MPEG-2 TRANSMISSIE OVER SATELLIET

Transcriptie

1 I. INLEIDING MPEG-2 TRANSMISSIE OVER SATELLIET Het DVB-project had als eerste taak het specificeren van alle systeemparameters voor de lancering van nieuwe diensten via de satelliet. Deze nieuwe diensten moesten medio 1995 van start kunnen gaan, geïnitieërd door de commerciële omroeporganisaties, die hiervoor concrete plannen hadden. Dit hield in dat het DVB-project een tijdsplanning op zich nam, die voorzag in een specificatie tegen het einde van 1993, ofwel binnen een jaar. Dit werk is in het eerste kwartaal van 1993 begonnen en was inderdaad af tegen begin januari Het DVB Satelliet modulatiesysteem wordt ook wel afgekort tot DVB-S. Omdat er reeds vele satellieten in orbit hangen met verschillende karakteristieken en het DVB-project geen satelliet wilde uitsluiten, is er een Baseline -systeem gemaakt. Dit systeem vereist dan ook van de ontvanger, dat het zich zelf automatisch instelt naar de karakteristieken van de gebruikte transponder. Het baseline -systeem gebruikt QPSK-modulatie, hetgeen staat voor Quatemary Phase Shift Keying. De foutencorrigerende techniek bestaat uit de combinatie van een convolutionele code en een ingekorte Reed-Solomon code. Het DVB-S systeem is een container -systeem, waarbij de inhoud in principe van alles kan zijn. De data, die door het systeem vervoerd wordt, kan dus televisiebeelden geluidskanalen, tekst en dergelijke bevatten. Het DVB-S-systeem is compatibel met het MPEG-2- compressiesysteem. Verder wordt ook de MPEG-2-transponder multiplexstructuur overgenomen, hetgeen betekent, dat alle componenten van een dienst in een tijd-multiplex worden overgezonden door een enkele digitale drager. Het baseline -systeem is bedoeld om DTH-diensten (direct to home) te leveren naar consumenten decoders, naar gemeenschappelijke antennesystemen (SMATV = Satellite Master Antenna Television Systems) of naar de kabel kopstations. II. GEBRUIKSVEREISTEN (User Requirements) Het DVB-project is een market-led -project. Dit wil zeggen, dat de commerciële modulles begonnen met het opstellen van een lijst met eisen, die de gebruikers aan het systeem zouden stellen. De technische ontwikkeling, die hierna volgde, moest aan deze eisen beantwoorden. Deze eisen zijn omschreven in de User Requiremens for Digital Broadcasting Systems by Satellite and Cable. III. HET SATELLIET-TRANSMISSIESYSTEEM Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001

2 Functioneel blokdiagram van het baseline -systeem. Het baseline -systeem verzorgt de aanpassing van het basisband TV-signaal aan het satellietkanaal. De ingang van het Baseline -systeem is een MPEG-2-transport mulitplex. Bovenstaande figuur geeft dit aan als een bitstroom R u. De volgende functies worden in het Baseline -systeem uitgevoerd met volgende engelse termen: - transport multiplex adaptation - randomization for energy dispersal - outer coding - convolutional interleaving - inner coding - baseband shaping for modulation - modulation. Bij het ontwerp van de satelliet DTH-diensten is de grootste beperking, die van het elektrisch vermogen van de satelliet, zodat het belangrijkst ontwerpcriterium de robuustheid van het signaal tegen ruis en interferentie is. Dit is belangrijker dan spectrum efficiëntie. Daarom is besloten om gebruik te maken van QPSK-modulatie met een geconcateneerde convolutie code en Reed-Solomon code. De convolutie code kent meerdere instellingen, waardoor het signaal geschikt wordt gemaakt voor verschillende transponder bandbreedten. Het Baseline -systeem is geoptimaliseerd voor het gebruik van één draaggolf per transponder in een Time Division Mulitplex (TDM) configuratie. Echter is het mogelijk het systeem ook te gebruiken voor een meer-draaggolf Frequency Division Multiplex (FDM) configuratie. De foutencorrigerende code ( Forward Erro Code of FEC) is ontworpen om een quasi foutenvrij ( Quasi Error Free )-signaal af te leveren aan de MPEG-2-demultiplexer met een niet-gecorrigeerde foutenaantal van één fout per uur. Dit stemt overeen met een Bit Error Rate of BER van tot Aanpassing aan de diverse transponderkarakteristieken De nieuwe digitale diensten zullen zowel gebruik maken van satellieten in de FSS- als in de BSS-banden, waarbij FSS staat voor Fixed Satellite Services en BSS voor Broadcast Satellite Services. Voorbeelden van bit rates ten opzichte van transponder bandbreedten. Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001

3 Aangezien de keuze van de transponderbandbreedte een keuze is van de satelliet operator en gerelateerd is aan de datarate, die uitgezonden moet worden, heeft het DVBproject besloten deze keuze niet te beperken, maar een veelvoud van transponderbandbreedten en van rates toe te staan, door middel van de convolutie code, die een vijftal verschillende waarden kan hebben. De getallen op de bovenstaande tabel zijn het resultaat van computersimulaties van een denkbeeldige satelliet keten, zonder de effecten mee te nemen van interferentie. Verder is uitgegaan van een Eb/No-verslechtering van 1,0dB voor het geval van een roll-off van 0,35, inclusief de effecten van IMUX, OMUX en TWTA (zie blokschema van het baseline - systeem). 2. Kanaalcodering De datastroom, die het Baseline -systeem ingaat, is opgebouwd uit pakketten van een vaste lengte. Het formaat van deze pakketten wordt gegeven door de syntax van de MPEG-2-multiplexstructuur. Onderstaande figuur geeft de MPEG-2-transport multiplex pakketten weer. Er is een synchronisatie byte (Sync-byte), gevolgd door 187 bytes met informatie. MPEG-2-transport multiplex pakket. a. Energie verdeling Het is voor een satellietsysteem een vereiste, dat het niet meer dan een bepaalde mate andere signalen mag storen. Om te voorkomen, dat er hoge momentane energiepieken ontstaan en om te zorgen, dat er voldoende binaire overgangen in het signaal aanwezig zijn voor een stabiele klokregeneratie wordt de ingaande datastroom eerste ge-scrambled volgens onderstaande configuratie. Scrambler-descrambler schema. De Polynoom voor deze operatie is: 1 + x 14 + x 15. Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001

4 De begintoestand wordt geladen bij elke groep van 8 transportpakketten. Om het begin van een groep van 8 transportpaketten weer aan te geven wordt het MPEG-2-Sync-byte van het eerste transportpakket geïnverteerd van 47 HEX naar B8 HEX. Verder is afgesproken dat het eerste bit dat gegenereerd wordt door deze Pseudo Random Generator toegepast wordt op het eerste bit dat volgt na het eerste sync byte. Tijdens de volgende sync bytes loopt de generator gewoon door, maar wordt de scrambling/descrambling-functie niet uitgevoerd door de enable-ingang om zo de mogelijkheid te hebben MPEG-2-synchronisatie te blijven uitvoeren. De periode van de generator is dan ook 1503 bytes (zie volgende figuur). b. Outercoding, interleaving en framing Onderstaande figuren geven de framing-structuur, met weergaven van de ingangdatastroom en de datastroom na het toepassen van de scramblingfunctie. De 187 bytes van het transportmultiplex pakket worden vervolgens beschermd door een verkorte Reed Solomon code. De verkorte code wordt genoteerd als RS(204,188,T=8) en voegt 16 bytes toe aan de pakketlengte. Deze verkorte code is afgeleid van de originele code RS(255,239,T=8). Hierbij moet opgemerkt worden, dat de RS-code ook op het sync byte wordt toegepast, ongeacht de eventuele inversie. De RS-Code Generator polynoom is: De framing -structuur. g(x) = (x+_ 0 )(x+_ 1 )(x+_ 2 ) (x+_ 15 ) en de Field Generator polynoom is: p(x) = x 8 + x 4 + x 3 + x Hierna wordt nog een interleaving toegepast, waardoor een reeks van fouten niet op een origineel transportpakket inwerken, maar worden cyclisch verdeeld over meerdere pakketten. De foutencorrigerende code kan namelijk maar een beperkt aantal fouten (7) uit een pakket herstellen. Door deze interleaving techniek hoeft de foutencorrigerende code slechts de losse fouten te verbeteren. Het volgende schema schetst het principe van de convolutionele interleaver en deinterleaver. Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001

5 Het principe schema van de convolutionele interleaver en deinterleaver. c. Inner coding Het Baseline -systeem staat toe om een convolutie code met een aantal verschillende coderates te gebruiken, namelijk: ½, 2 / 3, ¾, 5 / 6, 7 / 8. De ontvanger moet elk van deze coderates proberen totdat hij de goede heeft gevonden. ½ Inner coderates 2 / 3 ¾ 5 / 6 De convolutionele code met de coderates. 7 / 8 Bij een inner coderate van ½ wordt aan het aantal nuttige bits hetzelfde aantal bits toegevoegd ter bescherming van deze en is, gezien vanuit de totale bitstroom, de helft van een aantal bits te gebruiken voor de informatie. Bij een inner coderate van 7 / 8 is 7 / 8 deel van de totale bitstroom nuttige informatie en is slechts 1 / 8 deel hiervan ten behoeve van foutencorrectie. In dit geval zijn natuurlijk ook de foutencorrigerende mogelijkheden afgenomen. d. Modulatie De modulatie voor het satelliet Baseline -systeem is een conventionele Graycode QPSK met coherente demodulatie en met een absolute mapping. Dit laatste betekent, dat er geen differentiële coding aan vooraf gaat. Dit modulatieschema heeft het voordeel van een doeltreffende, robuuste implementatie met een goede vermogensefficiëntie. De toewijzing van de bits naar de modulatietoestanden wordt nu geschetst. Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001

6 De QPSK-constellatie. e. De functionele beschrijving van het Baseline-systeem Onderstaande figuur toont aan dat de zend- en ontvangstzijde functioneel reciprook zijn en wordt daarom alleen de ontvangstzijde kort beschreven. Conceptueel blokdiagram van de zend- en ontvangstzijde van het baseline -systeem. If Physical Interface en QPSK-Demodulator : het eerste blok vormt de fysische aanpassing aan het signaal van de low noise converter (LNC) in de parabolische reflector. Daarna wordt de coherente quadratuur demodulatie uitgevoerd en vervolgens de analoog-digitaal omzetting. Deze omzetting van het signaal in meerdere bits staat een soft decision toe van de I - en Q - signalen naar de inner -decoder. Mateched Filter : dit filter zorgt voor de raised cosine pulsvorm volgens de roll-off factor, die gekozen is. Carrier/clock Recovery : deze eenheid verzorgt de synchronisatie van de demodulator. Inner decoder : hier wordt de eerste foutencorrectie volvoerd. Deze decoder moet kunnen werken bij een ingangssignaal met een hard decision bitfoutenkans (BER) in de grootorde van 10-1 tot 10-2, waarbij dan het uitgangssignaal een foutenkans moet hebben van ongeveer 7*10-4 of minder. De foutenkans van dit uitgangssignaal correspondeert met een quasi error free omroepdienst na de outer code foutencorrectie. Sync-Decoder : deze decoder decodeert de MPEG-2-Sync-bytes en zorgt op deze manier voor de synchronisatie informatie voor het interleave - proces. Deze decoder kan ook uit deze sync bytes de 180 graden dubbelzinnigheid van de QPSK-demodulator verwijderen. Convolutional De-Interleaver : de foutenreeksen die aan de uitgang van de inner decoder nog aangetroffen worden, worden door deze Convolutional De-Interleaver zodanig verspreid, dat de outer decoder deze fouten beter kan corrigeren. Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001

7 Outer Decoder : deze decoder zorgt voor het tweede niveau van foutencorrectie. Aan de uitgang ontstaat een quasi error free -signaal met een BER van circa 10-11, bij een ingangssignaal met een bit-foutenkans van ongeveer Energy Dispersal Removal : deze eenheid verwijdert het patroon, dat de energie verdeelde en verder verandert het weer het geïnverteerde syncbyte tot het normale MPEG-2-syncbyte. f. De bit-signaal/ruisverhouding In het geval van een modem doorverbonden in een IF-loop, wordt de bitsignaal/ruisverhouding (E b /N 0 ) volgens de figuur gegevens als functie van de inner coderate. Deze E b /N 0 realiseert een quasi error free - signaal met betrekking tot een nuttige bitrate voor RS-coding bij een vereiste bitfoutenkans van 2*10-4, waarbij rekening is gehouden met een modem implementatie marge van 0,8dB en een vergrootte ruisbandbreedte ten gevolge van de outercode (10log 188/204=0,36dB). Inner coderates Vereiste E b /N o voor quasi error free - signaal ½ 4,5 2 / 3 5,0 ¾ 5,5 5 / 6 6,0 7 / 8 6,4 Benodigde E b /E o als functie van de inner coderate. Satelliet technologie MPEG-Trans HS/V1-2001