merenje kvaliteta dvb-t signala u stacionarnom i mobilnom ... - Infoteh

INFOTEH-JAHORINA Vol. 9, Ref. B-III-10, p. 289-293, March 2010.MERENJE KVALITETA DVB-T SIGNALAU STACIONARNOM I MOBILNOM PRIJEMNOM REŽIMUMEASURING OF DVB-T SIGNAL REQUIREMENTSIN STATIONARY AND MOBILE RECEPTION MODEVesna Milutinović, Republička Agencija za telekomunikacijeBratislav Milovanović, Elektronski fakultet u NišuDušan Jokanović, Republička Agencija za telekomunikacijeSadržaj - U radu će biti predstavljen značaj ocene kvaliteta DVB-T signala u procesutranzicije sa analognog na digitalno emitovanje TV signala. Prikazan je osnovni koncept ina primeru digitalnog signala RTS-a, dati su rezultati merenja najvažnijih parametara uprocesu monitoringa digitalnog radiodifuznog signala u stacionarnom i mobilnomprijemnom režimu.Abstract - In this paper, the importance of quality evaluation of DVB-T signal in processof transition from analogue to digital TV broadcasting is presented. The basic concept andthe example of digital RTS signal, measurement results of most important parameters inprocess of digital broadcasting signal monitoring in stationary and mobile reception modeare shown.1. UVODDigitalna televizija, pored TV programa, obezbeđuje iupotrebu pratećih servisa na TV prijemnicima (fiksni prijem)sa spoljašnjom individualnom ili zajedničkom antenom,portabl prijemnicima (zatvoreni i otvoreni prostor) imobilnim prijemnicima. DVB-T (Digital Video Broadcasting– Terrestrial) predstavlja standard za prenos zemaljskogdigitalnog video signala (ETSI EN 300 744). DVB-T sistempredviđa različite modove rada, kao što su stacionarni,portabl i mobilni prijem u zavisnosti od primenjenemodulacije i kodnog količnika [1].Kako zauzetost frekvencijskog spektra zavisi od bitskogprotoka, potrebno ga je smanjiti, pa se vrši redukcija,odnosno kompresija signala korišćenjem više metoda. Najšireprimenjivan standard za kompresiju u digitalnoj televiziji jeMPEG-2 nakon koga se pojavio MPEG-4 (verzija 10),odnosno H.264/AVC koji je usvojen u Republici Srbiji kaokompresioni standard. Dodato je nekoliko poboljšanja koja seogledaju u novim načinima kodiranja i smanjivanju bitskogprotoka bez degradacije kvaliteta slike. Nakon kompresijesignala sledi multipleksiranje koje se ogleda u formiranjupaketa odgovarajuće dužine koji formiraju transportni niz.Da bi se omogućila mogućnost korekcije greške u TVprijemniku vrši se kanalno kodiranje (Channel Coding) kojese sastoji u namernom uvođenju redundantnosti (višakpodataka) u koristan signal. Kodni količnik predstavlja odnoskoličine informacija sa redundantnim i korisnim podacima.Mapiranje je postupak kojim se određuju položaji svihmodulisanih nosilaca podataka jednog OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplex) rama u I-Q konstelacionojravni. Konstelaciona tačka je kompleksni modulacioni broj.Generalno, modulacione šeme m-PSK (Phase Shift Keying) im-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) mogu bitiuniforme gde je razmak između tačaka u konstelacionoj (I-Q)ravni uvek isti ili neuniformne, gde se razlikuje. Nakonmodulacione tehnike sa više nosilaca (OFDM), inverzneFurijeove transformacije (IFFT), paralelno serijskekonverzije i ubacivanja zaštitnog intervala, vrši se D/Akonverzija i dobijaju se spektralno multipleksiranikontinualni signali.Na prijemnom delu zaštitni interval se uklanja prerazdvajanja nosilaca tako da se sva intersimbolskaintererencija (ISI) od prethodnog simbola nalazi unutarzaštitnog intervala, tako da na izlazu nemamo uticaj ISI.Tokom trajanja ovog intervala prijemnik je neaktivan kako bise eliminisao prijem reflektovanih signala. Konstelacionimdijagramom se definiše položaj konstelacionih tačaka u I-Qravni. Svaka tačka u konstelacionom dijagramu možeodstupati za određeni iznos od idealnog položaja tako da semerenjem modulacione greške (MER - Modulation ErrorRatio) na prijemu vrši analiza kvaliteta DVB-T signala. ZaMER koji je manji od 24 dB bitska greška (BER - Bit ErrorRate) naglo raste pri čemu dolazi do drastičnog povećanjabroja grešaka u prijemu.Strategijom za prelazak sa analognog na digitalnoemitovanje radio i TV programa koju je usvojila VladaRepublike Srbije predviđeno je da se 04. 04. 2012. obustaviemitovanje analognog TV programa (Analogue Switch-Off).Nova verzija DVB-T standarda - DVB-T2, koja je prihvaćenau Srbiji kao standard za emitovanje, uvodi nove šememodulacije signala i odgovarajuće modove rada. U Srbiji jejavni servis RTS, preko svoja dva DVB-T predajnika kojipokrivaju područje Beograda i Novog Sada (Avala - 27. UHFkanal i Iriški venac - 31. UHF kanal), počeo saeksperimentalnim emitovanjem digitalnog TV signala 26.novembra 2008. godine. Vršena su i druga eksperimentalnaemitovanja na naučno stručnim konferencijama, kao što su289

TELSIKS 2009 [2] gde je realizovan testni DVB-Tmultipleks i TELFOR 2009 [3] na kome je izvršenademonstracija DVB-T2 signala. Takođe, obavljena sumerenja kvaliteta DVB-T signala u stacionarnom prijemnomrežimu usmerenom prijemnom antenom [4].2. MERENJE KVALITETA DVB-T SIGNALA USTACIONARNOM REŽIMUZnačaj ocene kvaliteta se ogleda u merenjima određenihparametara signala čime se utvrđuje da li su određeneperformanse sistema zadovoljene, kao i u merenjupokrivenosti određene oblasti signalom za fiksni ili mobilniprijem DVB-T servisa [5,6]. U skladu sa preporukom ITU-a(Recommendation ITU-R SM.1682) najvažniji parametri kojise mere prilikom vršenja monitoringa digitalnih radiodifuznihsignala su: frekvencija i širina opsega, snaga i jačina polja,određivanje identifikacije predajnika i tipa servisa, kvalitetslike i zvuka, kvalitet predajnog signala, pokrivenost,karakteristike RF kanala i drugi tehnički parametri [6,7].Merenje digitalnog radiodifuznog signala na 27. UHFkanalu (f = 522MHz) koji se emituje sa Avale izvršeno je nalokaciji Avala u stacionarnom režimu mernim uređajem R&SETL i antenom R&S HE 500 postavljenom na krovu vozilakoja je pogodna za omnidirekcioni prijem i vertikalnupolarizaciju [8].Merenja na analizatoru spektra R&S ETL su podešena zajednofrekvencijska merenja DVB-T signala. Merenja seodnose na: spektralna merenja, opšti pregled, merenjakonstelacionog dijagrama (analiza modulacije), merenjasimbola odziva (analiza kanala), merenja amplitude, faze igrupnog kašnjenja (analiza kanala) za stacionarni prijem, dokje prilikom vršenja merenja u pokretu, odnosno u mobilnomprijemu DVB-T signala, meren samo parametar koji seodnosi na nivo jačine polja i to korišćenjem neusmereneantene. To je parametar koji će ostati isti i u uslovimastacionarnog i mobilnog prijema.Svi primeri merenja su izvedeni u TV Analyzer/Receivermodu, dok je R&S ETL podešen za većinu merenja premaAuto/TPS detekciji i to prema sledećim parametrima:Centralna frekvencija = 522 MHz, Standard za prenos =DVB-T/H, Širina kanala = 8 MHz, FFT mod = 8K.Merenje spektra daje pregled aktivnog mernog kanala.Ulazni signal i vrednosti slabljenja ivica za više i niže krajeveopsega prikazani su na slici 1. DVB-T predajnici sadrželinearne pojačavače i korekcioni nivo u modulatoru.Međutim, neke nelinearnosti ostaju i uzrokujuintermodulacione produkte koji predstavljaju „beli šum“ ukanalu i duž krajeva signala koji se nazivaju ivice DVB-Tsignala.Na slici 1 se može videti da se radi o Rejlijevom kanalu,odnosno da od predajnika do prijemnika stižu samoreflektovani signali zato što je frekvencijska karakteristikaprilično neravna. U idealnom slučaju, do prijemne antenestiže samo jedan signal, tako da se svi nosioci moguposmatrati kao beli Gausov šum (AWGN). Kanal koji sadržisamo direktni signal od predajnika bez refleksija i kokanalnihemisija se naziva Gausov kanal. Kao rezultat OFDMspektar je pravougaonog oblika, dok je standardna devijacijaspektralnih amplituda i opsegu kanala σsp između 0 i 1 dB.Opšta merenja služe da se odredi tačnost modulacije iproračun BER-a DVB-T signala. BER predstavlja odnosbroja pogrešno prenetih bita sa ukupnim brojem bitaprenesenih u datom vremenu čime se određuje mera kvalitetaprimljenog digitalnog signala. Rezultati merenja opštihprametara koji se porede sa ograničenjima prikazani su uTabeli 1. Vrednost nivoa (Level) pokazuje prosečnu snagudigitalno modulisanog signala na ulazu prijemnika. MER(modulation error ratio) i EVM (error vector magnitude) semogu iskoristiti za kvantitativnu analizu konstelacionihtačaka u konstelacionom dijagramu u smislu njihovedevijacije od teorijske lokacije. Što su veće ove dve vrednostibolji je kvalitet signala. Može se videti da većina parametaranije zadovoljavajuća.R&S ETL Digital SpectrumCh: --- RF 522.000000 MHz DVB-T/H 8 MHz* RBW 10 kHz* Att 10 dBVBW 30 kHzSigLvl 87.0 dBµV SWT 100ms1PkAvg80 dBµV70 dBµV60 dBµV50 dBµV40 dBµV30 dBµV20 dBµV10 dBµV0 dBµV-10 dBµVStart 517.0 MHzStop 527.0 MHzPSShoulder Attenuation Result UnitLower28.7 dBUpper20.1 dBDate: 2.DEC.2009 12:33:51* Att 10 dBSigLvl 87.0 dBµVSlika 1: DVB-T spektralna merenjaR&S ETL Digital OverviewCh: --- RF 522.000000 MHz DVB-T/H 8 MHzFail Limit < Results < Limit UnitLevel 47.0 56.9 117.0 dBµVConstellation64 QAM NH / normalMER (rms) 24.0 * 18.9 ----- dBMER (peak) 10.0 * 3.7 ----- dBEVM (rms) ----- * 7.47 4.40 %EVM (peak) ----- * 52.23 22.00 %BER before Viterbi * 3.7e-2(10/10) 1.0e-2BER before RS * 1.9e-3(10/10) 2.0e-4Packet Error Ratio * 0.1e-4(8/10) 1.0e-8Packet Errors * 1 1 /sCarrier Freq Offset -30000.0 -48.3 30000.0 HzBit Rate Offset -100.0 -0.3 100.0 ppmMPEG Ts Bitrate 22.117642 MBit/sPS64 QAM NH (64NH) FFT 8k (8k) GI 1/8 (1/8) 2/3,2/3 (2/3,2/3) Cell ID 0TPS Res. 0,0,0,0 INT N (N) MPE FEC Off/Off Time Sl. Off/Off LI 1FLvl 56.9dBµV | BER 1.9e-3 | MER 18.9dB DEMOD MPEGDate: 2.DEC.2009 12:35:36Tabela 1: Pregled opštih parametara DVB-T signala290

S obzirom da DVB-T omogućava unutrašnju i spoljašnjukorekciju greške: RS (Reed-Solomon) blok kodiranje ikonvoluciono kodiranje, na mestu prijemnika se nalazeViterbi i Reed-Solomon dekoder tako da se računa BER preViterbija, BER pre RS i paketi grešaka nakon RS. Bitskabrzina prenosnog signala određuje prenosne parametre DVB-T signala i direktno utiče na sledeće parametre: frekvencijskirazmak između posebnih nosilaca OFDM spektra, periodsimbola i apsolutnu dužinu zaštitnog intervala.Merenje konstelacionim dijagramom (analizamodulacije) prikazuje konstelacioni dijagram demodulisanogsignala. Pošto DVB-T standard definiše signal sa višenosilaca, prikazana je konstelacija izabranog opsega nosioca.Mogućnost pojave tačaka u kompleksnoj I/Q ravni jepredstavljena različitim bojama. Konstelacioni podaci sudostupni samo grafički (Slika 2), tako da se očitavanjempodataka daljinskom kontrolom dobija kopija displeja, a nelista I/Q uzoraka. Što su konstelacione tačke manje to je boljikvalitet signala.Pozicije disperzovanih i kontinualnih pilota (na levoj idesnoj strani), kao i signalizacioni (Transmission ParameterSignaling - TPS) piloti se mogu videti na I osi konstelacionogdijagrama. Disperzovani piloti koriste se za procenu ikorekciju karakteristika kanala tako da u konstelacionomdijagramu predstavljaju tačku provere koja se uvek ispravljana istu poziciju. Signalizacioni piloti daju prijemnikuinformacije o predajniku koje se odnose na mod rada, izborumodulacione šeme, vrsti rada, trajanju zaštitnog intervala,kodnom količniku.R&S ETL ConstellationCh: --- RF 522.000000 MHz DVB-T/H 8 MHzSigLvl 64.5 dBµV*Att 5 dBPSPALvl 56.6dBµV | BER 3.1e-3 | MER 17.9dB DEMOD MPEG Symb 5.0000e+001Date: 2.DEC.2009 12:41:40Slika 2: Merenja konstelacionim dijagramomGreške modulacije (analiza modulacije) je merenje kojeodređuje detaljniju tačnost modulacije i I/Q proračunenesimetrije DVB-T signala. Merni rezultati se porede sagraničnim i prikazani su u Tabeli 2. Može se videti da jepotiskivanje nosioca (odnos između nivoa signala korisneinformacije nosioca i zaostale komponente nosiocamodulatora) manje od granične vrednosti što će se ogledati unagibu modulacione greške na displeju u opsegu DVB-Tpodnosioca u centru opsega. RF potiskivanje nosiocapredstavlja meru nedostatka RF nosilaca u odnosu namodulisani izlazni signal. Zaostali nosilac vodi ka DCkomponenti u kompleksnom signalu utičući na centralnufrekvenciju DVB-T signala..R&S ETL Modulation ErrorsCh: --- RF 522.000000 MHz DVB-T/H 8 MHz* Att 5 dBSigLvl 64.5 dBµVFail Limit < Results < Limit UnitLevel 47.0 56.7 117.0 dBµVAmplitude Imbalance -2.00 -0.03 2.00 %Quadrature Error -2.00 0.05 2.00 degCarrier Suppression 10.0 * 3.6 dBCarrier Phase 127.3 degMER (rms) 24.0 * 18.3 ----- dBMER (peak) 10.0 * 3.7 ----- dBPSPAEVM (rms) ----- * 8.01 4.40 %EVM (peak) ----- * 52.23 22.00 %Lvl 56.6dBµV | BER 3.1e-3 | MER 18.3dB DEMOD MPEGDate: 2.DEC.2009 12:42:43Tabela 2: Merenja modulacione grešake DVB-T signalaMerenje reflektovanih signala (analiza kanala) prikazujeoblik refleksije predajnog kanala. Refleksije mogu bitiprouzrokovane npr. refleksijama na zgradama, dok se drugipredajnici u jednofrekvencijskoj (SFN) mreži mogu takođesmatrati refleksijama i biti prikazani u odnosu na vreme kadaje referentni signal primljen. Zaštitni interval je određendvema vertikalnim linijama „guard start“ i „guard stop“(Slika 3). Pozicioniranje FFT prozora za demodulaciju jetakvo da je zbir vrednosti snage svih detektovanih putanjareflektovanih signala na svojoj maksimalnoj vrednosti.Horizontalna linija (Echo Detection Threshold) automatskiodređuje prag snage i ne uzima u obzir putanje reflektovanihsignala ispod ovog praga pri pozicioniranju FFT prozora.Tabela ispod grafika prikazuje deset najjačih reflektovanihsignala prema nivou jačine ili deset prvih reflektovanihsignala prema vremenskom kašnjenju (ili razdaljini). Merenjanivoa eho signala su naročito od interesa ako se izvodemerenja pokrivenosti.Merenje ofseta frekvencije SFN-a (analiza kanala) jedeo merenja reflektovanih signala. U SFN mreži, različitipredajnici mogu biti provereni u smislu provere njihove tačnefrekvencije. Frekvencijski ofseti su postavljeni u odnosu napoziciju impulsnog signala na nuli na vremenskoj osi.Merenje amplitude, faze i grupnog kašnjenja (analizakanala) određuje amplitudu, fazu i grupno kašnjenje funkcijeprenosnog kanala u skladu sa odgovarajućim DVB-Tnosiocima. Ova merenja prikazuju linearna izobličenja kojaprouzrokuju kombajneri antene i filtri i mogu se kompenziratiekvilajzerom unutar predajnika.291

3. MERENJE KVALITETA DVB-T SIGNALA UMOBILNOM REŽIMUMerenje digitalnog radiodifuznog signala na 27. UHFkanalu koji se emituje sa Avale izvršeno je na lokacijiBeograda u mobilnom režimu mernim uređajem R&S ETL iantenom R&S HE 500 postavljenom na krovu vozila. Podacisu obrađeni korišćenjem softvera R&S Romes 3NG [8].U uslovima mobilnog prijema BER i MER zavise odbrzine kretanja vozila i reflektovanih signala. Ako poznajamofaktor antene (k) može se izračunati jačina polja (E)izmerenog ulaznog nivoa (U) na test prijemniku. Zafrekvenciju 522 MHz faktor antene HE 500 k iznosi 9 dB/m,tako da se jačina električnog polja izračunava premajednačini:E[dBμV/m] =U[dBμV] + k[dB/m] (1)Pitanje da li je jedna lokacija pokrivena signalom ili ne,zavisi ne samo od primljene snage signala, već i od činjeniceda li prijemnik može omogućiti prijem slike i zvuka bezgreške (error-free). BER od 2*10 -4 nakon Viterbi dekodera(unutrašnje kodiranje) je usvojena kao jedna referentnavrednost koja odgovara prijemu bez greške (QEF – quasierror-free) nakon spoljašnjeg Reed Solomon (RS) dekodera(204,188). Predajni kanal u polju je obično između Gausovogi Rejlijevog kanala, tako da zahtevani odnos C/N ilizahtevana snaga signala će biti različita na različitimprijemnim lokacijama da bi dostigli BER od 2*10 -4 . Snagašuma na ulazu prijemnika se izračunava uzimajući u obzirBolcmanovu konstantu, širinu kanala i temperaturu tako da jepribližna vrednost -98.1 dBm. Za zahtevane odnose RFsignala i šuma (C/N) prema tehničkom Aneksu kriterijuma zaplaniranje DVB-T ECCRep004 [9], dobija se da je za Riceovkanal C/N=17.1 dB, dok je za Rayleig-ev kanal C/N=19.3dB, pri 64QAM i kodnom količniku 2/3, tako da jeminimalna vrednost ulaznog napona 28 dBμV i 30 dBμV zaRice-ov i Rayleig-ev kanal, respektivno. Vrednost koja sedobija nije samo teorijska već i praktična vrednost akoprijemnik prima samo signal iz jednog pravca. U slučaju dasignali stižu sa raznih putanja potrebno je da je ulazni nivo za10 do 15 dB veći.Na slici 4 možemo videti prikaz kretanja vozila, odnosnorutu, kao i jačinu polja prikazanu različitim bojama tokommobilnog prijema signala, dok se u tabeli 3 mogu videtiosnovni parametri DVB-T signala.Minimalne srednje vrednosti jačine polja (dB(μV/m))različitih DVB-T sistemskih varijanti u slučaju fiksnogprijema (FX), portable outdoor prijema (PO), portable indoorprijema (PI) i mobilnog prijema (MO) za frekvenciju od 500MHz su date tabelarno u RRC 06 [6], dok se minimalnajačina električnog polja za frekvenciju koja se razlikuje od500 MHz izračunava prema formuli,Emed(f) = Emed(fr) + Corr (2)Za fiksni prijem je Corr = 20 log10(f/fr), dok je zamobilni prijem Corr = 30 log10(f/fr), gde je f željenafrekvencija od 522 MHz i fr referentna frekvencija (500MHz), tako da se za mobilni prijem, 64QAM i brzinukodiranja 2/3, dobija da je minimalna jačina električnog poljaprema jedničini (2):Emed(f) = 81,36 dBμV/m.Slika 4: Prikaz kretanja vozila sa naznačenim nivoima jačine polja (dBμV)292

Postoji velika razlika u polju, tako da se u tabeli 4 moguvideti vrednosti koje se kreću od 12 dBμV do 80 dBμVneuključujući faktor antene. Ako uključimo faktor antene od9dB/m prema jednačini (1) dobijaju se vrednosti od 21dBμV/m do 89 dBμV/m. Predajna antena je horizontalnopolarisana, dok je prijemna antena omnidirekciona ivertikalno polarisana tako da se dobijenim vrednostimadodaje i faktor gubitka usled neslaganja u polarizaciji čijapraktična vrednost iznosi oko 20 dB [10].Dobijene vrednosti za minimalne jačine električnog poljasu manje od teorijsko dobijene vrednosti za minimalnu jačinuelektričnog polja za zadatu frekvenciju, vrstu modulacije,kodni količnik i načina rada.Tabela 3: Statistički prikaz DVB-T signalagodini su potvrdili spremnost da u relativno kratkom rokubude realizovana digitalna zemaljska TV mreža u Srbiji. Utom cilju, u procesu tranzicije mora se posebna pažnjaposvetiti izbegavanju pojave interferencije DVB-T signala saanalognim servisima što će se postići dobrim planiranjem imerenjima pokrivenosti DVB-T signalom određenih oblasti uskladu sa zadatim preporukama i propisima.ZAHVALNICA: Zahvaljujemo se Dušku Kostiću, dipl.inž.,Milošu Josipoviću inž. i Sanji Gordić dipl.inž. iz RepubličkeAgencije za telekomunikacije na omogućavanju korišćenjapotrebnih instrumenata i programa za obradu podataka, kao ina davanju određenih sugestija u izradi rada.LITERATURA[1] ETSI EN 300 744 Digital Video Broadcasting (DVB);Framing structure, channel coding and modulation for digitalterrestrial television[2] http://www.telsiks.org.rs/TELSIKS2009-report.pdf[3] http://www.teamcast.fr/en/maj-e/c2a9i18844/teamcastnews/news/dvb-t2-live-demonstration-at-telfor-2009.htm[4] Bratislav Milovanović, Jugoslav Joković, VesnaMilutinović: Eksperimentalno emitovanje digitalnogprograma zemaljske televizije ( Zbornik radova PosTel 2009:str. 235-244 )[5] ETSI TR 101 290 Digital Video Broadcasting (DVB);Measurement guidelines for DVB-T systemsTabela 4: Tabelarni prikaz nivoa električnog polja DVB-Tsignala4. ZAKLJUČAKPosle više od godinu dana od kada je javni servis RTSpočeo sa probnim emitovanjem digitalnog TV signala, napolju digitalizacije urađeno je nekoliko stvari. Doneta jestrategija koja je definisala regulatorni okvir za digitalnutranziciju, gde je predviđena primena standarda drugegeneracije za izvorno kodovanje i digitalno emitovanje, štoomogućava čitav niz prednosti. RTS je započeo aktivnosti nauvođenju televizije visoke rezolucije (HDTV).Eksperimentalni sistemi na Telsiksu i Telforu u 2009.-oj[6] ITU - Final acts of the regional radiocommunicationconference for planning of the digital terrestrial broadcastingservice in parts of regions 1 and 3, in the frequency bands174-230 mhz and 470-862 mhz (RRC-06)[7] Recommendation ITU-R SM.1682 Methods formeasurements on digital broadcasting signals[8] http://www2.rohde-schwarz.com/en/products/3[9] Technical Report - Annex to ECC Report 4: Initial ideasconcerning the revision of the Stockholm (1961) agreementTechnical Annex: criteria for planning DVB-T[10]http://www.kyes.com/antenna/navy/polarization/polariza.htm293