La chaîne DVB-T (Fonct on ctio ions ns,, caract caracté érist ri stiq iques ues et et pa p aramètr ramètre es) Sylvie Kalinowski
3 0 3 0 0 8 2 D 1 D
Chaîne haîne d’émi d ’émiss ssio ion n DVB-T
Le système est défini comme un bloc fonctionnel d’équipements réalisa réalisant nt l’adap l’adaptat tation ion des des signaux signaux TV TV en bande bande de base base en sorti sortie e du multiplexeur de transport MPEG-2, aux caractéristiques du canal terrestre. Le traitement suivant est appliqué aux flux de données :
Adaptation du multiplex de transport et brassage Codage externe Entrelacement externe Codage interne Entrelacement interne Mapping et modulation Transmission OFDM
Chaîne haîne d’émi d ’émiss ssio ion n DVB-T
Le système est défini comme un bloc fonctionnel d’équipements réalisa réalisant nt l’adap l’adaptat tation ion des des signaux signaux TV TV en bande bande de base base en sorti sortie e du multiplexeur de transport MPEG-2, aux caractéristiques du canal terrestre. Le traitement suivant est appliqué aux flux de données :
Adaptation du multiplex de transport et brassage Codage externe Entrelacement externe Codage interne Entrelacement interne Mapping et modulation Transmission OFDM
Synop yn opti tiqu que e de la cha ch aîne d'émi d'émiss ssio ion n DVB-T DVB-T Programme MUX Transport Vide Video o code coder r MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source source coding coding and multiplex multiplexing ing
To aeri aerial al Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Chaîne d'émission DVB-T et modes hiérarchiques Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Modes de transmission hiérarchiques DVB-T propose le choix entre un mode de transmission non hiérarchique et un mode de transmission hiérarchique. Le mode hiérarchique offre la possibilité de transmettre un multiplex de services en deux canaux indépendants. Dans ce cas, deux trains de données MPEG-2 TS sont organisés :
Le flux haute priorité HP (High Priority) : – forte protection, – débit utile réduit
Le flux basse priorité LP (Low Priority) : – protection réduite, – débit utile élevé
Modes de transmission hiérarchiques
On distingue deux mode de transmission hiérarchiques : Le mode simulcast :
Des programmes identiques sont transmis sur des flux séparés avec différents niveaux de protection contre les erreurs différents ainsi que des débits différents. Applications : • Le flux LP, fortement protégé contre les erreurs peut être reçu même si les conditions de réception sont difficiles. La réception du flux de faible priorité conduit à une meilleure qualité, mais nécessite de meilleures conditions de réception pour un décodage sans erreur. Dépendant des conditions de réception, le récepteur est capable de décoder le flux binaire le plus intéressant. (HP ou LP).
Modes de transmission hiérarchiques
Le mode simulcast :
Applications (suite) • Un programme peut être décodé par les récepteurs portables avec une qualité réduite pendant que les récepteurs fixes sont capables de recevoir les mêmes programmes avec une qualité de son et d’image améliorée. • Le récepteur n’est pas capable de commuter d’un flux à un autre (c’est-à-dire sélectionner le flux le mieux protégé dans le cas où les conditions de réception se dégraderaient) tout en continuant à décoder image et son. Une pause est nécessaire pendant que le décodeur interne et les décodeurs de source se reconfigurent et se resynchronisent : Gel d’image : ≈ 0.5 s Interruption de son : ≈ 0.2 s
Modes de transmission hiérarchiques
Performances : TEB = f(C/N)
Modes de transmission hiérarchiques
Le mode mutiprogrammes :
Le flux basse priorité peut contenir un ou plusieurs programmes complètement différents de ceux présents dans le flux haute priorité. Applications :
Un récepteur portable peut décoder les programmes transmis avec une forte protection. De plus, un récepteur fixe avec une antenne directive pourrait aussi être capable de décoder le flux LP permettant d’obtenir des programmes supplémentaires. Le jeu de paramètres de transmission doit être choisi en réalisant le meilleur compromis entre robustesse et débit binaire. Le paramètre robustesse est directement lié à la zone de couverture desservie.
Modes de transmission hiérarchiques
Le mode mutiprogrammes : Performances
Les performances du système dans le mode multiprogrammes sont semblables à celles obtenues en mode simultcast. Les courbes de performances découlent des schémas de modulation : - QPSK pour le flux HP - QPSK ou 16-QAM pour le train LP
Chaîne d'émission DVB-T – Adaptation du multiplex et brassage Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Adaptation au multiplex transport
Le flux d’entrée du système est organisé en paquets de longueur fixe. Ce signal provient du mutiplexeur transport. Ce signal est appelé flux transport MPEG2-TS.
Longueur totale du paquet TS : 188 octets. Chaque paquet contient : • 1 octet de synchro (47 Hex) • 3 octets d’en-tête • 184 octets de données MPEG 2 L’ordre de traitement commence toujours par le MSB (Most Significant Bit) du mot de synchro.
Brassage
But :
Le brassage sert à effectuer une dispersion d’énergie dans le canal de transmission, ceci afin d’éviter les raies de niveau élevé provoquant des brouillages avec les canaux analogiques existants. Il ne faut pas que le signal modulant possède une tension continue donc il faut pour cela éviter les longues suites de « 0 » ou de « 1 ». Cela permet également d’augmenter le nombre de transitions du signal et ainsi faciliter la récupération de l’horloge.
Brassage
Principes :
Il faut éviter les longues suites de « 0 » ou de « 1 ». La séquence à transmettre est donc mélangée avec une séquence pseudo-aléatoire connue. Mot d'initialisation Générateur pseudoaléatoire Message en clair
OU exclusif Message brassé
Brassage
• Générateur pseudo-aléatoire – Registre à décalage à 15 étages – Polynôme générateur : 1 + X14 + X15 – Mot d'initialisation : 10010101000000 (connu de l'émetteur et du récepteur) • Processus de brassage – La séquence de brassage débute avec le chargement du mot d’initialisation, après le premier octet de synchro, – Durée d’une séquence : 8 paquets de transport
Brassage
•
Synchronisation du désembrouilleur :
- Le premier octet de synchro des 8 paquets est inversé bit à bit de 47Hex à B8Hex (0100 0111 à 1011 1000) - Pour faciliter les autres fonctions de synchronisation, pendant les octets de synchro des 7 paquets suivants, la séquence pseudo-aléatoire continue, mais la sortie du générateur est désactivée. - Les 7 synchros suivantes sont donc transmises sans être brassées . - Durée de la séquence pseudo-aléatoire : [187 + (7*188)] = 1503 octets Remarque :
Le processus de brassage continue même si le signal d’entrée est absent ou s’il n’est pas conforme au format MPEG 2-TS.
Principe du brassage en DVB-T
Mot d'initialisation 1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 15
00000011.....
OU exclusif Enable
AND
Données d'entrée en clair
Données de sortie brassées
Chaîne d'émission DVB-T et codage externe Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Codage externe - Code Reed-Solomon
Rôle :
Corriger au mieux les paquets d’erreurs résiduels en sortie du décodeur interne par ajout de redondance à l’information d’origine Type de code externe :
Le code utilisé en DVB-T est le code Reed-Solomon RS (204, 188, T = 8) Il s’applique à tous les paquets de transport brassés de 188 octets y compris l’octet de synchro inversé ou non. Il génère 16 octets de redondance pour 188 octets entrants. On obtient donc 204 octets en sortie. Le rendement de ce code est de 188/204.
Codage externe - Code Reed-Solomon
Mot d’information
Mot de contrôle
188 octets
16 octets
Mot du code Reed-Solomon 204 octets La capacité de correction est de 8 octets (groupés ou isolés ) à l'intérieur d'un paquet reçu de 204 octets. Le codage Reed Solomon est donc particulièrement bien adapté à la correction de petits paquets d’erreurs.
Chaîne d'émission DVB-T - Entrelacement externe Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Entrelacement externe
But : •
•
•
Un code a une capacité de correction de paquets d’erreurs très inférieure à la capacité de correction d’erreurs isolées. Pour éviter les paquets d’erreurs trop importants, les échantillons proches les uns des autres sont séparés avant la transmission. Le rétablissement de l’ordre initial à la réception a pour effet de répartir les erreurs et de permettre ainsi au décodeur Reed-Solomon d’atteindre ses performances optimales.
Entrelacement externe
Synoptique de l’entrelaceur et du désentrelaceur convolutionnels Entrelaceur de prof ondeur I = 12
Désentrelaceur de prof ondeur I = 12
Chemin du mot de synchro
Chemin du mot de synchro
0
0
R1
1
R2
10 R1
0
2
9
11
R11
R2
1
R1
2
R1
0
R2
R11
11
R1
R2
R1
11
Chaque registre à décalage "R" est composé de 17 cellules de 1 octet.
9 10 11
Entrelacement externe
Principes : •
•
•
•
Un entrelacement convolutionnel de profondeur I = 12 est appliqué aux paquets après le codage Reed-Solomon. La trame entrelacée est délimitée par les octets de synchro MPEG 2 inversés ou non. L’entrelaceur est constitué de I branches, numérotées de 0 à 11. Chaque branche est connectée cycliquement au flux d’entrée et au flux de sortie par deux commutateurs synchrones aiguillant l’information à transmettre octet par octet .
Entrelacement externe
Principes (suite) : •
•
•
Chaque branche j est constituée de j registres à décalage (FIFO) avec une profondeur totale égale à j × M avec : N = 204 = longueur du paquet après codage RS I = 12 = profondeur d’entrelacement (12 branches) M = 17 = N/I = nombre de cellules par registre j = numéro de la branche Chaque cellule de registre à décalage contient un octet. En sortie de l’entrelaceur, chaque octet a subi un retard égal à : (j × M ×12 octets) = j ×17×12 = j × 204 octets. Remarque : Afin de faciliter la synchronisation du désentrelaceur, l’octet de synchro (inversé ou non) passe toujours dans la branche « 0 ».
Entrelace nt relacement ment externe extern e Paquet TS (n + 1)
Paquet TS (n)
Entrée entre- S 2 3 laceur
1 2
Paquet TS (n + 2)
Paquet TS (n + 11)
2 0 4
Sortie entrelaceur
Sortie désentre -laceur 12 octets 204 octets = 17 x 12
Principes de l’entrelacement et et du désentrelacement désentrelacement convolutionnels convolutionnels en DVB-T
Struc tr uctu ture re des des trame t rames s aux dif d iffére férent nte es étapes étapes du codage co dage Sync 1 octet
187 octets Paquet Paquet de transpo rt d u mu lti plex MPEG MPEG 2
8 paquets de transport du multiplex MPEG 2 Séquence pseudo-aléatoire = 1 503 octets Sync1
187 octets brassés
Sync2
187 octets brassés
Sync8
187 octets brassés
Sync1 : octet de synchro complémenté non brassé Syncn : octet de synchro non brassé, n = 2, 3, ...,8
Sync1
187 octets brassés
Paquets Paquets de transpo rt br assés assés : o ctets de synch ro n on b rassés rassés et séquences brassées brassées
204 octets Sync1 ou Syncn
187 octets brassés
16 octets de contrôle
Paquets avec co de de pr otecti ot ecti on d’ erreur s REED-SOLOM REED-SOLOMON ON RS RS (204, (204, 188, 188, T = 8) Sync1 ou Syncn
203 octets
Sync1 ou Syncn
203 octets
Trames entr entr elacées elacées ; pro fo ndeur d ’entr elacement : I = 12
Chaîne haîne d'émissi d'émis sion on DVBDVB-T T - Code od eur int i nte erne rn e Programme MUX Transport Vide Video o code coder r MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source source coding coding and multiplexin multiplexing g
To aeri aerial al Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Codage interne
But : •
•
Comme le canal de transmission est un canal fortement perturbé (propagation par trajet multiples, effet Doppler…), un deuxième code correcteur d’erreur est ajouté pou améliorer les performances du système. Le code employé est un code convolutif . Chaque bloc du code dépend non seulement des blocs présents à l’entrée mais aussi de blocs précédents. Il y a introduction d’un effet de mémoire.
Codage interne
Synoptique du Codeur convolutif de base (rendement = ½)
Codage interne
Principes :
• Le rendement du codeur de base = ½ . (On rappelle que le rendement d’un code est le rapport entre le nombre de bits entrants et le nombre de bits sortants). • Sa longueur de contrainte est égale à 7. On rappelle que la longueur de contrainte d’un code correspond au nombre de bits sur lesquels s’effectue le codage). • Chaque sortie du codeur (X et Y) est égale au produit de convolution entre la suite des éléments binaires et les fonctions génératrices du code G1 et G2 G1 = 171 oct 1 111 001 G2 = 133 oct 1 011 011
Codage interne
Poinçonnage :
• L’inconvénient du codeur de base de rendement ½ est de doubler le débit initial. C’est pour cette raison que l’on effectue un poinçonnage. Le poinçonnage, qui consiste à ne pas transmettre tous les bits en sortie du codeur dans le but de réduire le débit total. • En DVB-T, le système permet une large gamme de codes convolutifs poinçonnés. Cela permet une sélection du niveau de correction le plus approprié pour un service donné, ou du débit binaire, dans un mode de transmission hiérarchique ou non hiérarchique. • Si une transmission avec deux niveaux de hiérarchie est utilisée, chacun des deux codeurs de canal en parallèle peut avoir son propre rendement de code. L
d
t d
d
é
t 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8
Codage interne convolutif avec poinçonnage
X et Y sont les deux sorties du codeur convolutif de base "0" : bit non tr ansmis "1" : bit t ransmis
Chaîne d'émission DVB-T - Entrelacement interne Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Entrelacement interne Signal reçu (ex : symboles QPSK) 11 01 00 10 01 00
(sans entrelacement) (avec entrelacement)
f • Entrelacement symbole Rôle : supprimer la corrélation des erreurs sur des symboles transmis sur des porteuses consécutives d'un même symbole OFDM, (pour éviter d'avoir plusieurs symboles consécutifs perdus dans les "trous" du signal reçu). • Entrelacement bit Rôle : supprimer la corrélation des erreurs par symbole QAM ou QPSK avant le décodeur de Viterbi, (pour éviter d'avoir 2/4/6 bits faux consécutifs).
Entrelacement interne Modulation QPSK / 16-QAM non hiérarchique
Entrelacement interne Modulation 64-QAM non hiérarchique
Entrelacement interne
Le démultiplexage est défini comme un réarrangement des bits entrants : xdi (modes de transmission non-hiérarchique) ou : x’di et x’’di (respectivement entrée haute priorité et basse priorité en modes hiérarchiques) en des bits de sortie : b e,do avec : di : numéro du bit entrant e : numéro du flux binaire démultiplexé (0≤ e ≤ v) do : numéro du bit d’un flux de données en sortie du démultiplexeur
Entrelacement interne
En mode non-hiérachique , l’unique flux est démultiplexé en v sous-flux. v = 2 pour la QPSK v = 4 pour la 16-QAM v = 6 pour la 64-QAM Le démultiplexage a pour résultat le mapping suivant : En QPSK :
xo correspond à b0,0 x1 correspond à b1,0
Entrelacement interne
En 16-QAM :
xo correspond à b0,0 x1 correspond à b2,0 x2 correspond à b1,0 x3 correspond à b3,0
En 64-QAM :
x0 correspond à b0,0 x1 correspond à b2,0 x2 correspond à b4,0 x3 correspond à b1,0 x4 correspond à b3,0 x5 correspond à b5,0
Entrelacement interne Modulation 16-QAM/64-QAM hiérarchiques
Entrelacement interne
En mode hiérarchique, le flux basse priorité est démultiplexé en deux sous-flux et le flux basse priorité est démultiplexé en v-2 sous-flux. Ceci s ’applique aux modulations QAM uniformes ou non uniformes. En 16-QAM (mode hiérarchique)
x’o correspond à b0,0 x’1 correspond à b1,0 x’’0 correspond à b2,0 x’’1 correspond à b3,0
En 64-QAM : (mode hiérachique)
x’0 correspond à b0,0 x’1 correspond à b1,0 x’’2 correspond à b2,0 x’’3 correspond à b4,0 x’’4 correspond à b3,0 x’’ correspond à b
Entrelacement interne
Entrelacement bit : Son rôle : supprimer la corrélation des erreurs par symbole QAM
ou QPSK avant le décodeur de Viterbi. Sa nature : Entrelacement de type bloc.
Chacun de sous-flux provenant du démultiplexeur est traité séparément par un entrelaceur bit. Il y a donc jusqu’à 6 entrelaceurs référencés I0 à I5 I0 et I1 sont utilisés pour la QPSK, I0 à I3 pour la 16-QAM I0 à I5 pour la 64-QAM. L’entrelacement bit n’est effectué que sur les données utiles.
Entrelacement interne
La taille du bloc est la même pour chaque entrelaceur, mais la séquence d’entrelacement est différents dans chaque cas. La taille du bloc d’entrelacement bit est de 126 bits. Le processus d’entrelacement de blocs est donc répété exactement : • 12 fois par symbole OFDM de données utiles dans le mode 2k (12 × 126 bits = 1512 porteuses utiles). • 48 fois par symbole dans le mode 8k. (48 × 126 bits = 6048 porteuses utiles).
Entrelacement interne
Entrelacement bit :
Pour chaque entrelaceur bit, le vecteur entrant est défini par : B(e) = (be,o , be,1, be,2, be,3, …… , be,125) où e varie entre 0 et v-1 Le vecteur de sortie entrelacé s’écrit : A(e) = (ae,o , ae,1 , ae,2 , ae,3 , …… , ae,125 ) Il est défini par : ae,w = be,He(w) avec w = 1, 2, 3,…,125 où He(w) est une fonction de permutation différente pour chaque entrelaceur.
Entrelacement interne
Entrelacement bit :
He(w) est définie comme suit pour chaque entrelaceur : I0 : H0(w) = w I1 : H1(w) = (w + 63) mod 126 I2 : H2(w) = (w + 105) mod 126 I3 : H3(w) = (w + 42) mod 126 I4 : H4(w) = (w + 21) mod 126 I5 : H5(w) = (w + 84) mod 126 Les sorties des v entrelaceurs bits sont groupées pour former les symboles de données numériques, de sorte que chaque symbole de v bits soit constitué exactement de 1 bit de chacun des v entrelaceurs. La sortie de l’entrelaceur bit est un mot de v bits noté y’ : y’w = (a0,w , a1,w , …… , av-1,w )
Entrelacement interne Entrelacement bits (MAQ-16 non hiérarchique) 1°- Découpage + inversion de blocs en ligne 2°- Lecture colonne 0 b0,0 b0,1
41 42
y' 1
125
b1,125 1,62
b1,125 b1,0 b1,1
b2,21 b2,22 b 2,0 b 2,1
y' 0
104 105
b0,125
b1,64 bb1,63 1,0 b 1,1
b3,0 3,84 b3,1 3,85
62 63
b2,125 b2,0 b2,1 b3,125 b3,0 b3,1
bb2,125 2,20 bb3,125 3,83 y' 125
Entrelacement interne
Entrelacement symbole
L’entrelacement symbole a pour but de mapper 1512 ou 6048 mots de v bits sur les 1512 (mode 2k) ou 6048 (mode 8k) porteuses actives par symbole OFDM. L’entrelacement symbole agit sur des blocs de 1512 (mode 2k) ou 6048 (mode 8k) symboles de données. Donc, dans le mode 2k, 12 groupes de 126 mots de données sortant de l’entrelaceur bit sont lus séquentiellement pour former un vecteur Y’: Y’ = (y’0, y’1, y’2, …y’1511)
Entrelacement interne
Entrelacement symbole
De façon similaire, dans le mode 8k, un vecteur Y’ : Y’ = (y’0, y’1, y’2, …y’6047) est obtenu à partir de 48 groupes de 126 mots de données. Le vecteur entrelacé Y = (y0, y1, y2, …yNmax-1) est défini par : YH(q) = y’q pour les symboles pairs pour q = 0,….,Nmax-1 Yq = y’H(q) pour les symboles impairs pour q = 0,…,Nmax-1 Où Et
Nmax = 1512 dans le mode 2k Nmax = 6048 dans le mode 8k.
Entrelacement interne
Entrelacement symbole
H(q) est une fonction de permutation définie de la façon suivante : R’i est un mot binaire de (N r – 1) bits où : Nr = log2 Mmax = log2 2048 = 11 (mode 2k) Nr = log2 Mmax = log2 8192 = 13 (mode 8k) R’i prend les valeurs suivantes : i = 0,1 : R’i [Nr -2, Nr -3, …, 1, 0] = 0,0,0,…,0,0 i=2: R’i [Nr -2, Nr -3, …, 1, 0] = 0,0,0,…,0,1 2< i < Mmax : {R’i[Nr -3, Nr -4, …, 1, 0] = R’ i-1[Nr -2, Nr -3, …, 2,1] dans le mode 2k : R’ i[9] = R’i-1 [0] ⊕ R’i-1 [3] dans le mode 8k : R’i[11] = R’i-1 [0] ⊕ R’i-1 [1] ⊕ R’i-1 [4] ⊕ R’i-1 [6]
Entrelacement interne
Entrelacement symbole
Un vecteur Ri est obtenu à partir du vecteur R’ i par des permutations de bits données par les tables suivantes : Permutation de bits pour le mode 2k
Permutation de bits pour le mode 8k
Entrelacement interne
Entrelacement symbole
La fonction de permutation H(q) est définie par l’algorithme suivant : Mode 2k
q=0; Pour (i = 0 ; i < 2048; i = i+1) {H(q) = (i mod 2) . 1024 + Ri Si (H(q) < 1512) q = q+1 }
Mode 8k
q=0; pour (i=0 ; i < 8192; i = i+1) {H(q) = (i mod 2) . 4096 + Ri Si (H(q) < 6048) q = q+1 }
De façon similaire à y’, y est constitué de v bits : Yq’ = (y0,q’, y1,q’, …yv-1,q’) où q’ est le numéro du symbole à la sortie de l’entrelaceur symbole.
Entrelacement interne – Entrelacement symbole Générateur de la fonction de permutation 2k / 8k
Entrelacement interne – Entrelacement symbole Entrée entrelaceur symbole y'0 y'2 y'4 y'6 y'8 y'10 y'12 … y'1024 y'1025 … y'1027 … y'1056 … y'1088 … y'1160 … y'1280
Sortie entrelaceur symbole Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 … Y48 … Y128
Entrelacement interne
•
•
Les règles d’entrelacement bit et d’entrelacement symbole ainsi que le mapping correspondant sur les porteuses sont illustrées dans la table ci-après pour le premier symbole d’une super-trame, dans le mode 2 K, en 64-QAM, en mode non-hiérarchique. Cette table montre l’indice du bit d’entrée du bloc de mapping. Les bits d’entrée de l’entrelaceur bit sont numérotés de 0 à 9071, et le numéro de porteuse correspondant. Les indices correspondent aux numéros des bits d’entrée de l’entrelaceur.
Entrelacement interne (bit+symbole) Mode 2k, 64-QAM non hiérarchique
Chaîne d'émission DVB-T - Mapping Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Constellations et mapping
Rôle : associer les groupes 2 / 4 / 6 bits à 1 état AmplitudePhase de la modulation.
Le système DVB-T utilise une modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Toutes les porteuses de données dans une trame OFDM sont modulées en : - QPSK - 16-QAM - 64-QAM - 16-QAM non-uniforme - 64-QAM non-uniforme en utilisant un codage de Gray.
Constellations QPSK / 16-QAM Mode non hiérarchique, ou hiérarchique, avec
=1
Constellation 64-QAM Mode non hiérarchique, ou hiérarchique, avec
=1
Constellations et Mapping - Modulation hiérarchique
La modulation hiérarchique permet de transmettre deux types d’informations : - un train de données HP (High Priority ) - un train de données LP (Low Priority )
La réalisation d’une modulation hiérarchique nécessite deux étapes ; en prenant l’exemple de la 16-QAM : - Choix du quadrant de phase sur la base de deux bits d’un train de données (avec codage de canal) en priorité élevée HP. - Formation de la constellation phase/amplitude complémentaire, à l’intérieur du quadrant sélectionné en fonction des 2 bits restants d’un autre train de données (avec codage de canal) à priorité faible LP. Ce type de modulation permet d’incorporer la QPSK dans le diagramme de la constellation d’un système 16-QAM ou 64-QAM.
Constellations et Mapping - Modulation hiérarchique
16-QAM hiérarchique :
Les bits de priorité élevée sont les bits des mots de sortie de l’entrelaceur interne : y0,q’ et y1,q’ Les bits de priorité faible sont y2,q’ et y3,q’ . Les bits de priorité faibles sont organisés selon les diagrammes des constellations précédents. Par exemple, le point de la constellation en haut à gauche correspondant à 1000, représente : y0,q’ = 1 y0,q’ = y0,q’ = y0,q’ = 0 Si cette constellation est décodée en QPSK, les bits de haute priorité y0,q’ et y1,q’ sont déduits. Pour décoder les bits de faible priorité, la constellation complète doit être examinée et les bits appropriés (y2,q’ et y3,q’ ) extraits de y0,q’ , y1,q’ , y2,q’ , y3,q’
Constellations et Mapping - Modulation hiérarchique
64-QAM hiérarchique :
Les bits de priorité élevée sont les bits des mots de sortie de l’entrelaceur interne : y0,q’ et y1,q’ Les bits de priorité faible sont y2,q’ y3,q’ y4,q’ et y5,q’ Les bits sont organisés selon les diagrammes des constellations précédents. Si cette constellation est décodée en QPSK, les bits de haute y 1,q’ priorité y0,q’ et y1,q’ sont déduits. Pour décoder les bits de faible priorité, la constellation complète doit être examinée et les bits appropriés (y2,q’ y3,q’ y4,q’ et y5,q’ ) extraits de y1,q’ y1,q’ y1,q’ y1,q’ y1,q’ y1,q’
Constellations et mappings Modulations hiérarchiques, mode uniforme ( = 1)
Constellations et mappings Modulations hiérarchiques, non uniformes ( = 2) Le mode non uniforme vise à améliorer le décodage du train de données HP en éloignant les points de la constellation des axes de coordonnées :
QPSK dans 16-QAM
( = 2)
QPSK dans 64-QAM ( = 2)
Constellations et mappings Modulations hiérarchiques non uniformes ( = 2)
Constellations et mappings Modulations hiérarchiques non uniformes ( = 4)
Chaîne d'émission DVB-T & OFDM Programme MUX Transport Vide Video o code coder r MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source source coding coding and multiplex multiplexing ing
To aeri aerial al Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Struc tr uctu ture re de la trame OF OFDM • Le sign signal al trans ransm mis est est orga organi nisé sé en tram rames. es. Chaq Chaque ue t r ame OFD OFDM M d'une durée TF est constituée de 68 symbole symbol es OF OFDM. Quatre trames constituent une super-trame. • Un sy symb mbol ole e OFDM OFDM est consti constitué tué d’un ensemb ensemble le : - dans dans le mode mode 8k de 6817 6817 por po r teuses teus es , dont 6048 6048 util uti l es - ou dans dans le mode mode 2k de 1705 1705 por po r teuses teus es , dont 1512 1512 uti ut i les Les autres autres porteuses porteuses servent servent à des fonctions fonctions de synchronisa synchronisation tion et de signalisation. Le symbole OFDM est transmis avec une durée Ts. Il comprend une partie utile de durée Tu et un intervalle de garde de durée ∆. ∆
tu
Ts Quatre valeurs d’intervalle de garde peuvent être utilisées.(Elles correspondent correspondent à des multiples multiples de la période période élémentaire élémentaire T = 7/64 µs).
Struc tr uctu ture re de la trame OF OFDM 6817 / 1705 porteuses (mode 8k / 2k) 1/Tu ∆
Symbole ODFM
Ts tu
1 trame OFDM = 68 symboles TF
t
f
Structure de la trame OFDM
Tous les symboles OFDM contiennent des données et des informations de référence.
Comme le signal OFDM comprend un grand nombre de porteuses modulées individuellement, chaque symbole OFDM peut être considéré comme divisé en cellules , chacune correspondant à la modulation véhiculée par une porteuse durant un symbole .
Une trame OFDM transporte : - Des données - Des cellules pilotes dispersées (scattered pilots) - Des porteuses pilotes continuelles (continual pilots) - Des porteuses TPS (Transmission Parameter Signalling)
Valeurs des paramètres OFDM pour les modes 2k et 8k
Choix du nombre de porteuses 2k / 8k 2k
8k 1/Tu
∆
Ts T u
∆
= 7 à 56 µs
1/Tu
f
4,4 kHz
Echos courts
∆
= 28 à 224 µs
Echos longs
Ts
Récepteurs portables
Récepteurs fixes Tu
t
∆
t
f
1,1 kHz
Durée du symbole f(intervalle de garde)
Choix du nombre de porteuses La valeur de ∆ est définie comme une proportion de Tu. La durée maximale de ∆ est égale à : 224 s pour le mode 8k ou à 56 s pour le mode 2k L’intervalle de garde est utilisé pour protéger le signal des échos. Echos naturels :
La plus petite valeur du mode 2k (7 µs) est généralement suffisante pour protéger le signal des échos naturels.
Le mode 2k peut convenir.
Echos artificiels :
Afin de déterminer ∆, il faut connaître : - La distance de séparation entre émetteurs - La taille du réseau SFN (Single Frequency Network)
Les échos artificiels étant longs on préférera le mode 8k.
Chaîne d'émission DVB-T - Signaux de référence Programme MUX Transport Video coder MUX 1 Audio coder Data coder 2 n
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
MUX adaptation Energy dispersal
Outer coder
Outer interleaver
Inner coder
Splitter
MPEG-2 source coding and multiplexing
To aerial Inner interleaver
Mapper
Frame adaptation
Pilots & TPS signals
OFDM
Guard interval insertion
D/A
TERRESTRIAL CHANNEL ADAPTER
Front end
Signaux de référence
Différentes cellules (= symbole "monoporteuse"), à l’intérieur de la trame OFDM, sont modulées par une information de référence dont la valeur est connue du récepteur. Elles sont utilisées par le récepteur à des fins de : - synchronisation trame - synchronisation en fréquence - synchronisation en temps - estimation de la réponse du canal
L’information transmise dans ces cellules est répartie sur des cellules pilotes continues ou dispersées, modulées en BPSK (Binary Phase Shift Keying). Chaque pilote continu coïncide avec un pilote dispersé tous les 4 symboles.
L’info est transmise avec un niveau de puissance « boosté ».
Signaux de référence - Pilotes continus ou dispersés
La valeur de l’information du pilote continu ou dispersé est obtenue à partir d’une séquence pseudo-aléatoire; chaque valeur étant associée à une des porteuses transmises.
Signaux de référence - Pilotes continus ou dispersés
Génération de la séquence pseudo-aléatoire : - Registre à décalage à 11 étages - Polynome générateur : X11 + X2 + 1 - Mot d’intialisation : 11111111111 La séquence pseudo aléatoire est initialisée de sorte que le premier bit de sortie du générateur coïncide avec la première porteuse active. Remarque : Une nouvelle valeur est générée pour chaque porteuse utilisée (qu’elle soit ou non un pilote).
Signaux de référence - Position des pilotes dispersés L’information de référence est transmise dans des cellules de pilotes répartis en temps et en fréquence dans tous les symboles OFDM. Les pilotes répartis sont toujours transmis avec un niveau de puissance « boosté ».
Signaux de référence - pilotes continus En plus des pilotes dispersés, des pilotes continus sont insérés : - 177 pilotes continus en mode 8k - 45 pilotes continus en mode 2k - "Continu" signifie que ces pilotes sont acheminés par les mêmes porteuses (indices constants) pour chacun des symboles.
Signaux de référence Signalisation des paramètres de transmission (TPS)
• L’information TPS (Transmission Parameter Signalling ) est un ensemble de données transmises au récepteur décrivant les paramètres associés au schéma de transmission, c’est-à-dire au codage de canal et à la modulation : - le numéro de la trame dans une super trame, - Le type de modulation, ainsi que la valeur de α, - L’information de hiérarchie, - La durée de l’intervalle de garde, - Le(s) rendement(s) du code interne, - Le mode de transmission (2k ou 8k).
Signaux de référence Signalisation des paramètres de transmission (TPS)
L’information est transportée dans un bloc de porteuses pilotes TPS, non " boostées" , modulées en DBPSK (Differential Binary PSK) : - 17 porteuses TPS pour le mode 2k - 68 porteuses TPS pour le mode 8k.
L'information TPS comprend 68 bits transportés par les 68 symboles OFDM d'une trame OFDM.
Chaque porteuse TPS dans un même symbole OFDM véhicule le même bit d’information codé différentiellement.
Signalisation des paramètres de transmission Indices et position des porteuses des pilotes TPS
ETSI EN 300 744 - 2001
TPS symbol
Signalisation des paramètres de transmission (TPS)
Chaque symbole TPS véhicule un bit TPS.
Chaque bloc TPS contient 68 bits : - 1 bit d’initialisation - 16 bits de synchronisation - 37 bits d’information TPS : 23 utilisés, 14 réservés pour des applications futures - 14 bits de protection contre les erreurs : code BCH (67,53,t =2)
Un bloc TPS de 68 bits est donc défini sur 68 symboles OFDM consécutifs soit une trame OFDM.
Signalisation de paramètres de transmission (TPS) Bit number
Format
Purpose / Content
S0 S1 - S16
Pseudo-Random Binary Sequence X 11+ X2+1 0011010111101110 (1st and 3rd TPS block) or 1100101000010001 (2nd and 4th TPS block) 010 111 00, 01, 10, 11
DBPSK Initialization Synchronization word
S17 - S22 S23, S24
S25, S26 (00) QPSK, (01) 16-QAM, (10) 64-QAM S27, S28, S29 (000) Non hierarchical, (001) α=1, (010) α=2, (011) α=4 S30, S31, S32 (000) 1/2, (001) 2/3, (010) 3/4, (011) 5/6, (100) 7/8 S33, S34, S35 (000) 1/2, (001) 2/3, (010) 3/4, (011) 5/6, (100) 7/8 S36, S37 (00) 1/32, (01) 1/16, (10) 1/8, (11) 1/4 S38, S39 (00) 2k, (01) 8k S40 – S47 MSB(b15-b8) in frames 1 & 3 ; LSB(b0-b7) in frames 2&4 S40 – S53 All set to "0" S54 – S67 BCH code (127,113, t=2)
Length indicator Frame number (superframe) Constellation Hierarchy information Code rate, HP stream Code rate, LP stream Guard interval (∆/ Tu) Transmission mode Cell identifier Reserved for future use Error protection
Débit utile f(modul, rdt code convol, intervalle garde) canal 8 MHz
Débits nets dans le système DVB-T 35 30 25 Débit net 20 Mbit/s 15 10 5
MAQ-4 QPSK
MAQ-16
MAQ-64 1/32 1/16
0 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 2 2 2 2 2
1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 4 4 4 4 4 Rendement du code convo lut if / Nombre de bits p ar porteuse
1/8 1/2 2/3 3/4 5/6 6 6 6 6
1/4 7/8 6
Intervalle d e garde /Tu
Performances - débits
Le débit utile dépend de la configuration choisie (rendement du code convolutif, type de modulation, rapport ∆/tu). Le débit transmis est d’autant plus important que la modulation possède un grand nombre d’états, que le rendement du code convolutif est élevé et que l’intervalle de garde est faible. Débit maximal :
64-QAM; r = 7/8; ∆/tu = 1/32 ⇒ Du = 31,67 Mbits/s Ce cas correspond à la transmission la moins bien protégée.
Débit minimal :
QPSK; r = 1/2; ∆/tu = 1/4 ⇒ Du = 4,98 Mbits/s Ce cas correspond à la transmission la mieux protégée.
Performances > Influence du type de canal Type de canal
Caractéristiques
Canal Trajet direct Canal Gaussien Sans Bruit blanc écho Trajet direct Canal de Rice prédominant par Canal rapport aux autres avec Modifiés en A/Φ Pas de trajet échos Canal de direct, Rayleigh Que des échos dans tous sens
Exemples
Liaison en rase campagne sans obstacle Liaison en rase campagne avec obstacles Liaison en milieu urbain
C/N requis f(modul, rdt code, canal) et débit utile f( /Tu )
Choix du type de modulation et du code interne
La performance d’un mode de transmission dépend de l’effet combiné du type de modulation et du rendement du code correcteur d’erreurs. En comparant avec une modulation QPSK, le débit transmis en 16-QAM sera double et en 64-QAM triple. Cependant, les valeurs de C/N nécessaires pour une réception correcte sont respectivement de 6 dB et 12 dB supérieures. De façon similaire, le débit transmis et le C/N nécessaire augmentent ave des rendements de code élevés. Des simulations sur un canal de Rice montrent qu’il faut avec un rendement 7/8 un C/N 6 dB supérieur à celui qui est nécessaire à un rendement de code de ½, alors que le débit augmente d’un facteur 7/4.
C/N requis f(modul, rdt code, canal) et débit utile f(∆/Tu )
Choix du type de modulation et du code interne
Influence de la nature des affaiblissements attendus dans le canal :
Le choix du type de modulation et du rendement du code dépendent de la nature des affaiblissements attendus sur le canal. La figure « C/N et débit utile » montre la différence entre le C/N requis pour une réception à l’aide d’une antenne extérieure sur un toit (canal de Rice) et pour une réception sur un récepteur portable à l’intérieur d’une habitation (canal de rayleigh). Très faible pour un rendement de 1/2, cette différence devient importante (≈ 8 dB) pour un rendement de 7/8.
Choix du type de modulation et du code interne
Le C/N nécessaire en réception a une conséquence directe sur la puissance que doit fournir l’émetteur, cette puissance pouvant augmenter pour desservir une zone de couverture donnée. Néanmoins, dans de nombreux cas, la puissance maximale sera limitée en raison des interférences potentielles pouvant exister avec les services de TV analogiques.
Choix du type de modulation et du code interne
Ceci s’explique car le codage utilisé par les spécifications DVB-T est particulièrement robuste dans les systèmes OFDM contre les interférences de sélectivité en fréquence qui ne changent pas beaucoup d’un symbole à l’autre, comme des signaux retardés stationnaires ou des interférences provenant de transmissions TV analogiques. Donc, si de tels échos ou interférences sont supposés être la principale limitation de la réception, alors un rendement faible offrira une meilleure performance.
C/N requis f(modul, rdt code, canal) et débit utile f( /Tu )
Choix du type de modulation et du code interne
Une comparaison entre les deux modes 64-QAM, r = 1/2 et 16-QAM, r = 3/4 illustre l’influence du rendement du code. Les deux modes fournissent le même débit (14,93 à 18,1 Mbits/s dépendant de l’intervalle de garde) mais les performances dépendent du canal, selon les simulations pour les canaux Gaussien et de Rice, le mode 16-QAM associé à un rendement de 3/4 est le meilleur tandis que dans le cas du canal très sélectif comme le canal de Rayleigh, la 64-QAM avec r = 1/2 est la solution la mieux adaptée. Le choix du type de modulation doit donc toujours être fait en fonction du rendement du code et de la nature des affaiblissements du canal de transmission.
Choix du type de modulation et du code interne
La réception sur les récepteurs portables est un cas évident où les échos et interférences apparaissent comme étant la principale limitation à la réception. Mais même pour les réceptions avec une antenne fixe sur le toit , la zone de couverture pour les émetteurs DVB-T qui partagent les bandes de fréquences avec les réseaux provenant d’émetteurs TV analogique. Et là où les techniques SFN sont utilisées, les signaux retardés provenant d’émetteurs adjacents seront communs. Étant donné que la robustesse vis-à-vis des interférences avec des signaux TV analogique et vis-à-vis des échos est plus directement liée au rendement du code qu’à la modulation, il est généralement préférable de choisir un mode associé à un rendement de code faible.
C/N et Débits utiles en DVB-T D=1/32 D=1/16 31.67 30.74
D=1/8
30.16 29.27
29.03
27.14
27.65
D=1/4 26.13
26.35
23.42
22.39
22.12
21.11 20.49
Net bitrate (Mbit/s) 20.11 19.52 in a 18.10 17.56 8 MHz channel 16.09 15.61
64QAM 7/8 64QAM 5/6
24.88
24.88
24.13
64QAM 3/4
19.91
64QAM 2/3
18.43 16.59
17.42 16.59
14.75
14.93
16QAM 7/8 16QAM 5/6 64QAM 1/2 16QAM 3/4
19.35
13.27 12.06
11.71
10.56 10.25 10.05 9.76 9.05 8.78 8.04 7.81 6.03
5.85
Rayleigh profile
Rice profile
16QAM 2/3
11.06 9.95
9.68 9.22 8.29 7.37 5.53
16QAM 1/2
8.71 8.29 7.46 6.64
4QAM 7/8 4QAM 5/6 4QAM 3/4 4QAM 2/3 4QAM 1/2
4.98
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28 C/N (dB)
C/N requis f(modul, rdt code, canal) et débit utile f( /Tu ) Modes de transmission hiérarchiques
C/N requis f(modul, rdt code, canal) et débit utile f( /Tu ) Mode de transmission hiérarchique
Spectre théorique du signal de transmission DVB-T (intervalle de garde D=Tu /4, canal 8 MHz)
Abréviations
ACI AFC BCH BER D/A DBPSK DFT DVB DVB-T EDTV ETS FEC FFT HEX HP IF IFFT LO LP LSB MPEG MSB MUX CICAM OCT
Adjacent Channel Interference Automatic Frequency controil Bose Chaudhuri Hocqueghem code Bit Error Ratio Digital-to-Analog converter Differential Binary Phase Shift Keying Discrete Fourier Transform Digita Video Broadcasting DVB-Terrestrial Enhanced Definition TeleVision European telecommunication Standard Forward Error Correction Tast Fourier Transform HEXadecimal notation High Priority Bit Stream Intermediate Frequency Inverse Fast Fourier Transform Local Oscillator Low Priority bit stream LeastSignificant Bit Moving Picture Expert Group Most Significant Bit MUltipleX Near-Instantaneous Companded Audio Multiplex OCTal notation