110000 110010

111001111011

111010 111000

011011011001

011000 011010

010001010011

010010 010000

10 00

11 01

Mapping del -QAM2 bits (b0,b1)

Mapping del 16-QAM2 bits HP y 2 bits MP

(b0,b1, b2,b3)

10101000

1001 1011

00000011

0011 0001

11111101 01010111

11101100 01000110


OFDM

• Banda de Guarda.– La coexistencia de varios sistemas de TV fuerza a la

búsqueda de una protección elevada contra las interferencias por canal adyacente (ACI) en el receptor.

– La solución tecnológicamente posible consiste en introducir una banda de guarda.

– Se considera un BW mayor y se distribuyen en los extremos subcanales con señal nula. La demodulacióncon FFT en el Rx mejora la ACI.


Parámetros del OFDM

• Solución FFT de 2K (N=2048)• Nu=1705 (Subcanales útiles: 171 a 1875).

– ts=224 µs.– fk=4464 Hz= 1/ts

– BW=8 MHz y BWu=7,61 MHz.– ∆ts= ts/4= 56 µs => t’s=280 µs.– ∆ts= ts/8= 28 µs => t’s=252 µs.– ∆ts= ts/16= 14 µs => t’s=238 µs.– ∆ts= ts/32= 7 µs => t’s=231 µs.


Parámetros del OFDM

• Solución FFT de 8K (N=8192) • Nu=6817 (Subcanales útiles: 686 a 7505).

– ts=896 µs.– fk=1116 Hz= 1/ts

– BW=8 MHz y BWu=7,61 MHz.– ∆ts= ts/4= 224 µs => t’s=1120 µs.– ∆ts= ts/8= 112 µs => t’s=1008 µs.– ∆ts= ts/16=56 µs => t’s=952 µs.– ∆ts= ts/32=28 µs => t’s=924 µs.


Estructura de la Trama OFDM

– La señal transmitida se organiza en tramas.– Cada trama tiene una duración TF y está formada por 68

símbolos OFDM.– 4 tramas constituyen una Super Trama.

Supertrama

Trama 4 tramas

......... 68 símbolos


Secuencia de Referencia

• La Trama OFDM a parte de los datos incluye:• Celdas piloto dispersas: Secuencia de referencia.• Portadoras piloto continuas: Secuencia de

referencia.• Pilotos TPS (“Transmitter Parameter Signalling”):

Parámetros del Tx.

• Secuencia de Referencia:( ) 1xxxw 211 ++=

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Retardo1 bit

Inicio: 1111111111100...

{ } { } 0CIm21w2

34CRe j,ikj,i =

−⋅=


Pilotos Dispersos y Continuos

• Localización de los pilotos dispersos ( ).

• Localización de los pilotos continuos.– Se situan una serie de pilotos continuos (que aparecen

en todos los símbolos) en posiciones tabuladas• 177 para el modo 8K• 45 para el modo 2K

( ) K21704

...

...

...

...

...

...

...

...

01704 (2K)6816 (8K)

Símb. 0Símb. 1Símb. 2Símb. 3

Símb. 67

( ) [ ] ( )

∈∈+⋅=K86816

;0p67;0Ip124modI3kPosición


Recepción con error de recuperación de amplitud y fase

• El método usado para la estimación del canal supone un problema de interpolación bidimensional:


Corrección de los efectos del canal

y(n)OFDD )(ˆ

)(kHkHs

i

iik ⋅x/y

sik ⋅ Hi(k)

Ĥi(k)Interpolació

n tiempoInterpolación

frecuencia

Interpolación en el tiempo:)(

4)( 4)(ˆ))(1()(ˆ)()(ˆ +−− −

+−−

− ⋅⋅−+⋅⋅= piipii jpi

jpii ekHpekHpkH φφφφ αα

donde los términos exponenciales corresponden al error de fase común:

−

=−= ∑∑

∈ −

−

∈−

Ck ki

ki

Ck ki

kiii R

RRR

Ni

)Re()Im(

arctg)Re()Im(

arctg1)(,1

,1

,

,1φφδ

∑−

=−− =−

1

01

p

qqiii δφφ∑

−

=+−+ −=−

p

qqipii

4

14 δφφ

filtro interpolador de 8 etapas

filtro interpolador de 10 etapasInterpolación en frecuencia:

siendo


Resultados: Filtro de 8 Etapas

0 5 10 15 20 25 30 35 4010

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

2k mode Speed = 90 Km/h Tg = 1/4 Channel GSM

Eb/No

Pe

0 5 10 15 20 25 30 35 4010

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

8k mode Speed = 90 Km/h Tg = 1/4 Channel GSM

Eb/No

Pe


Resultados: Filtro de 10 etapas

0 5 10 15 20 25 30 35 4010-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100modo = 8k; velocidad = 90km/h; tiempo guarda = 1/4 GSM

EbNo

Pe

0 5 10 15 20 25 30 35 4010-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100modo = 2k; velocidad = 40km/h; tiempo guarda = 1/4 GSM

Pe

Se aprecia una mejora de entre 1 y 5 dB para todos los casos con canal tipo GSM a 40 y 90 Km/h.


Pilotos TPS

• Se utilizan para enviar señalización con información de los parámetros de transmisión en posiciones definidas en una tabla– 17 pilotos (modo 2K)– 68 pilotos (modo 8K)

• Cada piloto TPS del mismo símbolo OFDM contiene la misma información

• Modulación: DBPSK, inicializada al comienzo de cada bloque TPS

• Protección de errores: BCH (67, 53, t=2) acortado del BCH(127,113, t=2)


Pilotos TPS

• La información contenida es:– 1 bit de inicialización– 16 bits de sincronismo– 37 bits de información (37=23 usados+14 reservados):

• Número de Trama en la super trama(1,2,3,4)• Constelación (QAM, 16-QAM, 64-QAM)• Información jeráquica.• FEC (HP y LP) (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)• Intervalo de guarda (1/4, 1/8, 1/16, 1/32)• Modo de Transmisión (2K, 8K)


Canales OFDM

N-2 N-1 N N+1

N-2 N-1 N+1N

7,61 MHz

9,14 MHz

8 MHzCanales de TV

Canales DVB-T

Espectro Útil DVB-T

Muestras de frecuencias a cero


Transmisor - IF -> RF

Precorrectorde

No-linealidades

ModuladorQAM

X

X

Filtro IF

Filtro RF Filtro deSalida

AGC

Salida de IF

Salida de RFIQ

Reloj

OsciladorRF

OsciladorIF


Receptor - RF->IF

• Diagrama de bloques del RF->IF

Filtro SAW

Ref.Oscilador

Filtro PB

OsciladorIF

CAG

±10dB

SintonizadorX

PLL

CAG Controldel

Oscilador±70kHz

CAF Selección de Canal


Receptor - Filtro SAW

Espectro COFDM

7,61 MHz

9,14 MHz

0,5 MHz 0,5 MHz

30 dBFiltro SAW

...

00 1 2 3 N-1...

• El Filtro SAW limita la señal recibida a la banda de 7,61 MHz.


Prestaciones del DVB-T

Modulación RxFijoC/N BER=10-10

Rx PortableC/N BER=10-10

Rb (Mbps)

QAM 3,6-8,7 5,4-16,3 5-10,616QAM 9,6-15,0 11,2-22,8 10-21,164-QAM 14,7-21,0 16,0-27,9 15-31,7QPSK en 16-QAM 5,4-18,7 6,9-24,1 5-10,6QPSK en 16-QAM α=4 4,4-22,8 6,0-28,5 5,10,6QPSK en 64-QAM α=2 9,5-22,2 11,4-27,6 5-10,6QPSK en 64-QAM α=2 7,1-23,8 8,7-29,6 5,10,6

Prestaciones obtenidas por simulación


Ventajas del uso de COFDM

• Frente a Interferencias de Banda Estrecha.– El código interno corrige las ráfagas de interfe-rencias que afecten

a una portadora.– La información del canal en el decodificador de Viterbi compensan

una portadora afectada perma-nentemente.– El entrelazado en frecuencia distribuye en ráfagas en el caso de

que mas de una portadora sea interferida, de modo que el código interno pueda corregir.

• Frente al Ruido Impulsivo.– La potencia del ruido impulsivo es distribuida entre todas las

portadoras (si N=2048 C/I disminuye 33 dB) mediante el entrelazado en frecuencia.

– La potencia del ruido impulsivo puede distribuirse también en eltiempo mediante un entrelazado en el tiempo.



• Frente a una Interferencia Cocanal (CCI).– COFDM crea poca interferencia cocanal

• COFDM tiene un comportamiente plano en frecuencia como el del ruido y es muy eficiente en potencia.

– COFDM es resistente frente a las interferencias.• El entrelazado en frecuencia reparte la potencia interferente entre todas los bits.• La información del canal en el decodificador de Viterbi compensan una CCI

permanente.• Frente a una Interferencia de Canal Adyacente (ACI).

– COFDM crea poca interferencia de Canal Adyacente.• COFDM tiene bastante rectangular por lo que aprovecha bien el ancho de banda.

– COFDM es resistente frente a las interferencias.• El filtrado digital incluido en la propia demodulación (muestras nulas incluidas en

la FFT) añade un rechazo de señales adyacentes al del propio filtro SAW de IF• ACI (por sintonía o filtro SAW imperfectos) no crean ISI.



• Frente a los ecos del canal.– Nivel relativo de los ecos.

– Canales Variantes con el tiempo, para receptores móviles.

0 dB

-6 dBArea de Eficiencia del COFDM

Area de Eficiencia del Igualador

Zona de Ecosproducidospor las SFN

≈24µs Entre 32 y 256 µs

τ


Desventajas del uso de OFDM

• La envolvente de la señal no es constante.– El punto de trabajo del amplificador debe situarse entre 3 y 5

dB por debajo de la saturación.• Se puede remediar este problema en parte empleando un

precorrector de la no linealidad.

– Las modulaciones M-QAM (salvo la 4-QAM= QPSK) tampoco mantienen la señal constante.

Input Back-Offnecesario

4-QAM 16-QAM 32-QAM 64-QAM

M-QAM 0 dB 2.5 dB 2.3 dB 3.7 dBCOFDM+MQAM 0 dB 3.8 dB 4.2 dB 5.0 dB


Desventajas del uso de OFDM

• Son necesarios más circuitos de control de sincronismo o de estimación.– No basta sólo con el sincronismo de muestreo, también se

necesitan sincronismos de trama y de ventana de FFT.– Es necesario estimar el canal (en módulo y fase) para una

correcta demodulación.

109

Distribución de laTelevisión Digital Terrestre



Redes de Frecuencia Única - SFN

• Es el modo más eficiente de radiodifundir señal de TV digital.

• Se simplifican la radiodifusión de TV– Sistema Analógico

• Debe cambiar la frecuencia de canal cada vez que retransmite la señal.

• Las zonas en sombra emplean otro canal.– Sistema digital

• Mantiene la misma frecuencia de canal en todos los transmisores.

• Las zonas en sombra emplean el mismo canal.


Redes de Frecuencia Única - SFN

Sistema DigitalSistema Analógico9 frecuencias/programa

A A A A

A A A

AA A A

A A

A

A

1 frecuencias/programa

A B C A

D A F

AG H I

B C

DGA B C A

D E F

AG H I

B C

D

G

!Es una visiónsimplificada y

optimista!Situación puente


Sistema Analógico (Pasado)

• La planificación del sistema analógico (Plan de Estocolmo de 1961) está basada en los “Clear Channels”, evitando Canales Taboo:– Co-Canal:N– Canales del Oscilador:N+5, N-5– Adyacentes:N+1 y N-1– Canal Imagen:N+9

Canales 21-81Co-Canal N=21 49

3929

8070

6050

4030

8171

6151

4131

21

3828

7969

59

7767

5747

3727

7868

5848

2172

6252

4232

2273

6353

4333

2374

6454

21

5545

3525 76

6656

4636

26

4434

2475

65

21

N+3

N+10


Situación Puente Analógico-Digital

• Habrá serios problemas de transición.– Planificación para que el usuario pueda prolongar la

vida de sus antenas.– Interferencia entre ambos sistemas.

C/I DTV/TVTroposférico

DTV/TVEstable

TV/DTVSeñal Vídeo

DTV/DTV

Co-Canal 37 45 14+14(26+14)

14+14(26+14)

() Los valores entre paréntesis corresponden a HDTV

C/I DTV/DTV TV/DTV DTV/TV(N+1) DTV/TV (N-1)CanalAdyacente

-30 a -40 -30 a -40 0 a 20 -10 a 0


Sistema Digital - SFN

• La planificación de la red necesita:– Calculo de la Cobertura para cada modo de funcionamiento

considerando los Acuerdos de Chester:– 90% de las localizaciones (�=9 dB + Rec. ITU-R 370).– 70% de las localizaciones (�=2.9 dB + Rec. ITU-R 370)

• 50% del tiempo (rx fijos) ó 90% del tiempo (rx portables) (�=2 dB + Rec. ITU-R 370).

– incluyendo:• sólo el transmisor más próximo,• la red de transmisores: Suma estadística de la potencia recibida de

todos los transmisores. (Método de la suma en potencia):– EΣ =10 x log10 ( Σ10^Ei/10)– Ei contribuye sólo si ts+d/c<=∆, en caso contrario se considera como

interferencia sobre la propia red.



• Diagramas de Intensidad de Campo para el 90%.

2 105 1.5105 1 105 5 104 0 5 104 1 105 1.5105 2 1051 105

5 104

0

5 104

1 105

n48

33.603

At Potencia 1KW



• La planificación de la red necesita también:

– Uniformización del Retardo en redes irregulares. • Calculo de un retardo asociado a cada transmisor de

modo que se uniformicen los retardos vistos por el transmisor.

– Calculo de Interferencias entre Redes.



• Uniformización del Retardo en redes irregulares.

0 20 4040

20

0

20

40

0.11

0.11

0.1

0.1

0.09

0.09

0.08

0.08

0.07

0.070.07

0.07

0.07

0.06

0.06

0.060.06

0.06

0.060.06

0.050.05

0.05

0.050.05

0.05

0.05

0.05 0.05

0.05

0.05

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.040.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.03

0.03

0.030.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.010.01

0.01

∆ t2

0 20 4040

20

0

20

40

0.11

0.1

0.1

0.09

0.09

0.08

0.08

0.07

0.07

0.07

0.07

0.07

0.06

0.060.06

0.06

0.06

0.05

0.05

0.05

0.050.05

0.05

0.05

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.040.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.03

0.03

0.03

0.03

0.030.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

∆ t1

10 0 10 20 30 40 5040

20

0

20

40

No Uniformizado Uniformizado


Base de datos del terreno.Parámetros del perfil.

-5 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

41ZONA DE RESULTADOS

Longitud (ºE)

Latit

ud (º

N) Comunidad

de Madrid

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Distancia en Kms

Altit

ud e

n m

ts

Perfil del terreno entre Cercedilla y Chinchón

Puntos Latitud(ºN) Longitud(ºW)

Cercedilla 40.7435 4.063

Chinchón 40.144 3.4217

Parámetros del perfil:• Ondulación del terreno.• Altura efectiva.• Ángulo de despejamiento.


-4.5 -4 -3.5 -340.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

15. San Martín de Valdeiglesias

18. Valdemaqueda

8. Móstoles

10. Paseo de la Habana

16. Torrespaña

12. Plaza de Castilla

14. Puerto de Navacerrada2. Cercedilla

9. Navacerrada3. Collado

Mediano4. Collado Villalba

19. Valdilecha

6. Fuentidueña

del Tajo

1. Carabaña

5. Chinchón

7. Morata de Tajuña17. Valdelaguna

11. Perales de Tajuña

13. Plaza de España

17.

Longitud (ºW)

Latitud (ºN)

Elección de las estaciones transmisoras. Siempre que sea posible: utilizar los emplazamientos de las actuales redes de difusión de TV analógica.

Estaciones Transmisorasde TV analógica


Estudio de una red SFN en Madrid

Cálculo de los tiempos de compensación. Para minimizar las interferencias de la propia red.

Resolución por

mínimos cuadrados

Estaciones de la red: Tiempo desincronización de cada

estación (µs):

-4.5 -4 -3.5 -340.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

14. Puerto de Navacerrada

4.Collado Villalba

12. Plaza de Castilla

19. Valdilecha

6. Fuentidueña del Tajo

7. Morata de Tajuña

8. Móstoles15. San Martín deValdeiglesias

18. Valdemaqueda

Longitud (ºW)

Latitud (ºN)

4. Collado Villalba6. Fuentidueña del Tajo7. Morata de Tajuña8. Móstoles12. Paseo de la Habana14. Puerto de Navacerrada15.San Martín de Valdeiglesias18. Valdequemada19. Valdilecha

0 23.4923 16.8529 6.3476 9.0932 -28.2349 -6.8940 -6.1860 -0.2634

t1+da1/c=t3+da3/c=t4+da4/c

t1+db1/c=t2+db2/c=t4+db4/c



Evolución de la intensidad de campo con el tiempo de guarda ∆..

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud(ºE)

Latit

ud(º

N)

Intensidad de campo en dB(microV/m).

20

20

20

20

20

20

20

20

20

20

20

4040

4040

40

40

40

40

40

60

60

60

60

60

60

60

60

80

80

80 80

80

80

100

100

100

100

100

100

100

120

120

120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud(ºE)La

titud

(ºN

)


20

20

2020

20

20

20

20

20

20

20

20

40

40

40

40

40

40 40

40

40

40

40

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

80

80

80

80

80

80

80

80

100

100

100

100

100

100

100

100

120

120

120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud(ºE)

Latit

ud(º

N)


20

20

20

20

20

20

20 20

20

20

20

40

40

40

4040

40

40 40

40

40

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

80

80

80

80

80

80

80

80

80

100

100

100

100

100

100

100

100

120

120 120

120

120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud(ºE)

Latit

ud(º

N)


20

20

20

20

20 20

20

40

40

40

40

40

40

60

60

60

60

60

60

60

60

60

60

80

80

80

80

80

80

8080

100

100

100

10010

0

100

100

100

120

120

120

120

120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud(ºE)

Latit

ud(º

N)


20 20

20

20

20 40

40

4040

40

60

60

60

60

60

60

60

80

80

80

80

80

80

80

80

80

100

100

100

100

100

100

100

120 120

120 120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud(ºE)

Latit

ud(º

N)


20

20

20

20 40

40

40

40

40

60

60

60

60

60

60

6080

80

80

80

80

80

80

80

100

100

100

100

100

100

100

120 120

120

120

120

120

∆=7µs ∆=14µs ∆=28µs

∆=56µs ∆=112µs ∆=224µs

¡ Se necesitan tiempos de guarda elevados! (Modo 8k ∆/Ts=1/8,1/4).



Estudio de la cobertura.

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud (ºW)

Latit

ud(º

N)

Zona donde existe cobertura

20

20

20

20

20

40

40

40

40

40

40

40

60

6060

60

60

60

60

80

80

80

80

80

80

80

80

80

100

100

100

100

100

100

100

120

120

120

120

12012

0

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud (ºW)

Latit

ud(º

N)


20

20

20

20

20

20

20

40

40

40

40 40

40

40

60

60

6060 60

60

60

8080

80

80

80

80

80

80

80 80 100

100

100

100

100

100

100

100

120

120

120

120

120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud (ºW)

Latit

ud(º

N)


20

20

20

20

20

20

20

2020

40

40

40

40

40

40

40

40 40

40

60

606 0

60

60

60

60

60

60

80

80

80

80

80 80

80

80

80

100

100

100 100

100

100

120

120

120

120

120

120

ANTENA FIJA PORTABLE EN EXTERIOR PORTABLE EN INTERIOR

∆ = 224 µs.C/N=8 dB, BW=8 MHz.

Campo mínimo de referencia para DVB-T: dB (µV/m)Antena fija 45.2158

Antena portable en exteriores 64.2158Antena portable en interior en planta baja 76.2158

Falta de cobertura en la zona noreste de la Comunidad.



Solución a la falta de cobertura.Búsqueda de una estación de Guadalajara cercana (Bustares) a la

zona (⇒resincronización de la red).Una nueva estación en la zona noreste de Madrid.

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud (ºE)

Latit

ud(º

N)


20

20

20

20

20

20

20

40

40

40

40

40

40

40

60

60

60

60

60

60

60

60

80

80

80

80

80 80

80

8080

80

100

100

100

100

100

100

100

120

120

120

120

120

120

120

-4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -340

40.1

40.2

40.3

40.4

40.5

40.6

40.7

40.8

40.9

Longitud (ºE)

Latit

ud(º

N)


50

50

50

50

50

50

50

50

100

100

100

100

100

100

100

100

100


Ventajas del Futuro Digital

• Se simplifican la radiodifusión de TV– Sistema Analógico

• Debe cambiar la frecuencia de canal cada vez que retransmite la señal.

• Las zonas en sombra emplean otro canal.– Sistema digital

• Mantiene la misma frecuencia de canal en todos los transmisores.

• Las zonas en sombra emplean el mismo canal.• Las ventajas se verán a largo plazo cuando la señal digital

haya substituido a la analógica:– Calidad en la recepción mejorada (v.g. no aparición de

ruido o de dobles imágenes).


Ventajas de la SFN

• Gran Eficiencia en el uso del Espectro.– No desperdician potencia.– No interfieren con un nivel tan alto.

• Menor Potencia Radiada (gracias a la ganancia interna de la red).• Elevada probabilidad de servicio sobre la zona de cobertura.

C/N digital: 13 db a 26 dBC/N analógica: 48 a 70 dB

Sistema Analógico

Sistema Digital Distancia

Potencia

Potencia Desperdiciada

Potencia Interferente

Cobertura


Ventajas de la SFN

• Fácil cobertura de zonas con sombra (con re-empleo de la frecuencia).

F1

F1

F1

F2

A1

A2

G1

G2

SoluciónDigital

SoluciónAnalógica

Zona en sombra


Desventajas de las SFN

• La misma red no puede emitir programas diferentes (desconexión regional).

• La Eficiencia de las SFN disminuye al diseñar un sistema internacional basado en SFN locales.– El límite sería una SFN formada por 3 celdas.

• La SFN tampoco puede usar canales taboo.

• Los elementos de la red necesitan estar sincronizados.

• Necesario controlar la potencia de los emisores.

128


DVB-HDigital Video Broadcasting for Handheld Devices






Introducción

• La convergencia de los medios digitales y los sistemas de comunicaciones da a los usuarios la posibilidad de consumir contenidos digitales en entornos móviles.

• Este estándar DVB-H trata de proporcionar recepción de TV digital en dispositivos móviles– Conocidos inicialmente como DVB-X

• DVB-H se estandariza dentro del proyecto DVB– Se ha terminado esta fase recientemente a finales de

abril de 2004• DVB-H combina los estándares tradicionales de

radiodifusión de TV con elementos específicos de los dispositivos de manos (“handheld”): mobilidad, movilidad, pantallas pequeñas y antenas, cobertura de interiores y potencia de batería limitada


Motivación para crear DVB-H• ¿Por qué no usar UMTS?

– No escalable para la entrega de contenidos masivos– Para la entrega de contenidos masivos, las redes de

radiodifusión suelen ser más adecuadas que los enlaces celulares punto a punto

• ¿Por qué no usar DVB-T?– Fue diseñadp para la recepción fija con antena en el tejado– Necesita un mecanismo eficiente de ahorro de potencia– No tiene una protección adecuada frente al ruido impulsivo

• ¿Por qué no usar DAB?– Fue diseñado para dispositivos con limitación de consumo

de potencia pero para la transmisión de datos con espectros de banda estrechos.

DAB = Digital Audio Broadcasting


DVB-T

• Estándar de TV Digital Terrestre– Adaptado en 36 países en todo el mundo

• Transporte radio de datos de banda ancha punto a multipunto

– Video, audio, datos y paquetes IP (!!!)– Escalable: Tamaño de la célula hasta 100 km ( la célula DVB-J es más pequeña)– Gran capacidad: 54 canales con capacidad de 5-32 Mbit/s

• El apagado de Televisión digital liberara una inmensa banda para el empleo de DVB-T.

DVB-T = Digital Video Broadcasting - Terrestrial


DVB-T (2)

• Desarrollado para la distribución del flujo MPEG-2, aunque básicamente puede transportar cualquier dato– Flexible, con muchos modos, 4.98-31.67 Mbit/s @ C/N=25dB

• Modulación multiportadora COFDM con modos 2k y 8k– Un canal DVB es ~8MHz

• 1705 sub portadoras (espaciadas: 4464 Hz) – modo 2k

• 6817 sub portadoras (espaciadas: 1116 Hz) – modo 8k

– Modulación de portadoras: QPSK, 16 QAM or 64 QAM– Corrección de errores: código convolucional y Reed-Salomon

• Modo básico en España:– Modo 8k– 64 QAM, tasa de código = 3/4, intervalo de guardia 1/32

COFDM = Coded Orthogonal Frequency Division MultiplexingC/N = Carrier to Noise ratio


Recepción Móvil de DVB-T

• DVB-T incluye modos jerárquicos para transmitir dos flujos de transporte simultáneos– Baja capacidad, Alta capacidad

• DVB-T puede también emplearse para la radiodifusión a dispositivos móviles, pero deben seleccionarse modos adecuados– 8k 64 QAM: < 50 km/h– 2k QPSK: > 400 km/h

• Sería deseable una red separada para DVB-H– Optimizada para velocidad, cobertura y capacidad


¿Por Qué 2k, 4k o 8k?

• Un pequeño número de sub-portadoras (como en 2k) proporciona:– Gran espaciado inter-portadora -> mayor tolerancia al efecto

doppler– Duración corta del símbolo -> limita el máximo retardo de ecos

aceptados • Un gran número de sub-portadoras (como en 8k):

– Pequeño espaciado inter-portadoras pero con una gran duración de símbolos.

• A primera vista, la elección del número de portadoras no influye en la capacidad de radiodifusión pero si en el “trade-of” entre el efecto del Doppler y el máximo retardo del echo admisible.


Mission del DVB-H

• Hace “… posible transmitir in un flujo de transporte DVB tanto para componentes DVB-H y DVB-T de modo que los receptores DVB-T que no puedan decodificar la componente DVB-H, no sean afectados por esta componente DVB-H.”


Elementos del sistema DVB-H

• Troceado en el tiempo (“Time slicing”) para el ahorro de potencia– Tiempo entre impulsos ahorra potencia (off time)

• MPE-FEC para mejorar las prestaciones• Modo 4k se seleccionó para proporcionar mobilidad en medios SFN• Bits TPS extendidos para señalización más eficiente

MPE = Multiprotocoll encapsulationFEC= Forward Error CorrectionSFN= Single Frequency Network

Time

Ban

dwid

th

TS bitrate

Timesliced:

•Service 1

•Service 2

•Service 3

1 1 1 1 2222 333

4

Not timesliced:

•Service 4


IP Datacast (IPDC)

• “IP datacasting es un servicio donde los formatos de los contenidos digitales, aplicaciones software y servicios multimedia se combinan a través del IP (“Internet protocol”) con radiodifusión digital <http://www.ipdc-forum.com/about/>

– Todos los contenidos se entregan en paquetes IP– Convergencia de las capas de conectividad

• DVB-H combinado con el IP datacasting permite la distribución de muchos contenidos digitales– Radiodifusión de TV, música, juegos, etc.


Coexistencia DVB-T y DVB-H

DVB-H CODEC

Time Slicing MPE FECDVB-TETS 300 7448k, 2k, 4k, TPS

DVB-T RF in IP-out


Plan de Negocio IPDC sobre DVB-H

• Nuevas formas de entretenimiento multimedia para los consumidores

• Nuevo mercado de oportunidades para las industrias de telecomunicación y de radiodifusión

• Gran ancho de banda y alta velocidad de transmisión pero independiente del número de receptores muy atractivo desde el punto de vista del plan de negocio

IPDC = IP Datacast


Flexibilidad en el Diseño de Red y Señalización

• Diferentes operadores de red de datacast y operador de red celular.• Infraestructura de radiodifusión digital• Necesita más emplazamientos que para una red normal de

radidifusión, pero menos que la red de telefonía celular. Se reutilizanemplazamientos actuales.

• La red celular se utiliza para el pago y los datos administrativos• La red celular y la red de radiodifusión pueden compartir el mismo

nucleo de red

UTMS

Base station

DVB-Htransmitter

Core

Mux

Mobile Operator

Broadcast operator

ISP

DVB-TBroadcasters

IP Backbone

DVB-HBroadcasters


Ventajas del DVB-H

• Distribución de contenidos a grandes audiencias de costo eficiente• Rapidez de introducción en el mercado• Baja complejidad• No afectado duramente por los efectos de uso de pico (durante eventos

especiales etc.)• Posibilidad de flujo de transporte (TS) compartido entre DVB-T y DVB-

H• Basado en DVB-T con mínimos cambios• Cumple la mayoría de los requisitos comerciales• Permite un handover suave• No efectos adversos sobre DVB-T• El IP permite el encriptado.


Limitaciones de DVB-H

• Sólo son posibles servicios basados en IP• El ahorro en la reducción de potencia sólo es posible

cuando la tasa binaria total para los servicios DVB-H es muy baja (no son posibles grandes “bursts”)


Terminal Móvil

• FE = Front End, contiene el receptor radio y el demultiplexor

FE

WLAN

CellularLink

CPU

Mediadecoder Display


Consumo de potencia y “handover”

• El Encapsulado IP permite enviar datos en impulsos (“bursts”) a la estación móvil y para el ahorrro de energía (potencia de las batterías)

• Consumo de Potencia y handover– Buffer de 2 Mbit– Posible handover durante la desconexión (“off time”)

(los servicios se puedem usar incluso si el terminal se mueve durante el tiempo de desconexión)


Prestaciones C/N

• El decodificador RS utiliza el buffer del “Time Slice”• Entrelazado temporal virtual• Tolerancia del 10% TS PER• Mejora del Doppler C/N para recepción movil y portable• Mejora frente a tolerancia a los interferencias impulsivas• Posibilidad de variación del nivel de robustez


Medidas de DibCom


Prestaciones


Nokia 7700 integrando DVB-H

“The Nokia 7700 will support the Nokia Streamer SU-6 accessory, the first mobile IP Datacast receiver designed to demonstrate the mobile phone television experience using the DVB-H network. The Nokia Streamer can be attached to the Nokia 7700 like a battery pack, and will be used in pilot projects to showcase the future of digital broadcasting on mobile devices.” <http://press.nokia.com/PR/200310/922406_5.html>


Referencias

• DVB-H – digital TV for handhelds? Jukka Henriksson, Nokia• Content Distribution Using Wireless Broadcast and Multicast Communication

Networks. Janne Aaltonen, Thesis for Degree of Doctor, Tampere University of Technology

• IP Datacasting Technology - Bringing TV to the Mobile Phone, White Paper <http://www.nokia.com/BaseProject/Sites/NOKIA_MAIN_18022/CDA/Categories/AboutNokia/Press/WhitePapers/_Content/_Static_Files/ipdatacastingtechnology.pdf>

• DVB <http://www.dvb.org/index.php?id=20>• Cable & Satellite International <http://www.cable-

satellite.com/main_news.htm>• Sonera medialab <http://www.medialab.sonera.fi/projects/ipdcmhp/ >• EE-Times Junko Yoshida,

<http://www.eetimes.com/sys/news/OEG20030310S0049>• Performance analysis and low power VLSI implementation of DVB-T

receiver <http://www.signal.uu.se/Courses/Semabstracts/ofdm2.pdf>• DVB-T: New Operative Modes For Digital Terrestrial TV, Gerard Faria,

<http://www.broadcastpapers.com/tvtran/HarrisDVBTNewOpModes.doc>

152


El estándar japonés ARIB STD-B31

Ramón Martínez, Leandro de Haro, Jesús García, Miguel Calvo

email: {ramon, leandro, [email protected]}[email protected]




Contenidos

• Introducción– Visón global de la televisión digital terrestre– Requisitos de un estándar

• El estándar japonés ISDB-T– Estandarización en Japón. Notación– Posibles aplicaciones– Transmisión jerárquica y recepción parcial– Codificación de canal– Esquemas de entrelazado– Distribución de los pilotos


Requisitos de la TV digital

Aspectos a tener en cuenta en la definición del estándar:1. Capacidad de ofrecer una gran variedad de servicios, incluyendo

HDTV, multi-channel TV y servicios de datos– HDTV requiere 19 Mbit/s– Flexibilidad para tener receptores dedicados e integrados

2. Calidad de transmisión suficiente para receptores fijos y nómadas– BER~10-10 (30 minutos sin errores)– Esquemas FEC complejos (sobre todo, para receptores móviles)– Robustez frente a desvanecimientos

3. Uso eficiente del espectro de frecuencias– Coexistencia con TV analógica (NTSC, PAL, SECAM)– Reducción de potencia transmitida– Posibilidad de implementar redes de frecuencia única (SFN)


Un sistema de TDT (DTTB) genérico


Sistemas de radiodifusión de TV digital terrestre

• Europa: – Sistema DVB-T, 8 MHz, C-OFDM (Coded-OFDM)

• Japón: – Sistema ISDB-T, 6 MHz, BST-OFDM (Bandwidth

segmented transmission)• EEUU:

– ATSC-T, 6 MHz, modulación Trellis de 8 niveles en banda lateral vestigial (8-VSB)

• En todos los casos, bandas de VHF y UHF


Estructura de la estandarización en Japón

• ARIB: Association of Radio Industries and Businesses

ARIB STD-B38Home serverARIB STD-B25Access controlARIB STD-B10Service Info.ARIB STD-B24Data codingARIB STD-B32Source codingARIB STD-B21Receivers

ARIB STD-B31ARIB STD-B20System

ISDB-T (Terrestrial)

(ITU-R Rec. BT.1306)

ISDB-S (BS)(ITU-R Rec. BO.1408)


¿Qué partes del sistema estandariza el ARIB STD-B31?

• Codificación de canal (channel coding):– Multiplexado– Codificación externa– Codificación interna y puncturing– Entrelazado– Modulación– Estructura de la trama– Pilotos– Sincronización

• Utilización del espectro– Ancho de banda– Máscaras de potencia– Emisión de señales espurias


ISDB-T

• Varios TS de MPEG-2 se multiplexan para formar un único TS→ Codificación de canal → IFFT → Señal OFDM

• Difusión ISDB-T → 13 bloques OFDM (segments), 1/14 del espectro– Codificación de canal: se aplica a cada segmento OFDM– Esta flexibilidad emplear el mismo receptor (fijos ó móviles) para

demodular la subbanda de señal deseada


Transmisión jerárquica y recepción parcial

• Transmisión jerárquica: división en segmentos OFDM de la señal de TV– Hasta 3 niveles jerárquicos (A, B y C), con uno o más segmentos

OFDM– Cada nivel, tiene diferentes parámetros: esquema de modulación,

tasa de codificación, etc.– TMCC: lleva información de control para el receptor

• Recepción parcial: un mismo receptor puede procesar diferentes segmentos OFDM

• Modos: diferentes espaciados entre portadoras (~ 4, 2, 1 KHz) para facilitar la coexistencia con redes de frecuencia única (SFN) y la robustez frente al Doppler durante la recepción móvil


Transmisión jerárquica y recepción parcial

Por ejemplo, un receptor de sonido digital podría procesar un único segmento de los 13


Ejemplos de transmisión con ISDB-T

HDTVSonido

Espectro

5.6 MHz

SDTV(receptor fijo)

Sonido

Espectro

5.6 MHz

SDTV(receptor móvil) Datos

Sonido

430 KHz

Sonido

1.29 MHz

Sistema DTTB Sistema DTSB

Receptor ISDB-T de banda ancha

Receptor ISDB-T de banda estrecha


Parámetros de los segmentos OFDM• SP (Scattered Pilot) y CP (Continual Pilot): demodulación y sincronización• TMCC (Transmission and Multiplexing Configuration Control): información

de control• AC (Auxiliary Channels): información adicional

DQPSKQPSK

16QAM64QAM

DQPSKQPSK

16QAM64QAM

DQPSKQPSK

16QAM64QAM

Modulación

1909040AC2884422AC1

20410251TMCC101010CP03601809SP

3843841921929696Datos432432216216108108TotalN

úmero de portadoras

125/126=0.99206 KHz125/63=1.9841 KHz250/63=3.968 KHzSeparación entre

portadoras

3000/7=428.57 KHzAncho de bandaModo 3Modo 2Modo 1Modos


Parámetros de los segmentos OFDM

• (Continuación)

RS (204,188)Código externoCódigo convolucional (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)Código interno

512/63=8.12698 MHzFrecuencia de muestreo de la IFFT

257.04 ms (1/4)231.336 ms (1/8)

218.484 ms (1/16)212.058 ms (1/32)

128.52 ms (1/4)115.668 ms (1/8)

109.242 ms (1/16)106.029 ms (1/32)

64.26 ms (1/4)57.834 ms (1/8)

54.621 ms (1/16)53.0145 ms (1/32)

Longitud de la trama

252 µs (1/4)126 µs (1/8)63 µs (1/16)

31.5 µs (1/32)

126 µs (1/4)63 µs (1/8)

31.5 µs (1/16)15.75 µs (1/32)

63 µs (1/4)31.5 µs (1/8)

15.75 µs (1/16)7.875 µs (1/32)

Intervalo de guarda

1008 µs504 µs252 µsLongitud efectiva de símbolo

204Símbolos por tramaModo 3Modo 2Modo 1Modos

(252 µs + 63 µs) × 204 = 64260 µs = 64.260 ms


Parámetros de transmisión de la señal

ndNúmero de segmentos con modulación diferencial

ns (ns+nd=Ns)Número de segmentos con modulación síncrona

3000/7 × Ns + 125/63 (KHz) = 5.573 MHz

3000/7×Ns +125/126 (KHz) = 5.572 MHz

13Número de segmentos OFDM Ns

QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSKModulación19 × nd9 × nd4 × ndAC2

8 × Ns =1044 × Ns =522 × Ns =26AC14 × ns + 20 × nd2 × ns + 10 × ndns + 5 × ndTMCC

nd + 1nd + 1nd + 1CP36 × Ns 18 × Ns 9 × Ns SP384 × Ns 192 × Ns 96 × Ns Datos

432 × Ns +1=5617 216 × Ns +1=2809108 × Ns +1=1405TotalNúm

ero de portadoras

125/126=0.99206 KHz125/63=1.9841 KHz250/63=3.968 KHzSeparación entre portadoras

3000/7 × Ns + 250/63 (KHz) = 5.575 MHzAncho de banda

Modo 3Modo 2Modo 1Modos


Parámetros de transmisión de la señal

• (Continuación)

RS (204,188)Código externoCódigo convolucional (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)Código interno

512/63=8.12698 MHzFrecuencia de muestreo de la IFFT

257.04 ms (1/4)231.336 ms (1/8)

218.484 ms (1/16)212.058 ms (1/32)

128.52 ms (1/4)115.668 ms (1/8)

109.242 ms (1/16)106.029 ms (1/32)

64.26 ms (1/4)57.834 ms (1/8)

54.621 ms (1/16)53.0145 ms (1/32)

Longitud de la trama

252 µs (1/4)126 µs (1/8)63 µs (1/16)

31.5 µs (1/32)

126 µs (1/4)63 µs (1/8)

31.5 µs (1/16)15.75 µs (1/32)

63 µs (1/4)31.5 µs (1/8)

15.75 µs (1/16)7.875 µs (1/32)

Intervalo de guarda

1008 µs504 µs252 µsLongitud efectiva de símbolo

204Símbolos por tramaModo 3Modo 2Modo 1Modos


Tasas binarias de un segmento OFDM

Intervalo de guarda

1787.281734.711638.341474.5063/126/2527/81702.171652.111560.321404.2960/120/2405/61531.951486.901404.291263.8654/108/2163/41361.741321.681248.261123.4348/96/1922/31021.30991.26936.19842.5736/72/1441/2

64QAM

1191.521156.471092.22983.0042/84/1687/81134.781101.401040.21936.1940/80/1605/61021.30991.26936.19842.5736/72/1443/4907.82881.12832.17748.9532/64/1282/3680.87660.84624.13561.7124/48/961/2

16QAM

595.79578.23546.11491.5021/42/847/8567.39550.70520.10468.0920/40/805/6510.65495.63468.09421.2818/36/723/4453.91440.56416.08374.4716/32/642/3340.43330.42312.06280.8512/24/481/2

DQPSKQPSK

1/321/161/81/4

Tasa binaria (kbit/s)Número de TSPstransmitidos

(modos 1/2/3)Código

convolucionalModulación

de la portadora


Tasa binaria total

Intervalo de guarda

23.23422.55121.29819.168819/1638/32767/822.12821.44720.28418.255780/1560/31205/619.91519.32918.25516.430702/1404/28083/417.70217.18116.22714.604624/1248/24962/313.27612.88612.17010.953468/936/18721/2

64QAM

15.48915.03414.19812.779546/1092/21847/814.75214.31813.52212.170520/1040/20805/613.27612.88612.17010.953468/936/18723/411.80111.45410.8189.736416/832/16642/38.8518.5908.1137.302312/624/12481/2

16QAM

7.7447.5177.0996.389273/546/10927/87.3767.1596.7616.085260/520/10405/66.6386.4436.0855.476234/468/9363/45.9005.7275.4094.868208/216/8322/34.4254.2954.0563.651156/312/6241/2

DQPSKQPSK

1/321/161/81/4

Tasa binaria (Mbit/s)Número de TSPstransmitidos

(modos 1/2/3)Código

convolucionalModulación

de la portadora


Bloques de la codificación de canal


(Re-) Multiplexación de tramas• Una trama TS se forma multiplexando varias unidades, cada una de la

cuáles está formada por n TSPs (transport stream packets)

• Cada TSP → 204 bytes: 188 de datos, 16 de redundancia• En la transmisión, se multiplexan las tramas de los distintos niveles

jerárquicos (segmentos OFDM), salvo los paquetes nulos

1/321/161/81/4

4224435246085120Modo 32112217623042560Modo 2105610881152128Modo 1

Intervalo de guardaModo

Número de TSPs de transmisión en una trama múltiplex (n)


Modelo de receptor con multiplexación• La longitud de la trama múltiplex es igual a la longitud de la trama

OFDM → El receptor emplea la señal de sincronismo de OFDM• El receptor debe ser capaz de reproducir fielmente las capas de jerarquía

empleadas en las TSs (extrayendo la info de los TSPs recibidos)


Ordenación de niveles jerárquicos• Antes de demodular las portadoras, hay que ordenar la información en

niveles jerárquicos – Segmentos (orden creciente)– Portadoras (orden creciente)– Portadoras nulas (sin información), correspondiente al muestreo de

los pilotos, señal en intervalo de guarda, FFT sampling rate


Entrada de datos al decodificador de Viterbi

• Después del de-puncturing, se almacenan los datos en un buffer• El número de bits almacenados de la capa X (A,B,C) es:

• Un conmutador S1 se encarga de extraer bloques de 408 bytes (si tenemos un código convolucional de tasa 1/2)– Conmuta cada vez que se vacía el buffer de un determinado nivel

jerárquico

[ ] ( )[ ]( )xxxxk,x RSkRSkB ××−−×××= 12

Depende de la modulaciónTasa del convolucional

SxEsquema de modulación

664QAM416QAM2DQPSK/QPSK


Codificación externa (Outer code)• Se trata de un Reed-Solomon recortado (204,188)

– Código de bloques, elementos de GF(28): p(x)=x8+x4+x3+x2+1– Polinomio generador g(x):

– Se obtiene añadiendo 51 nulos a un vector de 188 bytes de datos, y empleando un codificador (255,239)

• Después de eliminan– Puede corregir hasta 8 errores en los 204 bytes

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Hex,xxxxxg 0215210 =−⋅⋅⋅−⋅−⋅−= λλλλλ


División de TS en niveles jerárquicos


Dispersión de energía

• Una secuencia continuada de 1s ó 0s introduciría una componente DC en la señal transmitida

• Para evitarlo, se mezcla la señal transmitida con una secuencia pseudo-aleatoria (PRBS)

• Valor inicial: “100101010000000” (debe inicializarse cada trama OFDM)


Ajuste de los retardos

252×N-11126×N-1163×N-117/8240×N-11120×N-1160×N-115/6216×N-11108×N-1154×N-113/4192×N-1196×N-1148×N-112/3144×N-1172×N-1136×N-111/2

64QAM


16QAM


DQPSKQPSK

Modo 3Modo 2Modo 1

Ajuste del retardo (en TSPs)Código convolucional

Modulación de la

portadora• Objetivo: obtener el mismo retardo en Tx y Rx para todas las capas jerárquicas

• Compensar el retardo introducido después por el entrelazador de bytes

• El retardo depende de los parámetros de la capa jerárquica


Entrelazado de bytes (Byte interleaving)• Para ráfagas de errores consecutivos (que afecten a varios bits), se

entrelazan los bytes que forman las palabras código RS• Aumenta la eficiencia el código RS• Profundidad del entrelazado: > 12 bytes• Conmutación cíclica y registros de tipo FIFO

17 × 11


Codificación interna (inner coding) y puncturing

• Codificación interna (Inner code): – Código convolucional de tasa ½ y contraint length de k=7– A diferencia del código RS,

• Opera a nivel de bit• Tiene memoria (k-1 bits anteriores)


Esquema de puncturing

• La tasa de codificación se modifica empleando un esquema de puncturing– Algunos bits no se transmiten (según la tabla siguiente)– Debe resetearse periódicamente (después del sincronismo de

trama)

X1, Y1, Y2, Y3, Y4, X5, Y6, Y7X: 1 0 0 0 1 0 1Y: 1 1 1 1 0 1 07/8

X1, Y1, Y2, X3, Y4, X5X: 1 0 1 0 1Y: 1 1 0 1 05/6

X1, Y1, Y2, X3X: 1 0 1Y: 1 1 03/4

X1, Y1, Y2X: 1 0Y: 1 12/3

X1, Y1X: 1Y: 11/2

Secuencia transmitidaPatrón de puncturingTasa de codificación


Entrelazado de bits y modulación de portadoras

• Entrelazado de bits: robustez frente a las ráfagas de errores• Mapeo de bits a los símbolos de la modulación (mapping):

– DQPSK– QPSK– 16QAM– 64QAM

• Factores de normalización de potencia

• Hasta aquí, todo se ha hecho por separado para cada nivel jerárquico


Configuración de los segmentos de datos

• Agrupar conjuntos de símbolos OFDM:– 96, 192 y 384 para los modos 1, 2 y 3, respectivamente– Si,j,k: i = portadora, j = símbolo– Para el modo 1:


Combinación de niveles jerárquicos

• Combinación de segmentos de los diferentes niveles jerárquicos• Se requiere una buffer (memoria RAM) para almacenar los distintos segmentos

Ns1+Ns2+Ns3=13


Entrelazado temporal (Time interleaving)

• Objetivo: modificar la posición de símbolos consecutivos variando su posición en el tiempo– Útil para combatir los errores que ocurren en ráfagas– Diferente profundidad según la capa jerárquica (flexibilidad)– Unidades básicas de entrelazado: símbolos modulados– Separación máxima: 500 mseg– Deben introducirse retardos de ajuste



• Algunos resultados:Nivel de campo para

recepción correcta: 50 dBµV/m



• Esquema propuesto en el estándar:– Reducir el retardo introducido– Reducir la memoria que requiere el receptor– Flexibilidad para seleccionar la profundidad más adecuada en cada

capa jerárquica o servicio


Entrelazado de frecuencias (Frequencyinterleaving)

• Objetivo: mejorar la robustez del sistema frente a desvanecimientos selectivos en frecuencia (multitrayecto)

• El entrelazado de frecuencias se hace en dos niveles:– Entre diferentes segmentos– Dentro del mismo segmento OFDM:

– Rotación de portadoras– Aleatorización de portadoras

• El segmento de recepción parcial sólo emplea entrelazado de frecuencias dentro del propio segmento (hay receptores capaces de recibir sólo este segmento)


Entrelazado de frecuencias entre segmentos

• Por separado para cada tipo de modulación (diferencial y síncrona)– n es el número de segmentos asignado a cada modulación– Después del entrelazado, el segmento 0 está formado por los

primeros símbolos de los sucesivos segmentos;– el segmento 1, está formado por los segundos símbolos de los

sucesivos segmentos;– etc.


Entrelazado de frecuencias dentro del mismo segmento

• Objetivo: mejorar la robustez frente a desvanecimientos selectivos de frecuencia (que pueden tener un periodo igual al del entrelazado entre frecuencias)

• Rotación de portadoras (carrier rotation)– Desplazamiento cíclico de las portadoras en la dirección de las

portadoras inferiores– k: parámetro que indica la longitud del desplazamiento

Modo 1

Modo 2


Entrelazado de frecuencias dentro del mismo segmento

• Aleatorización de portadoras (carrier randomizing)– Sirve para mejorar la robustez de la modulación frente a errores en

ráfagas que afectan a frecuencias adyacentes– Los símbolos modulados se desplazan siguiendo un patrón

aleatorio

Modo 1


Estructura de la trama

• Objetivo: asignar posiciones a los pilotos (SP, CP) y a la información de control (TMCC, AC)

• Diferente para:– Modulación diferencial (DQPSK)– Modulación síncrona (QPSK, 16QAM, 64QAM)

• Se aplica sobre los símbolos después del entrelazado temporal y en frecuencia


Estructura de la trama: DQPSK, modo 1


Estructura de la trama: DQPSK, modo 1

Segmento

Número de portadora

En los modos 2 y 3 las tablas tienen más entradas al haber más portadoras.


Estructura de la trama: modulaciones síncronas, modo 1

Se inserta cada 12 portadoras (→)y 4 símbolos OFDM (↓)


Estructura de la trama: modulaciones síncronas, modo 1

Segmento

Número de portadora

El canal AC2 sólo aplica a las modulaciones diferencialesEn los modos 2 y 3 las tablas tienen más entradas al haber más portadoras.


Distribución de pilotos

• Pilotos dispersos (SP, scattered pilot) y continuos (CP)– Señales BPSK cuyo con un símbolo (Wi) que se determina usando

un circuito PRBS– Valores de inicialización diferentes para cada segmento


Distribución de pilotos

• TMCC (Transmission and Multiplexing Configuration Control)– Modulación DBPSK

• AC (Auxiliary channel)– Modulación DBPSK– Si no hay información adicional a transmitir, se envía bits de relleno– AC1: en la misma portadora para todos los segmentos– AC2: sólo para modulaciones diferenciales– La capacidad depende de la configuración del segmento

Modo 1, 1/8 de guarda


Configuración del espectro en transmisión• Segmentos con modulaciones diferencial y síncrona alternados a

ambos lados del segmento 0• Recepción parcial: siempre segmento número 0, centrado en la banda

de transmisión

Existe una portadora BPSK continua para estructurar el espectro (sirve de referencia para demodulación síncrona)


Formato de la señal en RF

Índices:k: portadoran: símbolo

c(n,k): símbolo n-ésimo (constelación) de la portadora k

Parámetros de la modulación:K: número total de portadoras(modo 1: 1405; modo 2: 2809; modo 3: 5617)Ts: duración de un símbolo OFDMTg: duración de intervalo de guardaTu: tiempo útil de un símbolo OFDM

Parámetros de la señal en RF:fc: portadora de RF (centro de la banda)Kc: número de portadoras en RF(modo 1: 702; modo 2: 1404; modo 3: 2808)


Introducción del intervalo de guarda

• Se hace yuxtaponiendo el final de la IFFT (según la duración indicada) realizada sobre los datos, al comienzo del símbolo OFDM


Máscara de potencia

• Evitar interferencia en canales adyacentes• Se aplica en la parte digital

LW04: Transmisión de TV Digital para receptores LW04.pdf · • Banda de Guarda. –La...

Documents

Transcript of LW04: Transmisión de TV Digital para receptores LW04.pdf · • Banda de Guarda. –La...