DVBS i DVBS2

5/22/2018 DVBS i DVBS2

1/53

Univerzitet u BeograduElektrotehnicki fakultet

DVB-S i DVB-S2

Seminarski rad

Predmet: Televizija

Autori:

Slobodan Milojevic

Ranko Petrovic

Mentor:

Dr. Irini Reljin

Beograd, 2011.


2/53

Sadrzaj

1 Uvo d 7

2 Kompresija signala 8

2.1 Video kompresija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Digitalni video ulaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 MPEG-2 video kompresija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Kvantizacija - smanjenje sa 10 na 8 bita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.2 Izostavljanje horizontalnih i vertikalnih intervala zamracenja . . . . . . . . . 13

2.3.3 Pododabiranje hrominentnih komponenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.4 Diskretna kosinusna transformacija i kvantizacija . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.5 Diferencijalna kodna modulacija (DPCM) pokretnih slika . . . . . . . . . . . 14

2.3.6 Cik-cak skeniranje i RLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.7 Entropijsko kodiranje (Hafmanovo kodiranje) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4 Kompresija audio signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.1 Dolby Digital transformaciono kodovanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 MPEG-2 transportni tok 20

3.1 Programske specificne informacije (PSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4 Kanalsko kodovanje 25

5 QPSK modulacija 28

6 M-arna PSK modulacija 30

7 DVB-S 32

7.1 DVB-S modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7.2 Procesiranje signala na satelitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 DVB-S prijemnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.4 Uticaji na satelitski link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

8 DVB-S2 40

8.1 Povratno kompatibilni modovi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Arhitektura DVB-S2 sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.2.1 Blok adaptacije moda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.2.2 Blok adaptacije strima i FEC kodovanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8.2.3 Mapiranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8.2.4 Physical layer framing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

8.2.5 Filtriranje i modulacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.3 Performanse DVB-S2 sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.4 SDTV i HDTV difuzija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

8.5 Distribucija vise MPEG multipleksa do DTT predajnika . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2


3/53

8.6 Adaptivno kodovanje za servise tipa tacka-tacka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

9 Zakljucak 52

3


4/53

Slike

2.1 Izgled video linije kompozitnog signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Blok sema formiranja kompozitnog signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Blok sema formiranja komponentnog signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Digitalizacija luminentnog i hrominentnog signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Odabiranje komponenti u skladu sa ITU-BT.R601 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.6 Kodne reci za SAV i EAV u ITU-BT.R601 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.7 Dijagram nivoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.8 Blok sema kodovanja video signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.9 Blok sema intrafrejm kodovanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.10 GOP struktura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.11 Cik-cak skeniranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.12 Digitalizacija audio signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.13 Kompresija audio signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.14 Transformaciono kodovanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Struktura PES paketa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Primena PTS i DTS za sinhronizaciju bidirekcionog dekodovanja . . . . . . . . . . . 21

3.3 MPEG-2 transportni tok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4 Blok sema formiranja transportnog toka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.5 Elementi transportnog toka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.6 Zaglavlje transportnog paketa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.7 Adaptaciono polje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1 Blok sema kanalskog kodovanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Princip skremblovanja i deskremblovanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3 Dijagram sirenja energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.4 Povezivanje paketa nakon sirenja energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.5 Transportni paket posle RS kodovanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.1 QPSK modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.2 QPSK demodulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Blok sema sistema sa MPSK modulacijom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.2 Prostor stanja 8PSK signala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.1 DVB-S modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7.2 Inverzija sinhronizacionog bajta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.3 Reed-Solomon kodovanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.4 Interliving i deinterliving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.5 Fourney interliver i deinterliver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.6 Konvolucioni koder u DVB-S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.7 Elementi transpondera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.8 Blok sema LNB-a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4


5/53

7.9 DVB-S prijemnik bez MPEG-2 dekodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.10 Minimalan odnos C/N neophodan na prijemu, i odgovarajuci BER . . . . . . . . . . 38

8.1 Blok sema DVB-S2 modulatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428.2 Blok adaptacije moda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8.3 Adaptacija strima i FEC kodovanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438.4 Dijagrami konstelacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448.5 Prenosna karakteristika TWTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458.6 Spektralna efikasnost u zavisnosti od primenjene modulacije i kodnog kolicnika . . . 468.7 Spektralna efikasnost u funkciji odnosa C/N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.8 DVB-S2 konfiguracija za HDTV difuziju uz VCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.9 DVB-S2 konfiguracija za distribuciju vise DTT multipleksa . . . . . . . . . . . . . . 508.10 Promena nivoa zastite tokom fedinga usled kise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.11 Blok sema predaje i prijema DVB-S2 signala sa ACM . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5


6/53

Tabele

3.1 Struktura zaglavlja transportnog paketa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2 Segmenti adaptacionog polja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

8.1 Broj bita u zavisnosti od primenjene modulacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448.2 C/N gubici u satelitskom kanalu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488.3 Poredenje DVB-S i DVB-S2 sistema u difuziji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6


7/53

Glava 1

Uvod

Prijem analognih televizijskih signala se danas u velikoj meri ostvaruje putem satelitskih veza,sto se opravdava veoma lakom i jeftinom instalacijom. Isti satelitski sistemi se mogu koristiti zaemitovanje analognih i digitalnih televizijskih signala. U Evropi su digitalnim signalima dodeljeni

novi frekvencijski opsezi, dok su nekadasnji opsezi ostali zauzeti analognim televizijskim signalima.DVB-S (Digtal Video Broadcasting-Satelite) je izvorni DVB standard za kodiranje i modulaciju

satelitske televizije i primjenjuje se od 1995. godine za satelitske prenose koji pokrivaju podrucjana svim kontinentima sveta. Za transportno kodiranje DVB-S koristi MPEG-2.

DVB-S2 obuhvata servise SDTV i HDTV, interaktivni servisi sadrze internet pristup, a pro-fesionalni, distribuciju sadrzaja podataka. Razvoj DVB-S2 pokrenut je pojavom HDTV i H.264(MPEG-4 AVC) video kodiranja. DVB-S2 je zasnovan na skorasnjem razvoju kanalskog kodiranja(LDPC kodovi) u kombinaciji sa razlicitim modulacionim formatima (QPSK, 8PSK, 16APSK).

Ovaj rad je organizovan u devet poglavlja. U uvodnom poglavlju su nevedene uopstene karakte-ristike DVB-S i DVB-S2 sistema. Drugo poglavlje se bavi osnovnim konceptima digitalizacije audioi video signala, kao i metodama njihove kompresije. Organizacija arhitekture MPEG-2 transport-

nog toka je obuhvacena trecim poglavljem. Kako je prenos signala na velika rastojanja podlozandegradaciji, neophodno je implementirati odgovarajuce kanalsko kodovanje. U cetvrtom poglavljusu ob jasnjene osnovne metode i tehnike kojima se otklanja ju greske nastale pod utica jem razlicitihinterferencija. Peto poglavlje obuhvata karakteristike QPSK modulacije, dok je u sestom poglavljuobjasnjena M-PSK modulaciona tehnika. Kljucni segmenti DVB-S sistema su obradeni u sedmompoglavlju, pri cemu je DVB-S2, kao i komparacija ovih tehnika, u domenu SDTV i HDTV difuzije,prikazana u okviru poglavlja osam. Poglavlje devet donosi zakljucke o daljoj ekspanziji DVB-S iDVB-S2 sistema, sa osvrtom na buduce servise koji se mogu implementirati.

7


8/53

Glava 2

Kompresija signala

2.1 Video kompresija

U analognoj tehnologiji, od interesa je prenositi kompozitni video signal. Kompozitni signalsadrzi luminentnu, hrominentnu i sinhro komponentu, koje su multipleksirane u vremenskom, am-plitudskom i frekvencijskom domenu.

Slika 2.1: Izgled video linije kompozitnog signala

Deo aktivne linije odgovara luminentnoj komponenti. Njoj se dodaju dve hrominentne kom-ponente V i U, modulisane u kvadraturi. Luminentna komponenta je od 0 do 5.5MHz, dok suhrominentne komponente u opsegu od 0 do 1.5MHz.

Signal koji je veci od 0.7V upada u nelinearni deo karakteristike. Kako se u kompozitnomvideu, boja i osvetljaj prenose za jedno, moze se desiti da ukupni sig bude veci od 0.7V. Potrebno

je obezbediti da luminentna komponenta bude sto preciznija, pa se ona prenosi u amplitudskomopsegu od 0 do 100% (do 0.7V). Hrominentnu komponentu nije neophodno precizno preneti, pamoze upasti i u nelinearni deo, sto proizilazi iz cinjenice da oko nije toliko osetljivo na boju.

Aktivni deo slike se sastoji od zbira luminentne i dveju hrominentnih komponenti, i nalaze sena kraju spektra. Informacija o podnosiocu bo je, koji hrominentne komponente pomera na visefrekvencije nosi naziv

color burst i nalazi se na

back porch-u, pri cemu zajedno sa sinhro-

8


9/53

impulsom popunjava neaktivni (povratni interval) deo slike. Sinhro-impuls sluzi za sinhronizacijuvremenske baze, tj. omogucava kretanje mlaza s leva na desno.

Slika 2.2: Blok sema formiranja kompozitnog signala

Slika 2.3: Blok sema formiranja komponentnog signala

U digitalnoj tehnologiji, od interesa je digitalizovati komponentni video signal. Sama cinjenicada se u kompozitnom signalu prenose sinhro impulsi, multipleksirani sa hrominentnim i luminent-nom komponentom, dovodi do zakljucka da se vrsi i digitalizacija nepotrebnih podataka (sinhroimpulsi). Takode se digitalizacijom komponentnog signala, ostavlja mogucnost razlicitog odmerava-nja luminetne i hrominetnih komponenata, sto omogucava dodatnu ustedu informacionog protoka.Komponentni video je dobar za digitalizaciju jer se prenosi samo aktivni deo linije ciji se pocetaki kraj oznacavaju sinhro-grupama.

U komponentnom standardu, postoji dosta slobodnog prostora u povratnim intervalima. Unjih se mogu smestiti razne informacije. Niz sve nule ili sve jedinice se koriste za sinhronizaciju, s

obzirom da se ne ocekuje da realni signali cesto imaju takve vrednosti. Linije koje u analognomstandardu odgovaraju povratnom intervalu, ostavljaju se u digitalnom standardu za prenos nekihpomocnih informacija. Povratni interval se zove blanking interval. Na primer, embeded audio

9


10/53

znaci prenos audija u blanking intervalu. Audio nosi tako malu kolicinu informacija, da bi semogao smestiti u povratni interval. Kodovanje pomocnih podataka, u blanking intervalu, se mozeobavljati sa 10 bita, a u aktivnoj liniji sa 8 bita.

2.2 Digitalni video ulaz

Akvizicija nekomprimovanog, digitalnog video signala, baziranog na originalnom CCIR stan-dardu (CCIR601), projektovanog kao ITU-BT.R601, u upotrebi je duze vreme.

Kamerom se dobijaju analogne boje crvena, plava i zelena, koje se potom udruzuju kako bi sedobili luminentni Y signal i hrominentni signali (razlike boja Cb i Cr).

Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B (2.1)

Cb= 0.56(B Y) (2.2)

Cr= 0.71(R Y) (2.3)

Opseg luminentnog signala je ogranicen na 5.75 MHz, koriscenjem NF filtra. Medutim, ra-zlike bo ja su ogranicene na 2.75 MHz, zbog sasme ogranicenosti oka (ljudsko oko ne vidi boju naucestanosti iznad 1.5 MHz). U analognoj televiziji (NTSC i PAL ) hrominentne komponente suogranicene na oko 1.3 MHz.

Slika 2.4: Digitalizacija luminentnog i hrominentnog signala

A/D konvertor za aspektni odnos 4:3, u luminentno j grani radi sa ucestanoscu od 13.5 MHz, au hrominentnim granama sa ucestanoscu od 6.75 MHz, a za aspekt 16:9 radi sa ucestanostima 18MHz i 9 MHz respektivno.

Izlazni signali iz konvertora mogu imati rezoluciju od 8 ili 10 bita. Rezolucija od 10 bita

rezultuje ukupnim protokom od 270 Mbit/s, koji je dobar za studijsku obradu i prenos (jedinstveniformat tokom celog lanca), ali za standardno emitovanje je prevelik. Odbirci se udruzuju sledecimredosledom: Cb Y Cr Y Cb. Luminentni signal Y menja mesto sa jednim od hrominentnih signala

10


11/53

Cb ili Cr, pri cemu je dvostruko vece pojavljivanje vrednosti Y nego vrednosti Cb ili Cr. Ovopredstavlja format odabiranja 4:2:2, za razliku od formata 4:4:4 pri formiranju signala Y, Cb i Cr.

Unutar protoka podataka nalaze se specijalni kodovi kojima se oznacava pocetak SAV (Startof Active Video) i kraj EAV (End of Active Video) aktivnog video signala. Izmedu EAV i SAVse nalazi horizontalni interval zamracenja koji nema informacije vezane za video signal, tj. nema

sinhronizacionih impulsa.Sasto je se od cetiri kodne reci sa po 8 do 10 bita. SAV i EAV pocinju sa jednom kodnom reci

u kojoj su svi biti jedinice, zatim slede dve reci u kojima su svi biti nule. Cetvrta kodna rec sadrziinformacije o doticnim poljima ili vertikalnom intervalu zamracenja respektivno. Ovu kodnu reckoristimo za detekciju pocetka frejma, polja i zone aktivne slike u vertikalnom pravcu. Bit na jvecegznacaja u ovoj reci je uvek jedinica. Sledeci bit (bit 8 u 10-to bitnom prenosu ili bit 6 u 8-o bitnomprenosu) obelezava polje; ako je nula radi se o liniji prvog polja, u suprotnom radi se o drugompolju (neparna polu-slika ili parna polu-slika). Sledeci bit (bit 7 u 10-to bitnom prenosu ili bit 5u 8-o bitnom prenosu) obelezava aktivnu zonu videa u vertikalnom pravcu; ako je nula radi se ozoni aktivnog videa koja se vidi, u suprotnom radi se o vertikalnom blanko intervalu. Bit 6 (od 10bita) ili bit 4 (od 8 bita) daje informaciju da li se radi o SAV (bit je postavljen na nulu) ili EAV

(bit je postavljen na jedinicu). Biti 5...2 (od 10 bita) ili biti 3...0 (od 8 bita) se koriste za zastitiod gresaka SAV i EAV kodnih reci.

Slika 2.5: Odabiranje komponenti u skladu sa ITU-BT.R601

Slika 2.6: Kodne reci za SAV i EAV u ITU-BT.R601

F = Polje (0 = prvo polje, 1 = drugo polje)

V = vetikalno zamracenje (1 aktivan je vertikalan interval zamracenja)

H = SAV/EAV identifikacija (0 = SAV, 1 = EAV)

P0, P1, P2, P3 = zastitni biti (Hamingov kod)

11


12/53

Ni luminentni Y signal, ni signali razlika bo ja (Cb i Cr) ne koriste pun dinamicki opseg koji imje dostupan. Postoji zabranjeni prostor koji je rezervisan ili za cist profil ili za laksu identifikacijuSAV i EAV. Prostor Y signala je izmedu 16 i 235 decimala (8 bita) ili izmedu 64 i 940 decimala (10bita). Dinamicki domet signala, razlike bo ja, je izmedu 16 i 240 decimala (8 bita) ili izmedu 64 i 960decimala (10 bita). Zona izvan ovog dometa je iskoriscena kao cist profil ili za svrhe sinhronizacije

identifikatora.

Slika 2.7: Dijagram nivoa

Ovaj video signal je obicno na raspolaganju kao SDI (Serijski digitalni inerfejs) signal, koji jeulazni signal MPEG kodera.

2.3 MPEG-2 video kompresija

Kompresija podataka se sastoji u otklanjanju nevaznih (nepotrebnih) ili redudantnih (suvisnih)informacija iz toka podataka. Suvisne informacije su informacije koje su razbacane po toku poda-taka, mogu biti informacije bez sadrzaja ili prosto informacije koje se mogu pomocu matematickihprocesa lako i bez gubitaka povratiti na mestu prijema. Smanjenje redudanse se moze posticikoriscenjem tkz. kodovanja sa promenjljivom duzinom. Tako mesto slanja deset nula, informacijadeset puta nulase salje specijalnim kodom koji je mnogo kraci.

Nevazne informacije su informacije koje ljudska cula ne mogu da percipiraju. Kod video signalapostoje komponente koje oko ne moze da zabelezi zahvaljujuci anatomskom sklopu. Oko je viseosetljivo na sjajnost, a manje na boju. Smanjenje opsega kolor informacije je postignuto smanjenjemostrine unutar boje (sitniji detalji nemaju boju). Metode za smanjenje kolicine podataka kao stosu npr. JPEG i MPEG, su upravo zasnovane ovim osobinama. Smanjenje nevaznih informacijase uvek vezuje za nepovratan gubitak informacija. Da bi se postigao sto veci faktor kompresije,MPEG-a, primenjuju se sledeci koraci:

Primenjuje se rezolucija kvantizacije od 8 bita umesto 10 bita

Zanemaruje se horizontalni i vertikalni interval zamracanja

Vrsi se pododabiranje hrominentnih komponenti (4:2:0)

Primenjuje se diferencijalna impulsna kodna modulacija (DPCM) pokretnih slika

Primenjuje se diskretna kosinusna transformacija (DCT) pracena kvantizacijom

12


13/53

Cik-cak skeniranje i kodovanje sa promenljivom duzinom

Hafmanovo kodovanje

Slika 2.8: Blok sema kodovanja video signala

2.3.1 Kvantizacija - smanjenje sa 10 na 8 bita

U klasicnoj analognoj televiziji za odlican kvalitet video signala odnos signal/sum (SNR) je48 dB. Tada kazemo da je komponenta suma ispod praga koje moze da registruje ljudsko oko.Sum kvantizacije za osmobitni nivo je vec ispod ovog praga, tako da je desetobitni nivo potpunonepotreban osim za studio (olaksana je postprodukcija i rezultati su bolji). Ako se uporede protokpodataka za ITU-BT.R601 i protok za 8 bita dobija se dobitak brzine podataka za 20% ((10-8)/10= 2/10 = 20%). Ovo spada u nepovratne gubitke na prijemu. Dobija se da je nivo suma porastaoza 12 dB. Shodno tome, bitski protok iznosi 216 Mb/s.

2.3.2 Izostavljanje horizontalnih i vertikalnih intervala zamracenja

Kako ovi intervali ne sadrze korisne informacije, oni se mogu iskoristiti za prenos dodatnihinformacija (zvuk, podaci ...), koje se emituju posebno kodovane, po standardu MPEG. Intervalise potpuno izostavljaju, ali bez problema se regenerisu na prijemu sa svim svojim podacima.

Ustede koje se postizu za PAL su:

8% = 50/625, jer je 575 linija vidljivo od 625 (izostavljeno vertikalno zamracenje)

25% = 52/64 + preklapanja izmedu dobitaka (dobitak po liniji 19%), jer aktivna zona videatraja 52 s od trajanja linije 64s

Ovom ustedom se dobija protok od 166 Mb/s.

2.3.3 Pododabiranje hrominentnih komponenti

Signali razlika boja se odabiraju sa dvostruko manjom ucestanoscu, u odnosu na luminentansignal. Sirina opsega je smanjena sa 5.75 MHz (za luminentnu komponentu) na 2.75 MHz. Ovajsignal 4:2:2 ima smanjenu rezoluciju u horizontalnom pravcu. Posto ljudsko oko nije sposobno darazlikuje horizontalnu i vertikalnu rezoluciju za boju, moguce je smanjiti i vertikalnu rezoluciju

bez vidljivog efekta. To se obicno radi medu prvim koracima u MPEG-2 kompresiji i tako signalpostaje 4:2:0. Ova redukcija uslovljava smanjenje za 25% vrednosti podataka, tj. dobija se protok124.5 Mb/s.

13


14/53

2.3.4 Diskretna kosinusna transformacija i kvantizacija

Osnovne osobine DCT su visok stepen pakovanja energije, kao i raspolozivost brzih algoritamaza njeno izracunavanje. Svojstvo pakovanja energije ima za posledicu da svega nekoliko DCTkoeficijenata ima znacajne vrednosti, pa se moze smatrati da je u njima sadrzana skoro celokupnaenergija signala.

Sitniji detalji predstavljaju visoke frekvencije, pa je moguce dozvoliti vise suma, jer se to ne mozepercipirati okom. Krupni detalji se kodiraju sa finijom kavantizacijom i to je uvek nizi frekvetniopseg, dok se sitni detalji kodiraju grubom kvantizacijom radi ustede kolicine podataka.

Koristi se dvodimenzionalno transformaciono kodiranje. Slika se deli u blokove velicine 8x8piksela, pri cemu se prelazi u domen prostornih frekvencija.

DCT slike dimenzije NxN, cija je funkcija osvetljaja x(k,l), gde su k,l koordinate odgovarajucegpiksela na posmatranoj slici, data je sledecim relacijama:

X(0, 0) = 1

N

N1k=0

N1l=0

x(k, l) (2.4)

X(u, v) = 2

N

N1k=0

N1l=0

x(k, l)cos

(2k+ 1)u

2N

cos

(2l+ 1)v

2N

(2.5)

Koeficijent X(0,0) naziva se jednosmernom komponentom slike, dok se ostali koeficijenti nazivajunaizmenicnim komponentama.

Rezultat transformacije je opet 8x8 matrica piksela, ali u frekvencijskom domenu. Prvi koefi-cijent prve vrste je koeficijent jednosmerne komponente, koja odgovara jednosmernoj komponenticelog bloka. Drugi koeficijent odgovara energiji najkrupnije strukture slike u horizontalnom pravcu,dok poslednji koeficijent u prvoj vrsti odgovara energiji najfinije strukture slike u horizontalnompravcu. Prva kolona bloka sadrzi od vrha do dna energije na jkrupnijih struktura slike do najfinijihstruktura slike u vertikalnom pravcu.

Svi koeficijenti se dele odgovarajucim kvantizacionim faktorima. MPEG standard definise kvan-tizacione tabele, ali one mogu biti zamenjene bilo kojim kompresorom sa nekim od svojih tabela(primer: koriscenje vfw kodera kao xvid). Da bi bila moguca dekompresija, moraju se preneti itabele. Kvantizacija dovodi do pojave velikog broja nula. Matrica je relativno simetricna po dija-gonali. Matrica se cita u cik-cak procesu skeniranja koja dovodi do pojave velikog broja susednihnula. One mogu biti kodirane sa promenljivom duzinom (VLC) u sledecem koraku i to dovodi dovelikog smanjenja podataka. Kvantizacija kontrolise protok podataka elementarnog video toka.

2.3.5 Diferencijalna kodna modulacija (DPCM) pokretnih slika

Susedni frejmovi se veoma malo razlikuju. Video signal sadrzi stacionarne oblasti koje se ne

menjaju od frejma do frejma, vec menjaju samo svoj polozaj (sto moze rezultovati dodavanjuobjekata). Da se ne bi prenosili kompletni frejmovi, koristi se metoda prenosa samo razlike oblasti,tj. delta vrednosti.

Posle A/D konverzije kontinualni, analogni signal dobija diskretne vrednosti uzete u jednakimvremenskim intervalima. Ovo odgovara impulsnoj kodnoj modulaciji (PCM). Razlike susednihodbiraka u praksi nisu velike zbog prethodnog ogranicenja sirine opsega. Prenosenjem ove razlikeznacajno se smanjuje velicina prenesenih podataka.

Glavni problem lezi u cinjenici, da posle ukljucenja prekidaca, ili po javom gresaka pri prenosu,treba puno vremena, kako bi se demodulisani signal, u vremenskom domenu, u izvesnoj meriprilagodio izgledu originalnog signala. Ovaj problem se resava tako sto se u pravilnim vremenskimintervalima prenose prvo kompletni odbirci, pa onda nekoliko razlika koje opet prate kompletni

odbirci.Prvo je potrebno podeliti frejm na blokove velicine 16x16 piksela za luminentni signal, i 8x8

piksela za svaku hrominentnu komponentu. Formiraju se makroblokovi, pri cemu se bro j vertikalnih

14


15/53

i horizontalnih piksela bira tako da budu deljivi sa 16 (Y: 720 x 576 piksela). Na odredenimintervalima se formiraju kompletni referetni frejmovi (intra kodirani I frejmovi), a izmedu njih senalaze delta frejmovi (inter kodovani frejmovi).

Formiranje razlike, na nivou makroblokova, obuhvata uporedivanje sadasnjeg makrobloka saprethodnim, odnosno ispituje da li je bilo promene. Ako je doslo do prostog pomeranja, prenosi se

samo vektor pokreta. Takode, je moguce i prenositi razliku, uz postovanje prethodnih makroblo-kova. Ako nije bilo promene, ni pomeraja, onda se nista ne prenosi. Ako nema nikakve uzajamneveze sa susednim, prethodnim makroblokom, onda se makroblok u potpunosti cuva. Slike dobijeneprostom predikcijom unapred se zovu P slike. Postoje i bidirekcioni (B) frejmovi (predikcija una-pred i unazad). B frejmovi sadrze na jmanju kolicinu podataka. Skup frejmova izmedu dve I slikese naziva GOP (Group Of Pictures).

I frejm je intrakodovana slika, intraimageima samo prostornu DCT. Ima najvecu kolicinuinformacija, i predstavlja kodovanje bez reference na bilo koju drugu sliku, ali zato predstavljareferencu za druge slike. Koriste se kao osnova za predikciju cele GOP (za predikciju P I B slika).GOP mora da sadrzi bar jedan I frejm i redosled kodovanja mora poceti I frejmom.

Slika 2.9: Blok sema intrafrejm kodovanja

P frejm(prediktivni ram), sadrzi sadasnji ram i vektor pokreta (prenosi se razlika prethednog isadasnjeg rama i vektor pokreta). DCT kodovana sa referencom na prethodnu referentnu sliku (kojamoze biti prethodna I ili P slika). Memorise se u baferu kodera i dekodera koristi samo direktnu

predikciju (unapred). Vektor pokreta moze da se formira samo unapred kod P slika. Makroblok sapredikcijom

unapred zavisi od dekodovanih piksela neposredne, prethodne referentne slike.

B frejm (bidirekcioni frejm). Bidirekciona predikcija zavisi i od prethodnog i od buducegfrejma. Nije strasno ako se izgubi, dobijaju se samo iseckani pokreti. Vektor pokreta je linearnakombinacija sa razlicitim tezinama. U redosledu dekodovanja GOP moze poceti B frejmom nemafiksnu poziciju u GOP. I i P su fiksne slike dok B ide razlicito na ulazu u dekoder i pri prikazivanju.Koduju se DCT sa referencom na bilo koju prethodnu referentnu sliku, narednu ili obe. Koristepredikciju unapred i unazad (bidirekcioni). Dobija se interpolacijom izmedu prethodne i naredneslike. Kada se dobije I i P frejm, iz njih se moze formirati B.

Kada se komprimuje delta frejm, sistem trazi u prethodnom frejmu (predvidanje unapred P) iverovatno i u sledecem frejmu (bidirekcioni B) odgovarajucu informaciju makrobloka, u okruzenju

frejma, koji treba da se kompresuje. Koristi se princip uporedivanja bloka, sa odgovarajucompretrazenom oblascu oko makrobloka. Ako se odgovara juci blok nada, kako ispred tako i iza (slucajbidirekcionog kodovanja), vektori pokreta su odredeni unapred i unazad i preneseni. Takode, bilo

15


16/53

koji dodatni blok, koji moze biti neophodan, se prenosi, i unapred i unazad. Ako se odvojeno deltablokovi kodira ju koristeci DCT sa kvantizacijom, moze se ustedeti velika kolicina memorijskihresursa.

Grupa slika se sastoji od odredenog broja P i B slika, pri cemu prate odredenu strukturuuredenja izmedu dve I slike. Uobicajena struktura se sastoji od 12 frejmova. Po MPEG standardu

GOP struktura ne mora biti fiksna. Da ne bi bilo zauzeto previse memorijskog prostora na prijemu,GOP struktura se menja tokom prenosa, kako bi doticna predikcija unazad bila dostupna preaktuelne B slike.

Slika 2.10: GOP struktura

P ili I slike, koje prate B slike, su dostupne na mestu prijema pre odgovarajucih B slika, imogu da se dekompresuju. Rezervisani memorijski prostor na mestu prijema je moguce izracunatii ogranicen je. Brojevi frejmova se moraju kodirati na neki nacin, kako bi se mogao uspostavitioriginalan redosled. Zato se koristi pecat vremena dekodiranja (DTS) cije su vrednosti sadrzaneunutar zaglavlja PES.

2.3.6 Cik-cak skeniranje i RLC

Cik-Cak skeniranjem se vrsi ocitavanje vrednosti iz DCT matrice, pri cemu se vrsi transformacijadvodimenzionalne matrice u tok podataka. Cik-Cak skeniranjem se brzo

istrose niske frekvencije,

a osta ju visoke, gde po pravilu ocekujemo veliki bro j nula.

Slika 2.11: Cik-cak skeniranje

16


17/53

Run Lenght Coding (RLC) definise sekvence za pocetak i kraj ponovljene vrednosti. Kodujuse samo vrednosti razlicite od nule, zajedno sa bro jem nula.

2.3.7 Entropijsko kodiranje (Hafmanovo kodiranje)

Osnovni princip Hafmanovog kodiranja je dodeljivanje kodnih reci promenljive duzine simbolimaiz posmatranog skupa simbola. Na ta j nacin se dobija kod sa minimalnom redundansom. Prosecanbroj bita, za kodiranje svakog od simbola je minimalan.

Hafmanov algoritam se sastoji od sledecih koraka:

skup simbola se uredi po nerastucim vrednostima apriori verovatnoca pojavljivanja

udruze se dva simbola, sa najmanjim vrednostima apriori verovatnoca, u novi simbol cija jeapriori verovatnoca jednaka zbiru njihovih apriori verovatnoca

preuredi se skup novih simbola po nerastucim vrednostima apriori verovatnoca

ponovi se proces udruzivanja simbola sa najmanjim apriornim verovatnocama

formira se novi simbol cija je apriori verovatnoca jednaka zbiru njihovih apriori verovatnoca

postupak se ponavlja sve dok se ne dobije jedan simbol cija je apriori verovatnoca jednakajedan

u procesu udruzivanja, binarni simbol

0 se dodeljuje gornjem simbolu, a binarni simbol

1donjem simbolu

kodna rec svakog simbola formira se kao niz dodeljenih binarnih simbola, pocevsi od simbolacija je apriori verovatnoca jednaka jedan

2.4 Kompresija audio signala

Dinamicki opseg ljudskog uha je oko 140dB, dok je opseg cujnosti od 20Hz do 20kHz. Zatosvi visoko-kvalitetni audio signali moraju da odgovaraju ovim karakteristikama. Pre odabiranjai digitalizacije, sirina opsega se ogranicava NF filtrima. Konverzija se obavlja sa ucestanostimaodabiranja 32kHz (MPEG standard), 44.1kHz (audio CD kvalitet), 48kHz (studijski kvalitet) i96kHz (studijski kvalitet), i rezolucijom kvantizacije od 16 bita. Ucestanost odabiranja 48kHz sarezolucijom 16 bita daje protok podataka 786kb/s po kanalu sto ukupno cini 1.5 Mb/s za stereosignal.

Slika 2.12: Digitalizacija audio signala

17


18/53

Osetljivost uha zavisi od ucestanosti. Maksimalna osetljivost je u podrucju oko 3 - 4 kHz, pricemu osetljivost opada ka visim ili nizim ucestanostima.

Veoma bitna osobina sluha je maskiranje. Ako postoji jedan zvuk odredene jacine na jednojucestanosti, on ce maskirati ostale komponente koje se nalaze oko ove ucestanosti, ukoliko nisuizvan praga maskiranja. Sto je veca ucestanost signala maskiranja to je i veca zona maskiranja.

Snazan impuls u vremenskom domenu moze da maskira zvucne signale, koji se javljaju pre iliposle impulsa, pod uslovom da su njihovi nivoi ispod odredenog praga. Ovo predstavlja vremenskomaskiranje.

Kompresija se realizuje zahvaljujuci cinjenicama da slozeni zvucni signali sadrze redundansneinformacije i informacije koje culo sluha ne moze da percepira. U procesu kompresije sprovodese transformacije kojima se uklanjaju redundansne i sluhu nedostupne informacije, pa se dobitakmanifestuje smanjenjem bitske brzine pri prenosu. Pristup kompresiji audio signala moze se rea-lizovati na dva nacina: kao kompresija bez gubitaka (lossless coding) i kao kompresija koja unosiizvesne promene u signalu, za koje se postavlja cilj da slusaocu budu sto manje primetne. Kom-presija bez gubitaka moguca je do granice bitskih protoka 256 kbita/s (s pocetnih 1,5 Mbita/s kodstereo signala pri frekvenciji domeravanja 48 kHz i 16-bitnom konverzijom). Eventualna potreba za

daljom kompresijom, to jest smanjenjem bitskog protoka, povlaci za sobom perceptivne promene uzvucnoj slici. Obim tih promena zavisi od karaktera signala koji se prenosi, njegovog spektralnogsadrzaja i dinamickih svojstava njegove obvojnice. Ovde pojam

kompresija bez gubitaka treba

shvatiti uslovno, jer se to odnosi na prosecne uslove slusanja.Kompresija bez gubitaka zasniva se na prilagodavanju kolicine informacija kojom se signal

reprezentuje mogucnostima percepcije zvuka. Ona se zasniva na dve vazne cinjenice. Prva je da urealnim audio signalima posto je delovi koji prirodno nose smanjenu kolicini informacija. Na primer,ako u signalu postoji segment tisine, u standardnom obliku signala i taj deo ce se kodovati istimbrojem bita kao i delovi koji su informaciono bogati. Takode, delovi signala malih amplituda moguse predstavljajti s manjim brojem bita. Najzad, pri istovremenom prenosu vise signala, kao naprimer u stereo sistemima, postoji redundansa usled slicnosti signala u kanalima, sto takode donosi

mogucnost za smanjenje kolicine informacija koje treba kodovati. Druga bitna cinjenica je da culosluha zbog svojih ogranicenja ne moze da percepcira sve sto sadrzi kompleksan zvuk. Zbog togase rad algoritama za kompresiju zasniva na poznavanju mehanizma procesa slusanja, pa se nazivaperceptivno kodovanje.

Slika 2.13: Kompresija audio signala

Ulazni signal se spektralno analizira bankom filtara koji su, po svojoj strukturi, izvedeni izperceptivne rezolucije uva po frekvencijama (kriticni opsezi). Nakon toga se, u svakom opsegu,signal analizira sa aspekta njegove cujnosti. U tom smislu su za svaki pojedinacni frekvencijskiopseg bitne dve cinjenice:

koji zvucni sadrzaji nisu cujni zbog efekta maskiranja iz susednih opsega

koliki je maksimalni dozvoljeni nivo suma kvantizacije u svakom od opsega a da on pri tomebude perceptivno necujan.

18


19/53

Nakon takve analize koduju se samo one komponente koje u slozenoj zvucnoj slici slusalac mozecuti, i pri tome u minimalnoj rezoluciji koja omogucava neprimetnost suma kvantizacije.

2.4.1 Dolby Digital transformaciono kodovanje

Slika 2.14: Transformaciono kodovanje

U ovom slucaju se ne koriste filtarske banke za filtriranje podopsega, vec se deljenje audioinformacije u fekvencijskom domenu obavlja varijacijom diskretne Furijeove transformacije (DFT).Koristeci DFT ili modifikovanu verziju iste (MDFT), audio signal se obraduje tako da daje 256ili 512 vrednosti spektralne snage. Istovremeno, kao kod kodiranja podopsega, FFT se izvrsavasa relativno visokom rezolucijom u frekvencijskom domenu. Izlazi FFT-a preko psihoakusticnogmodela kontrolisu kvantizaciju vrednosti snage iz izlaza MDFT, da li ce kvantizacija biti gruba ilifina ili u potpunosti potisnuta. Ovaj metod je bolji od prethodnog zato sto nudi visu frekvencijskurezoluciju za procese smanjenja nevaznih informacija. Primer ove metode je Dolby digital AC-3.

19


20/53

Glava 3

MPEG-2 transportni tok

Elementarni video tok predstavlja tok bita koji reprezentuju odgovarajuce slike (koje ne morajubiti pravilnog redosleda), pri cemu je vreme potrebno za prenos varijabilno. Primarna namena jeza transport TV programa na velike udaljenosti, u okruzenjima podloznim unosu velikih broja

gresaka (BER


21/53

Slika 3.2: Primena PTS i DTS za sinhronizaciju bidirekcionog dekodovanja

Na slici 3.3, se moze uociti da je PES1 podeljen izmedu transportnih paketa TP1,TP3 i TP4,dok PES2 odgovara transportnom paketu TP6.

Zaglavlje paketa je 4 bajta, dok ostalih 184 bajta cine korisni podaci (payload), predvodeniopcionom adaptacionom zonom (AF).

Korisni podaci su PES-ovi koji sastavljaju TV program. Njima su dodati odredeni podaci, kojiomogucavaju dekoderu snalazenje unutar MPEG-2 transportnog toka.

Slika 3.3: MPEG-2 transportni tok

21


22/53

Slika 3.4: Blok sema formiranja transportnog toka

Slika 3.5: Elementi transportnog toka

Transportni paket treba da prenosi podatke samo od jednog PES paketa i taj PES paket uvekpocinje na pocetku dela korisnih podataka i zavrsava se na njegovom kraju.

Kako su transportni paketi kraci od PES paketa (188 bajta naspram 2048 bajta), obavlja sedeljenje PES paketa u blokove po 184 ba jta. Posto duzina PES paketa nije celobro jni proizvod 184bajta, adaptaciono polje (AF) poslednjeg transportnog paketa se koristi za prenos poslednjeg delaPES paketa duzine 184 bajta, od kojeg se oduzima broj bajtova zaostalih u PES paketu.

Struktura zaglavlja transportnog paketa je definisana na slici 3.6, pri cemu su relevantni para-metri dati tabelarno.

22


23/53

Slika 3.6: Zaglavlje transportnog paketa

Tabela 3.1: Struktura zaglavlja transportnog paketa

Polje: Objasnjenje: Broj bita:

Sync byte Sinhronizacioni bajt (47 hex) 8

EI Transport error indicator 1

PUSI Payload unit start indicator (pocetak PES u paketu) 1

TPR Transport priority (indikator prioriteta) 1

PID Packet identifier (identifikuje sadrzaj paketa) 13

SCR flags Transport scrambling flags (tip skremblinga) 2

AF Adaptation field control (prisustvo adaptacionog polja u paketu) 2

CC Continuity counter 4

Slika 3.7: Adaptaciono polje

Tabela 3.2: Segmenti adaptacionog polja

Polje: Objasnjenje: Duzina:

Adaptation field length Ukupna duzina adaptacionog polja (y-1) bajt

Flags Informacija o sledecem polju 1 bajt

Optional fields Polje opcionih podataka x bajta

Stuffing Popuna (y-x-1) bajt

23


24/53

3.1 Programske specificne informacije (PSI)

U okviru transportnog toka, svaki elementarni strim poseduje drugaciji PID, pa je demultiplek-seru neophodno preneti informaciju o znacenju PID-ova, kao i koji audio signal pripada kom videu.Ovo je funkcija PSI.

Kada dekoder zapocne rad, on mora pretraziti sve pakete koji poseduju PID nula. PID nula jerezervisan za Program Association Table (PAT). PAT se prenosi u regularnim intervalima, i sadrzilistu svih programa u okviru posmatranog transportnog toka. Dalje se svaki program opisuje svojimProgram Map Table (PMT), pri cemu se PID-ovi PMT-a nalaze u PAT.

PID elementarnog video strima, se definise za jedno sa PID-ovima audio i data strima. Kadase, od strane korisnika, odabere odgovarajuci program, demultiplekser pretrazuje broj programau PAT, nalazi pravi PMT i zapocinje sa citanjem audio, video i data PID-ova. Nakon toga, biraelementarne tokove koji imaju ove PID-ove, iz transportnog toka i rutira ih ka dekoderu.

Program 0 u okviru PAT, sadrzi PID koji se odnosi na Network Information Table (NIT).Ovde je sadrzana informacija koja se odnosi ostale transportne tokove, koji su dostupni. U slucaju

satelitskog prenosa, NIT sadrzi podatke o orbiti, polarizaciji, frekvenciji nosioca i modulacionojsemi. Koristeci NIT, set-top-box se automatski prebacuje izmedu transpornih tokova. PID jedinica,je rezervisan za Conditional Access Table (CAT), sto predstavlja mehanizam kontrole pristupa, kojije neophodan za

pay per view servis.

24


25/53

Glava 4

Kanalsko kodovanje

Emisioni kanali nisu imuni na greske usled razlicitih faktora koji uticu na koristan signal. Koddigitalnog TV signala, kada su svi redudantni signali uklonjeni, postoji potreba za veoma malimBER-om, kako bi se postigle zadovoljavajuce perfomanse.

Knalsko kodovanje se primenjuje na signal, nakon izvornog kodovanja, cime se ostvaruje njegovazastita.

Kanalsko kodovanje tipa FEC vrsi zastitu uvodenjem redundantnosti. Ima za cilj formiranjequasi error free (QEF) kanala. Dodaje se odgovarajuca kolicina bita, sa ciljem zastite korisneinformacije. Kodovi se prema nacinu uvodenja suvisnosti dele na: blokovske kodove i konvolucionekodove. Formira se virtuelni kanal koji predstavlja QEF kanal. U ovom kanalu je BER


26/53

Slika 4.2: Princip skremblovanja i deskremblovanja

Slika 4.3: Dijagram sirenja energije

Deo koji je odgovoran za vracanje u red, u okviru prijemnika, mora da locira pocetak sekvence,sinhronizacioni bajt prvog paketa sekvence se invertuje (47 hex postaje B8 hex), dok ostalih sedamostaju nepromenjeni. Da bi se obezbedilo da sinhronizacioni bajtovi ne budu skremblovani, enableulaz nije aktivan, ali se pseudo-slucajne sekvence ne prekidaju. Sledeca slika pokazuje sekvencutransportnog paketa na izlazu kola za sirenje energije:

Slika 4.4: Povezivanje paketa nakon sirenja energije

Reed-Solomon kodovanje: primenom ovog kodovanja, postize se zastita povorke unapred.Predstavlja blokovski, ciklicni kod. Verovatnoca greske Reed-Solomon kodovanog signala je manja,sto se moze ekvivalentirati kao da je upotrebljena veca snaga predajnog uredaja. Smanjenje ve-rovatnoce greske se moze postici povecanjem snage signala ili RS kodovanjem. Na skremblovanuTS povrku od 188 bajtova dodaje se jos 16 bajtova za korekciju greske. Omoguceno je ispravitido (204-188)/2=8 gresaka po paketu. Podaci ostaju nepromenjeni, samo se dodaju biti parnosti.Pogodni su za korigovanje burstova (grupe) gresaka. Osnovne k-ke su: ispravlja greske unapred,ciklican je i blokovski, koristi se kad god ocekujemo sum.

26


27/53

Slika 4.5: Transportni paket posle RS kodovanja

Forney kodovanje: povecava efikasnost Reed-Solomon kodovanja, tako sto tokom dugog vre-menskog intervala, siri eksploziju gresaka koje unosi kanal i koje mogu da prekorace sposobnostispravljanja RS kodovanja.

Unutrasnje konvoluciono kodovanje: jaka redudansa koju unosi osnovno konvolucionokodiranje (100% posto konvolucioni koder stvara dva izlazna bitska toka od kojih svaki ima istubitsku brzinu kao i ulazni tok) omogucava izvanrednu korekciju greske, sto je neophodno kod signalasa losim odnosom signal/sum (SNR) na ulazu prijemnika, pri cemu spektralnu efikasnost kanalaumanjuje za faktor dva. U ovom slucaju se, X i Y izlazi konvolucionog kodera vode direktno na I i Q

ulaze QPSK modulatora. Ovakvo konvoluciono kodiranje dozvoljava umanjenje redudanse pomocuprobijanja izlaznih vrednosti konvolucionog kodera, pri cemu ukljucuje uzimanje samo jednog oddva istovremena bita sa odredenom brzinom probijanja. I i Q tokovi koji se koriste za modulaciju sudobijeni od odgovarajucih naizmenicnih I i Q izlaza, kako bi se dobila dva balansirana bitska toka.Brzine koda probijanja su standardizovane (Rc = 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) i predstavljaju odnos izmeduulaznih i poslatih bitskih brzina. Ove vrednosti se dobijaju mnozenjem osnovne konvolucionebrzine (1/2) obrtanjem brzine probijanja (ulazni biti/izlazni biti). Probijanja povecava kapacitetprenosnog kanala na racun smanjenja slobodnog rastojanja (dfree), koje je mera efikasnosti korekcijekoda.

27


28/53

Glava 5

QPSK modulacija

PSK (Phase-shift keying) je tehnika digitalne modulacije kod koje se podaci prenose promenom(ili modulacijom) faze referentnog (noseceg) prosto-periodicnog signala. Za predstavljanje digitalnihpodataka uvodi se konacan broj faza. Svaka faza predstavlja odredeni bro j bita digitalnog podatka.

Bitovi koje se predstavljaju jednom fazom cine jedan simbol. Kod 4-PSK (ili QPSK) postoje 4faze, a simboli su dvobitni, kod 8-PSK postoji 8 faza, a simboli su trobitni itd. U demodulatoru seodreduje faza primljenog signala i rekonstruise prvobitni niz bitova.

Slika 5.1: QPSK modulator

Glavna ideja je koriscenje kvadraturnog modulatora gde postoje dve staze I i Q koje sumedusobno ortogonalne. Na izlazu se dobija suma signala sa I i Q mnozaca. Pomocu signalai(t) i q(t) moze se menjati amplituda i faza iqmod(t). Pomocu modulatora se moze generisati cistaamplitudska modulacija, fazna modulacija ili kombinacija ove dve.

Amplitudaiqmod(t) signala se odreduje na osnovu sledeceg izraza:

A=

A2i + A2q (5.1)

28


29/53

Fazaiqmod(t) signala je odredena sa:

= arctanAqAi

(5.2)

Tabela mapiranja je pravilo po kome se ulazni podaci prebacuju u modulacione signale i(t) i q(t).

Dva bita (bit nula i bit jedinica) se udruzuju i formiraju dibit. Veoma je vazno da maper i inverznimaper koriste ista pravila mapiranja. Posto je posle mapiranja brzina podataka prepolovljena,onda QPSK prenosi dva bita po stanju. Po dva bita se udruzuju da bi oformili dibit koji odredujestanje izlaznih signala mapera i(t) i q(t). i(t) iq(t) imaju prepolovljenu brzinu podataka, pri cemumodulisu noseci signal i to po fazi. Upravo zbog smanjenja brzine podataka, smanjena je potrebnasirina opsega faktorom 2, tj. dostupna sirina opsega je povecana za faktor 2. Vreme za koje sevektor zadrzi na odredenoj fazi predstavlja simbol (vreme zadrzavanja = trajanje simbola). Brzinasimbola je reciprocna trajanju simbola. Trazena sirina opsega odgovara brzini simbola.

Slika 5.2: QPSK demodulator

Nosilac i takt simbola se izdvajaju u bloku za procesiranje signala. Za oporavak nisoca ulaznisignal se kvadrira dva puta. Koriscenjem filtra propusnika opsega, cetvorostruka ucestanost no-sioca se izdvaja. Generator takta se zakljucava na ovu ucestanost koriscenjem PLL petlje. Taktsimbola takode se mora povratiti, tj. mora se odrediti polozaj na sredini simbola. Pojedine modu-lacione metode dozvoljavaju oporavak nosioca samo sa neizvesnoscu umnozaka 90 . Superponiraniharmonici nosioca, unutar izvucenih signala i(t) i q(t), se eliminisu pomocu niskopropusnog filtra.

29


30/53

Glava 6

M-arna PSK modulacija

Osnovna svrha primene MPSK modulacije je povecanje spektralne efikasnosti. Kod MPSKmodulacije jedan simbol predstavlja ld(M) bita, sto znaci da se, na primer, u odnosu na BPSK(jedan bit predstavlja jedan simbol), spektralna efikasnost povecavan puta. Cena povecanja spek-

tralne efikasnosti je veca slozenost sistema, kao i povecana verovatnoca greske (u odnosu na BPSKi QPSK).

MPSK signal se moze predstaviti sledecim izrazom:

uMPSK(t) =

2E

T cos(ot + i) =

2E

T cos

ot +

(2i 1)

M

(6.1)

uMPSK(t) =

2E

T up(t)cos(ot)

2E

T uq(t)sin (ot) (6.2)

gde su E i T energija i signalizacioni interval MPSK signala, i je fazni pomeraj i-tog simbola,f0 =

kT

, k Z, i k 1. Signali up(t) i uq(t) dobijeni su mapiranjem sekvence od ld(M) bita.

Prilikom mapiranja MPSK signala obicno se koristi Gray-ov kod, sto znaci da se n-torke bita kojedefinisu susedne simbole razlikuju za jedan bit.

Slika 6.1: Blok sema sistema sa MPSK modulacijom

Konstelacija MPSK signala je dvodimenzionalna i cirkularno simetricna. Koordinate vrhovafazoraSi, odre

dene su vrednostima signalaup(t) iuq(t). Posledica cirkularne simetrije konstelacijeMPSK signala je da je verovatnoca greske nezavisna od trenutne vrednosti primljenog signala.

30


31/53

Slika 6.2: Prostor stanja 8PSK signala

31


32/53

Glava 7

DVB-S

Modulacija koja se primenjuje u okviru DVB-S standarda je QPSK (Quadrature Phase ShiftKeying). Primena 8PSK modulacije je u pocetku razmatrana umesto QPSK, kako bi se povecaoinformacioni protok. U principu, satelitski prenos zahteva primenu modulacije koja je relativno

otporna na smetnje, pri cemu se u isto vreme mora izboriti sa ozbiljnim nelinearnostima. Kakoudaljenost izmedu satelita i prijemne antene, iznosi 36000km, satelitski prenos je podvrgnut ozbilj-nim interfernecijama koje se odnose na slabljenje slobodnog prostora (oko 205dB). Aktivni elementsatelitskog transpordera je cev sa progresivnim talasom, pri cemu ovaj element unosi nelinearnosti.Ove nelinearnosti se ne mogu kompenzovati s obzirom da se one odnose na povecanje energetskeefikasnosti. Tokom dana, solarne celije napa jaju elektronske uredaje satelita, pri cemu u isto vremepune i baterije. Tokom noci, elektronski ureda ji se napaja ju iskljucivo energijom iz baterija.

Satelitski kanal satelita za direktnu difuziju, uobicajeno se nalazi u opsegu od 26MHz do 36MHz,pri cemu je uplink smesten u opseg od 14GHz do 19GHz, dok je downlink u opsegu od 11GHz do13GHz. Neophodno je odabrati protok simbola koji obezbeduje uzi spektar od opsega transpordera.Najcesce se bira protok simbola od 27.5 MS/s. Kako QPSK modulacija obezbeduje prenos 2 bita

po simbolu, obezbeduje se protok od 55Mbit/s.Kako bi se MPEG-2 transportni strim poslao ka satelitu u vidu QPSK modulisanog signala,

neophodno je na jpre obezbediti zastitu od gresaka, pre modulacije. DVB-S koristi Reed-Solomonblokovski kod, za jedno sa primenom konvolucionog kodovanja. Kod Reed-Solomon kodovanja, po-daci se dele u pakete odgovarajuce duzine pri cemu se obezbeduje checksum. Checksum obezbedujedetektovanje gresaka, kao i korekciju odredenog broja gresaka. Broj gresaka koje se mogu ispra-viti direktno zavisi od duzine checksum-a. Kod Reed-Solomon kodovanja, broj ispravljivih gresakaodgovara jednoj polovini duzine zastitnih bajtova (checksum).

Omoguceno je posmatrati tacno jedan paket transportnog strima, kao jedan blok podataka ina taj nacin se vrsi zastita ovog bloka Reed-Solomon kodom. MPEG-2 transport strim paket sesastoji od 188 ba jtova. U DVB-S standardu se paket produzuje za 16 bajova, za Reed-Solomon

FEC kodovanje, i na taj nacin se dobija paket podataka duzine 204 bajtova. Ovaj tip RS kodovanjase oznacava kao RS (204,188) kod. Na prijemu se sada mogu ispraviti do 8 gresaka. Ukoliko sepojavi vise od 8 gresaka, moguce je detektovati ih, ali je bilo kakvo ispravljanje nemoguce. Pakettransportnog strima se oznacava kao pogresan, u okviru indikatora greske zaglavlja transportnogstrima. Ovaj paket se odbacuje od strane MPEG-2 dekodera.

Reed-Solomon FEC umanjuje protok podataka:

Ruk = 2 bit

simb 27.5

Msimb

s = 55

Mbit

s (7.1)

RRS=Ruk188

204= 50.69

Mbit

s (7.2)

Jednostavna zastita od gresaka nije dovoljna za satelitski prenos, zbog cega se i primenjujekovoluciono kodovanje nakon obavljenog Reed Solomon FEC-a. Ovo nadalje prosiruje strim poda-

32


33/53

taka. Prosirenje se realizuje kontrolisanjem kodnog kolicnika. Kodni kolicnik definise odnos kolicinepodataka na ulazu, i kolicine podataka na izlazu.

U okviru DVB-S standarda, moguce je izabrati kodni kolicnik iz skupa: 1/2, 3/4, 2/3,..., 7/8.Ukoliko je izabran kodni kolicnik 1/2, strim se prosiruje faktorom 2. Zastita od gresaka je sadamaksimalna, a protok podataka je minimalan. Kodni kolicnik koji iznosi 7/8 proizvodi minimalno

prosirenje, ali je samim tim i zastita od gresaka minimalna. Tada je dostupan maksimalan protokpodataka. Dobar kompromis predstavlja odabir kodnog kolicnika koji iznosi 3/4. Kodni kolicnikse moze koristiti za kontrolu zastite od gresaka, i reciprocno za kontrolu protoka podataka.

Protok podataka u okviru DVB-S standarda, za kodni kolicnik 3/4, nakon konvolucionog kodo-vanja je sada:

RRS3/4 =RRS3

4= 38.01

Mbit

s (7.3)

Pri cemu je sa k oznacen kodni kolicnik.

7.1 DVB-S modulator

Prvi segment DVB-S modulatora predstavlja interfejs u kome se vrsi sinhronizacija sa transport-nim strimom. MPEG-2 transportni strim se sastoji od paketa konstantne duzine 188 ba jtova, gdesu 4 bajta zaglavlje, a 184 bajta predstavljaju payload, pri cemu zaglavlje pocinje sinhronizacionimbajtom. Sinhronizacioni bajt ima konstantnu vrednost 0x47, i ponavlja se u konstanim intervalimaod 188 bajtova. Sinhronizacija zapocinje prijemom oko pet paketa, i svi taktovi se izvode odavde.

Slika 7.1: DVB-S modulator

U svakom bloku, svaki osmi sinhronizacioni ba jt se invertuje, u ovom slucaju 0x47 postaje 0xB8.Ostalih sedam bajtova izmedu, ostaju nepromenjeni. Koriscenjem inverzije sinhronizacionih baj-tova, dodaju se dodatni vremenski zigovi u signal. Ovi vremenski zigovi su potrebni za resetovanjeprocesa u okviru energetski disperzionih blokova, na prijemnom i predajnom kraju, sto znaci damodulator ili predajnik, i demodulator ili prijemnik, dobijaju ovu sekvencu od osam paketa sinhrobajtova u okviru transportnog strima, pri cemu ih koristi za kontrolu odredenih koraka procesira-nja. Moze se dogoditi da se pojavi relativno dugacka sekvenca nula ili jedinica u okviru podataka,sto je nepozeljno s obzirom da ne sadrze nikakve podatke o taktu, ili izazivaju stvaranje diskret-nih spektralnih komponenti odredenog perioda pojavljivanja. Kako bi se otklonili, svaki digitalnitransmisioni metod primenjuje energetsku disperziju pre modulacije.

Energetska disperzija se postize pseudo slucajnom binarnom sekvencom (PRBS). Najpre sePRBS generise, pri cemu se restartuje ucestalo na definisasni nacin. U DVB-S, pocetak i resetovanjese realizuje kad god se invertuje sinhronizacioni bajt.

33


34/53

Slika 7.2: Inverzija sinhronizacionog bajta

Strim podataka se mesa sa pseudo slucajnom binarnom sekvencom putem ekskluzivne ORoperacije (EXOR), sto dovodi do raskidanja dugackih sekvenci jedinica ili nula. Kada se ovajenergetski prosireni strim ponovo mesa sa istom pseudo slucajnom binarnom sekvencom na prijemu,dolazi do skupljanja signala, tj. vraca se u prvobitni opseg.

Prijemni kraj poseduje identicna elektronska kola, koja se sastoje od 15-o stepenog pomerackogregistra sa negativnom povratnom spregom, koji se puni, na definisan nacin, sa reinicijalizacijomna pocetnu vrednost, svaki put kada se primi invertovani sinhronizacioni bajt. Ovo znaci da dvapomeracka registra, na predajnom kraju i na prijemnom, rade potpuno sinhronizovano, pri cemu sesinhronizacija ostvaruje sekvencom od osam paketa, sinhronizacionog bajta inverznog bloka. Ovajvid sinhronizacije je moguc zato sto se sinhronizacioni bajtovi i invertovani sinhronizacioni bajtoviprenose transparentno i ne mnoze se pseudo slucajnom binarnom sekvencom.

Slika 7.3: Reed-Solomon kodovanje

Izlazni koder, Reed-Solomon, ostvaruje ispravljanje gresaka unapred (FEC). 16 bajtova zazastitu od gresaka se dodaje na paket podataka, koji se i dalje sastoje od 188 bajtova, ali susada energetski rasuti. Paketi sadrze 204 bajtova, sto omogucava korekciju do 8 gresaka na pri-

jemu. Ukoliko se pojavi vise gresaka, zastita od gresaka ne daje rezultate, i paket se oznacava kaopogresan od strane demodulatora, i indikator gresaka, u zaglavlju transportnog strima, se postavljana vrednost

jedan.

Cesto se desavaju paketi gresaka tokom transmisije. Ukoliko se pojavi vise od 8 gresaka upaketu, Reed-Solomon kodovanje, blokovska zastita od gresaka nece uspeti. Ovde je neophodno

izvrsiti interliving podataka. Sada se burst-ovi gresaka razbija ju u deinterliveru na prijemnoj strani,i distribuira ju se u vidu paketa transportnog strima. Tako je lakse ispraviti greske koje se javljaju uvidu burst-ova, pri cemu posta ju jednostruke, i ne zahteva se dodavanje novih redundansi u signal.

34


35/53

U okviru DVB-S, interliving se realizuje Fourney interliverom koji se sastoji od dva rotacionaprekidaca i pomerackih registara. Ovo obezbeduje skremblovanje podataka i njihovo razbacivanje.Maksimalan interliving je preko jedanaest transportnih paketa. Sinhro bajtovi i invertovani sinhrobajtovi uvek prate odredenu putanju. Ovo znaci da brzina rotacije prekidaca odgovara multipluduzine paketa, i interliver i deinterliver su sinhronizovani sa MPEG-2 transportnim strimom.

Slika 7.4: Interliving i deinterliving

Sledeci segment je konvolucioni koder (trelis koder). Predstavlja zastitu od unutrasnjih gresaka.Konvolucioni koder se sastoji od 6-o stepenog pomerackog registra i dve putanje u okviru kojih sesignal mesa sa sadrzajem pomerackih registara. Ulazni strim podataka se deli na tri strima. Podaci

se najpre smestaju u pomeracki registar gde uticu na gornji i donji strim podataka konvolucionogkodera, primenom ekskluzivne OR operacije, trajanja 6 ciklusa generatora takta. Sada se rasprsujeinformacija koju nosi jedan bit, na sest bita. U specificnim tackama obe grane, postoje EXOR kolakoja mesaju strim podataka sa sadrzajem pomerackih registara. Na ovaj nacin se formiraju dvastrima podataka na izlazu konvolucionog kodera, pri cemu svaki zadrzava isti protok kao i ulaznisignal. Ukupan izlazni protok je sada dva puta veci, sto odgovara kodnom kolicniku od 1/2.

Slika 7.5: Fourney interliver i deinterliver

35


36/53

Slika 7.6: Konvolucioni koder u DVB-S

7.2 Procesiranje signala na satelitu

Geostacionarni broadcast sateliti, koji se nalaze iznad ekvatora, pri cemu orbitiraju na visini od36000km iznad povrsine Zemlje, primaju DVB-S signal sa uplink stanice. Neophodno je ogranicitikoristan deo signala filtrom propusnikom opsega. Kako je uplink rastojanje vece od 36000km,gubici u slobodnom prostoru iznose vise od 200dB, i kao rezultat, koristan signal je oslabljen, pa jeneophodno da uplink antena i prijemna antena na strani satelita, moraju obezbediti odgovarajucidobitak. Na satelitu DVB-S signal se konvertuje na downlink frekvenciju, u opsegu od 11GHz do13GHz, nakon cega se vrsi pojacavanje signala primenom cevi sa progresivnim talasom. Ovakavvid pojacavaca poseduje jako nelinearnu karakteristiku, ali se primena cevi sa progresivnim talasomopravdava kompromisom, koji se ostvaruje izmedu dobijene energije i skromnog napajanja satelita.

Pre ponovnog slanja signala ka Zemlji, najpre se vrsi filtriranje kako bi se potisnule nezeljene

komponente. Predajna antena satelita poseduje odredeni sablon, kako bi se ostvarilo optimalnopokrivanje. Ovo rezultuje footprint mapama, koje predstavljaju oblasti adekvatnog prijema signala.Snaga zracenja antene na predaji satelita iznosi od 60W do 80W. Sistem koji obavlja procesiranjesignala se naziva transponder. Uplink i downlink su polarizovani, tj. poseduju horizontalnu ivertikalnu polarizaciju talasa, i na taj nacin se povecava broj kanala.

Slika 7.7: Elementi transpondera

7.3 DVB-S prijemnik

DVB-S signal sa satelita, nakon slabljena slobodnog prostora, kao i slabljenja atmosferskih

uslova, dolazi do satelitske prijemne antene i fokusira se na fokusnu tacku. Ovo je tacka na koju sepostavlja LNB (Low Noise Block). LNB sadrzi talasovod sa detektorom za horizontalnu i vertikalnupolarizaciju. U zavisnosti od odabrane polarizacije, signal se dobija od horizontalnog ili vertikalnog

36


37/53

detektora. Odabir polarizacije se ostvaruje selektovanjem amplitude napajanja LNB-a, pri cemunapon moze iznositi 14V ili 18V. Dalje se signal po jacava niskosumnim po jacavacem.

Univerzalni LNB, koji je pogodan za prijem digitalnog televizijskog signala, sadrzi dva lokalnaoscilatora koji proizvode nosioce na 9.75GHz i 10.6GHz, pri cemu se prijemni signal konvertuje nanizu ucestanost (down-convert), mnozenjem sa 9.75GHz ili 10.6GHz.

Slika 7.8: Blok sema LNB-a

Slika 7.9: DVB-S prijemnik bez MPEG-2 dekodera

U okviru DVB-S prijemnika, DVB-S set-top box (dekoder), podvrgava signal drugoj konverzijiucestanosti na drugu medufrekvenciju. Ova konverzija se ostvaruje pomocu IQ mesaca na koji je

povezan oscilator kontrolisan od strane kola za obnavljanje nosioca. Nakon IQ konverzije, dobijajuse analogni I i Q signali. Ovi signali se propustaju kroz A/D konvertor, zatim, dolaze na ulazpodesenog filtra u kome se ostvaruje proces filtriranja (root cosine squared) kao i na predaji, safaktorom zaobljenja od 0.35.

Demaper ponovo generise strim podataka, nakon cega se uklanjaju greske u okviru Viterbidekodera. Viterbi dekoder realizuje suprotnu operaciju konvolucionog kodovanja, pri cemu morapoznavati kodni kolicnik koji je primenjen.

Nakon Viterbi dekodera, nalazi se konvolucioni deinterliver gde se paketi gresaka razbijaju napojedinacne. Jednostruke greske se dalje ispravljaju u Reed-Solomon dekoderu. Ukoliko TS paketsadrzi vise od 8 gresaka, zastita od gresaka ne uspeva. TS paket, ko ji u indikatoru u okviru zaglavljaposeduje jedinicu, se ne koristi pri MPEG-2 dekodovanju.

Nakon Reed-Solomon dekodovanja, energetska disperzija se uklanja i inverzija sinhronizacionihbajtova se ponistava. Na izlazu se dobija MPEG-2 transportni strim, nakon cega se podvrgavaMPEG-2 dekodovanju.

37


38/53

7.4 Uticaji na satelitski link

IQ modulator moze imati razlicite nivoe signala u I i Q granama, faznu gresku, i nedostataksuzbijanja nosioca. Takode je moguce ocekivati nezeljene efekte prouzrokovane sumom i i faznimdziterom, u ovom segmentu sistema. Zbog robusnosti QPSK modulacije, ovakvi nezeljeni uticajina signal se mogu zanemariti.

U domenu uplinka i downlinka, od interesa je posmatrati sumove koji uticu na degradacijukvaliteta signala. Kako su slabljenja reda 200dB, aditivni beli gausov sum (AWGN) se superponirasa signalom.

Minimalni odnos nosilac/sum koji je potreban, kao i BER kanala koji je neophodan, dobijajuse na osnovu primenjenog zastitnog kodovanja (FEC, Reed-Solomon, konvoluciono kodovanje).

Slika 7.10: Minimalan odnos C/N neophodan na prijemu, i odgovarajuci BER

Geostacionarni satelit orbitira na visini od 35800km iznad ekvatora. Ovo je jedina orbita kojaomogucava sinhrono kretanje sa Zemljom.

Slabljenje slobodnog prostora se racuna prema izrazu:

L [dB] = 92.4 + 20log

f

GHz

+ 20log

d

km

(7.4)

f frekvencija emisije u GH zd rastojanje predajnik-prijemnik u km

Dobitak parabolicne antene:

G [dB] = 20 + 20log

Dm

+ 20log

fGHz

(7.5)

D precnik antene u metrimaf frekvencija emisije u GH z

Snaga suma na ulazu u prijemnik:

N[dBW] =228.6 + 10log

B

Hz

+ 10log

TC

+ 273

+ F (7.6)

B sirina opsega u H zT temperatura u stepenima Celzijusa

F temperatura prijemnika u dB

38


39/53

Emisiona snaga (Astra):Pretpostavljena izlazna snaga = 82 W 19 dBWDobitak emisione antene 33 dB

EIRP satelita 52 dB

Slabljenje slobodnog prostora:Udaljenost Satelit-Zemlja = 37.938 km 91.6 dBFrekvencija emisije = 12.1 GHz 21.7 dBKonstantan gubitak 92.4 dB

Slabljenje slobodnog prostora 205.7 dB

Primljena snaga:EIRP satelita 52 dBSlabljenje slobodnog prostora 205.7 dBSlabljenje vedrog neba 0.3 dBGreska usmerenja prijemnika 0.5 dB

Polarizaciona greska 0.2 dB

Primljena snaga (antena) -154.7 dBWDobitak antene 37 dBSnaga na prijemu -117.7 dB

Snaga suma na prijemniku:Bolcmanova konstanta -228.6 dBW/K/Hz

Sirina opsega = 33MHz 74.4 dBSobna temperatura = 293 K 24.7 dBNivo suma LNB-a 1 dB

Snaga suma -128.5 dBW

Odnos C/N:Prijemna snaga nosioca C -117.7 dBWSnaga suma N -128.5 dBW

C/N 10.8 dB

Stvarne vrednosti C/N Oko 9...12dB

39


40/53

Glava 8

DVB-S2

DVB-S2 predstavlja specifikaciju druge generacije za satelitsku emisiju razvijena od straneDVB (Digital Video Broadcasting) projekta 2003. godine.

DVB-S2 u odnosu na DVB-S donosi povecanje kapaciteta od 30%, pri cemu se poboljsanje

performansi zasniva na najnovijem razvoju kanalskog kodovanja i modulacije. Za interaktivne apli-kacije tipa tacka-tacka, kao sto je IP prenos ka jednom korisniku, usvaja se ACM (Adaptive Coding& Modulation) funkcionalnost koja omogucava optimizaciju prenosnih parametara za svakog kori-snika posebno na frame-po-frame bazi. U zavisnosti od putanje, pod kontrolom povratne petlje,kroz povratni kanal (zemaljski ili preko satelita) postize se mnogo vece pojacanje DVB-S2 u odnosuna DVB-S.

DVB-S2 je kompatibilan sa postojecim satelitskim karakteristikama transpondera sa velikimvarijacijama spektralne efikasnosti i C/N zahtevima. Nije ogranicen na MPEG-2 video i audiokodiranje, ali je dizajniran da podrzi razlicite napredne audio-video formate koje DVB pro jekatsada definise. DVB-S2 se prilagodava svakom ulaznom stream formatu, ukljucujuci jedan ili viseMPEG Transportnih Stream-ova, IP kao i ATM paketa.

DVB-S2 standard karakterise:

Fleksibilan adapter ulaznog stream-a, pogodan za rad sa jednim i vise ulaznih stream-ovarazlicitih formata.

Mocan FEC sistem baziran na LDPC (Low Density Parity Check) kodovima u spoju sa BCHkodovima, koji dozvoljavaju Quasi-Error-Free operacije sa priblizno 0,7dB do 1dBSanonovegranice, u zavisnosti od prenosnog moda (AWGN kanal, modulacija odredena Sanonovomgranicom).

Sirok opseg kodnih kolicnika (od 1/4 do 9/10), 4 konstalacije, rangirane po spektralnoj efika-

snosti od 2 bit/s/Kz do 5 bit/s/Hz, optimizovani za operacije nad nelinearnim transponde-rima.

Set tri spektralna oblika sa roll-off faktorima 0.35, 0.25 i 0.20.

ACM (Adaptive Coding and Modulation funkcionalnost, koje optimizuje kanalsko kodiranjei modulaciju na bazi frame-po-frame).

Sistem je optimizovan za sledece sirokopojasne satelitske aplikacije:

Difuzni servisi (Broadcast Services-BS): ovi servisi podrazumevaju primarnu i sekun-

darni distribuciju digitalne televizije standardne i visoke definicije preko fiksne satelitsko-zemaljske infrastrukture. DVB-S2 je zamisljen da obezbedi tzv. Direct-To-Home (DTH)servise do integrisanog prijemnog dekodera krajnjeg korisnika, do kolektivnih sistema antenna

40


41/53

(kao sto su SMATV sistemi), kao i do cvornih stanica kablovske televizije. BS servisi se trans-portuju putem MPEG transportnih strimova, na koje se mogu primeniti tehnike promenljivogkodovanja i modulacie (VCM) kodovanja radi ostvarivanja raznolikog nivoa protekcije gresakaza razlicite servise (TV, HDTV, audio, multimedija). Dva moda su dostupna: kompatibilan inekompatibilan sa svojim DVB-S prethodnikom. Zapravo, kako je veliki broj DVB-S prijem-

nika vec prikljucen, postojanje kompatibilnosti ce biti i dalje potrebno, gde stari prijemnici idalje rade sa istim kapacitetima kao i pre, dok novi DVB-S2 prijemnici obezbeduju dodatniprotok. Kada kompletna infrastuktura dekodera bude migrirala u DVB-S2, prenoseni sig-nal se moze modifikovati u nekompatibilan mod, i na taj nacin se pocinje koristiti celokupniDVB-S2 potencijal.

Interaktivni servisi (Interactive Service): ovo su zapravo interaktivni servisi podatakakoji ukljucuju i Internet servis. Sistem je dizajniran za koriscenje ovih servisa na dekoderimakrajnjeg korisnika i personalnim kompjuterima, sa znatno sirim pogledima nego sto je prepo-ruka u DVB-S sistemu. Servisi podataka su transportovani preko jednog ili vise TS-a (prekoviseprotokolske enkapsulacije), ili preko GS-a. U okviru njih DVB-S2 obezbeduje tehnikekonstantnog kodovanja i modulacije (CCM), ili adaptivnog kodovanja i modulacije (ACM)gde svaka individualna prijemna stanica na satelitu ima kontrolu nad koriscenim nacinomprotekcije i saobracajem koji je adresiran ka njoj.

Servisi TV kontribucije i sakupljanja vesti (Digital TV Contribution & NewsGathering DTVC/DSNG): kontribucija digitalne televizije preko satelita se sastoji odprenosa tipa tacka-tacka ili tacka-vise tacka izmedu fiksnih ili mobilnih uplink i prijemnihstanica . One nisu za prijem od strane svih konzumenata, nego prestavljaju bazu za daljiprenos ka centrima za obradu i difuziju. Prema ITU-T preporuci, DSNG se definise kaopovremeni i privremeni prenos sa kratkim obavestenjima o slici ili zvuku za potrebe difuzije,koristeci nosive ili mobilne uplink zemaljske stanice. Servisi su transportovani preko MPEGTS-ova, koristeci i CCM ili ACM. U drugom slucaju, jedna prijemna stanica tipicno kontrolise

nacin protekcije gresaka celog multipleksa.

Profesionalni servisi (Professional Services): prenos ovih servisa je tipa tacka-tacka ilitacka-vise tacaka, ukljucujuci interaktivne servise do kra jnjih cvorista koja redistribuirajuservise putem drugih medija. Prenos se opsluzuje preko formata GS-a, uz koriscenje tehnikaCCM, VCM ili ACM. Za poslednji slucaj, jedna satelitska stanica tipicno kontrolise nacinprotekcije celog TDM multipleksa, ili sistem prijemnih stanica kontrolise saobracaj adresiranna svako ponaosob.

8.1 Povratno kompatibilni modovi

Puno emitera je moralo da razmisli o iznenadnim promenama tehnologije ka DVB-S2, jer jepostojao veliki bro j instaliranih DVB-S prijemnika. U takvim situacijama, prakticno je zahtevatipovratnu kompatibilnost u migracionom periodu, dozvoljavajuci naslede DVB-S prijemnicima imogucnost da nastave rad, dok obezbeduju dodatni kapacitet i servise novim, naprednim prijemni-cima. Na kraju migracionog procesa, kada cela populacija prijemnika migrira ka DVB-S2, predajnisignal moze biti modifikovan u ne-povratno kompatibilni mod, tako da eksploatise pun potencijalDVB-S2.

Opcioni povratno-kompatibilni (BC) modovi su zato definisani u DVB-S2, namenjeni da saljudva transportna stream-a kroz jedan satelitski kanal. Prvi (High priority, HP) stream je kompatibi-lan sa DVB-S prijemnicima kao i sa DVB-S2 prijemnicima, dok je drugi (Low Priority, LP) stream

kompatibilan samo sa DVB-S2 prijemnicima.Povratna kompatibilnost moze biti implementirana hijerarhijskom modulacijom, gde su dva

HP i LP transportna stream-a sinhronizovano kombinovani. LP DVB-S2 signal je BCH i LDPC

41


42/53

kodovan, sa LDPC kodnim kolicnicima 1/4, 1/3, 1/2 ili 3/5. Hijerarhijski mapper generise ne-uniformnu 8PSK konstalaciju: dva HP DVB-S bita definisu QPSK konstalacionu tacku, dok jedanbit iz DVB-S2 LDPC kodera podesava dodatnu rotaciju pre prenosa. Posto rezultujuci signalima kvazi-konstantnu anvelopu, moze biti prenosen preko jednog transpondera blizu zasicenja.

8.2 Arhitektura DVB-S2 sistema

Tokovi podataka koji nisu u skladu sa MPEG-2 transportnim strimom, takode mogu bitipreneseni i to je moguce preneti ili jedan ili veci broj transportnih strimova. Ovo je takode pri-menljivo na genericki tok podataka koji moze biti podeljen u pakete. Na slici 8.1. je prikazan blokdijagram DVB-S2 modulatora. Na ulaznom interfejsu, tok ili tokovi podataka se pojavljuju u formiMPEG-2 transportnog strima ili u formi generickih tokova podataka. Nakon blokova za adaptaciju,tok podataka dolazi u blok za FEC kodovanje, a potom i u blok za mapiranje.

Definicija QEF-a koja je usvojena u DVB-S2 podrazumeva manje od jedne nekorigovane greskepri prenosu za vreme jednog sata na nivou dekodera TV servisa koji radi pri protoku od 5 Mb/s,sto priblizno odgovara verovatnoci greske u paketu TS-a od 107 i manje, pre demultipleksiranja.

DVB-S2 sistem se sastoji iz sekvence funkcionalnih blokova kao sto je prikazano na sledecojslici:

Slika 8.1: Blok sema DVB-S2 modulatora

8.2.1 Blok adaptacije moda

Ovaj blok zavisi od aplikacije koja se koristi. On obezbeduje odgovarajuce interfejse za ulaznitok podataka, sinhronizaciju ulaznog toka (opcionalno), brisanje null paketa (samo za ACM i TSulazne formate). Takodje, ovde se vrsi i dodavanje CRC-8 zaglavlja za korekciju greske na nivoupaketa u prijemniku, uz pomoc generickog polinoma g(x) =x8 + x7 + x6 + x4 + x2 + 1, i na krajuseckanje toka bitova u polja podataka (Frame fields). Interfejsi za ulazne podatke, u zavisnosti odizvora iz kog su dobijeni, podrzavaju MPEG-2 i MPEG-4 TS-ove, GS-ove, i ACM komande.

Ispred polja podataka se dodaje zaglavlje (BBHeader) fiksne duzine 10 bajta, sa funkcijom opisaformata polja, unoseci time redundansu od 1%.

42


43/53

Slika 8.2: Blok adaptacije moda

8.2.2 Blok adaptacije strima i FEC kodovanje

Blok adaptacije strima obezbeduje popunjavanje nulama do konstantne duzine polja, kao i

skremblovanje istog u zavisnosti od FEC kodnog odnosa.

Slika 8.3: Adaptacija strima i FEC kodovanje

FEC je kljucni podsistem za ostvarivanje odgovarajucih performansi, u prisustvu visokog nivoasuma i interferencije. Proces selekcije, zasnovan na kompjuterskim simulacijama, poredi sedampredloga paralelno ili serijski povezani konvolucioni kodovi, produkt kodovi, niska gustina skladnihkontrolnih kodova (LDPC) a svi koriste

Turbo (rekurzivne) dekodirajuce tehnike. Ciljni sistem,

baziran na LDPC, nudi minimalno odstupanje od Shannonove granice na linearnom AWGN kanalu.Odabrani LDPC kodovi koriste veliku duzinu blokova. Blokovi su duzine 64800 bita za aplikacijeza koje kasnjenje nije kriticno, dok su kraci blokovi sastavljeni iz 16200 bita za slucaj aplikacijakoje zahtevaju manju efikasnost ali i vecu osetljivost na kasnjenje. Kodni kolicnici 1/4, 1/3, 2/5,

1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, i 9/10 su raspolozivi, u zavisnosti od odabrane modulacije izahtevnosti sistema. Kodni kolicnici 1/4, 1/3 i 2/5, su predstavljeni da funkcionisu, u kombinacijisa QPSK, pod izuzetno losim stanjima linka, gde je nivo signala ispod nivoa suma. FEC blok nasvom izlazu daje FEC Frame-ove.

8.2.3 Mapiranje

Svaki FEC frejm se konvertuje iz serijskog toka u vise paralelnih tokova, ciji broj zavisi odprimenjene modulacije (npr. dva u slucaju QPSK, itd.). Svaka paralelna sekvenca se mapirau odgovarajucu konstelaciju, generisuci seekvencu (I,Q) parova razlicite duzine u zavisnosti odefikasnosti modulacije.

Razlog uvodenja modulacija viseg reda je povecavanje spektralne efikasnosti, koja se dobija kaoposledica mapiranja veceg broja bita u konstelaciju, a sve po cenu nizeg praga prijema.

43


44/53

Tabela 8.1: Broj bita u zavisnosti od primenjene modulacije

Vrsta modulacije Bita po simbolu

QPSK 2

8PSK 3

16APSK 4

32APSK 5

U okviru DVB-S2, koriste se cetiri modulacije. QPSK i 8PSK imaju virtuelno konstantnuanvelopu i preporucuju se za sirokopojasne aplikacije, koje funkcionisu preko nelinearnih satelitskihtarnspondera sa radom pri saturaciji.

Slika 8.4: Dijagrami konstelacija

44


45/53

16APSK i 32APSK visenivovske modulacije su proizasle kao zamene 16QAM i 32QAM, kojese koriste u DVB-S, i predstavljaju seme sa povecanom otpornoscu na greske. Ova umanjenaosetljivost cini APSK konstelacije adekvatnijim za koriscenje u aplikacijama sa backed-off konfigu-racijom. Njihova spektralna efikasnost se pokazala kao odgovarajuca za nelinearne transpondere ipostizu iste, ili bolje karakteristike pri prenosu kroz linearne kanale nego QAM modovi sa svojom

mesavinom faznih i amplitudkih stanja. One pretezno ciljaju na profesionalne aplikacije. IakoAPSK seme nisu efikasne po snazi zbog viseg zahtevanog odnosa C/N, korist je u znatno vecemspektralnom iskoriscenju.

Kruzni koncentricni krugovi u APSK konstelaciji se sastoje iz uniformno postavljenih tacaka(stanja), sto je bolje od kvadratne mreze stanja koja se javlja u konvencionalnim 16QAM semama.Ovaj oblik koncentricnih kruznica minimizira moguce efekte iskrivljenja tj. narusavanja pravilnestructure, koji se javljaju usled pojacavaca velikih snaga (HPA-High Power Amplifiers). Mnogestudije i simulacije su dokazale poboljsanu otpornost ove seme na HPA nelinearnosti, cineci APSKmodulaciju podesniju za nelinearne transpondere i u isto vreme, pruzajuci mocne a opet jednostavnetehnike za kompenzaciju narusavanja stanja u konstelaciji.

Slika 8.5: Prenosna karakteristika TWTA

Tipicna TWTA kriva sa nelinearnom prenosnom karakteristikom je prikazana na slici 8.5. Trebaposebno obratiti paznju na odstupanje od linearnog rada blizu zasicenja. Da bi se maksimiziralaizlazna snaga takvog pojacavaca pri operacji sa DVB-S2 visenivovskim modulacionim semama,preporucuje se upotreba pojacavaca obrnute karakteristike prenosa na preda ji radi kompenzacijeamplitude i faza.

Odabirom modulacione konstelacije i kodnih kolicnika, spektralne efikasnosti od 0.5 do 4.5 bitapo simbolu su raspolozive i mogu biti odabrane u zavisnosti od ogranicenja koriscenog satelitskogtranspondera.

8.2.4 Physical layer framing

Izvodi se sinhrono sa FEC kodiranjem, sa ciljem ubacivanja signalizacije fizickog nivoa, sim-bola pilota, i skremblovanja podataka radi transparentnosti sa okolinom i rasprsivanja energije uvremenskom i frekvencijskom domenu.

45


46/53

Slika 8.6: Spektralna efikasnost u zavisnosti od primenjene modulacije i kodnog kolicnika

Dva nivoa framing struktura su dizajnirana:

Prvi na fizickom nivou (PL), koji nosi par visoko-zasticenih signalizacionih bita

Drugi u osnovnom opsegu, koji nosi raznovrsne bite, i treba da omoguci maksimalnu fleksi-bilnost pri prilagodavanju ulaznog signala

Prvi nivo framing struktura je dizajniran da obezbedi jasnu sinhronizaciju i signalizaciju nafizickom sloju. Na ovaj nacin prijemnik moze da sinhronizuje i detektuje modulaciju i kodneparametre pre demodulacije i FEC dekodiranje.

Po preporuci, DVB-S2 signal fizickog sloja se sastoji od propisane sekvence okvira. Modulacijai kodna sema su homogeni, ali mogu da se promene (Adaptive Coding & Modulation). Svakiframe se sastoji od 64800 bita (ili 16200 bita), koji odgovaraju kodnom bloku spoja LDPC/BCHFEC, i zaglavlja (90 binarnih modulacionih simbola), koje sadrzi sinhronizacionu i signalizacionuinformaciju. Posto je PL zaglavlje prvi unos koji treba da bude dekodiran od strane prijemnika,njega ne moze da zastiti sema LDPC/BCH FEC.

Sa druge strane, mora biti perfektno dekodabilan u najgorim uslovima prenosa. Zato je po-

trebno izabrati veoma nizak kodni kolicnik, 7/64 blok kod-a, pogodan za blage odluke, korelacionodekodiranje i smanjenje broja signalizacionih bita kako bi se smanjila kompleksnost dekodiranja.

Drugi nivo framing struktura, base-band frame, omogucava kompletniju signalizacionu funk-cionalnost da konfigurise prijemnik prema aplikacionom scenariju: jedan ili vise ulaznih stream-ova,genericki ili transportni stream, CCM (Constant Coding & Modulation) ili ACM (Adaptive Coding& Modulation), i mnogo ostalih konfiguracionih detalja. Zahvaljujuci LDPC/BCH zastiti i velikeduzine FEC frame, Baseband (BB) zaglavlje moze sadrzati mnogo signalizacionih bita (80) bezgubitka transmisione efikasnosti ili otpornosti na sum.

8.2.5 Filtriranje i modulacija

Nakon skremblovanja, uvodi se blok radi oblikovanja spektra signala i generisanja RF signalaza prenos. Prenosna funkcija filtra je tipa podignuti kosinus, cija teorijska funkcija prati sledeciizraz:

46


47/53

H(f) = 1 z a |f|< fn(1 ) (8.1)

H(f) =

1

2+

1

2sin

2fn

1

(fn |f|)

12

za fn(1 )< |f|< fn(1 + ) (8.2)

H(f) = 0 z a |f|> fn(1 + ) (8.3)

gde je fn= 1

2Ts=

Vs2

minimalna Nyquist-ova frekvencija, i roll off faktor.Sirina opsega koji zauzima modulisani signal jednaka je proizvodu protoka simbolaRs i faktora

(1 +), dok se za protok simbola uzima trodecibelska sirina. Koriscenjem manjih vrednosti ,nosioci mogu da se postvae na medusobno kracem rastojanju sto rezultuje povecanom prenosuinformacija po nosiocu za dati transponder, ili povecanom protoku simbola za dati opseg frekvencija.

Kvadraturna modulacija se izvodi mnozenjem kvadraturnih odbiraka u fazi (posle filtriranja)sa sin(2f0t) i cos(2f0t), respektivno.

8.3 Performanse DVB-S2 sistema

Odabirom odgovarajuceg kodnog kolicnika i modulacije, sistem moze funkcionisati sa odnosomnosilac-sum u opsegu od -2.4 dB (koristeci QPSK 1/4) do 16 dB (koristeci 32APSK 9/10), podprepostavkom AWGN kanala i idealnog demodulatora. Na sledecoj slici su prikazani rezultatidobijeni kompjuterskom simulacijom za Packet Error Rate od 107 (jedan pogresan TransportniStream Paket po satu prenosa u video servisima sa 5 Mbit/s). Odstupanje od Shannon-ove granicese krece od 0.7 dB do 1.2 dB.

Slika 8.7: Spektralna efikasnost u funkciji odnosa C/N

DVB-S2 sistem se moze koristiti u konfiguracijijedan nosilac po transponderu ili

vise nosioca

po transponderu (FDM). Slika 8.7. pokazuje primere korisnog bitrate kapaciteta Ru ostvarivog od

47


48/53

strane sistema u razlicitim modulacionim/kodnim konfiguracijama, pod pretpostavkom jedinicnogsimbol rate Rs. Simbol rate Rs odgovara -3 dB sirine opsega modulisanog signala, dok Rs(1 +)odgovara teorijskoj totalnoj sirini opsega signala posle modulacije, gde predstavlja roll-off faktormodulacije. Koriscenjem roll-off faktora = 0.25 i = 0.2 moze da dozvoli povecanje prenosnogkapaciteta, ali moze isto da proizvede vece nelinearne degradacije od strane satelita za operaciju

sa jednim nosiocem.Kada se DVB-S2 prenosi preko satelita, modulacije sa kvazi-konstantnom anvelopom kao sto je

QPSK i 8PSK su veoma efikasne u konfiguracijijedan nosilac po transponderu.

Tabela 8.2: C/N gubici u satelitskom kanalu

Vrsta prenosa Bez pre-izoblicenja Dinamicko pre-izoblicenje Dinamicko pre-izoblicenjeBez faznog suma bez faznog suma sa faznim sumom

QPSK 1/2 0.6 (OBO=0.4) 0.5 (IBO=0; OBO=0.4) 0.6

8PSK 2/3 1.0 (OBO=0.3) 0.6 (IBO=0; OBO=0.4) 0.9

16APSK 4/5 3.2 (OBO=1.7) 1.5 (IBO=1.0; OBO=1.1) 1.832APSK 4/5 6.2 (OBO=3.8) 2.8 (IBO=3.6; OBO=2.0) 3.5

Tabela 8.2. pokazuje, za konfiguracijujedan nosilac po transponderu, simuliranu C/N degra-

daciju, koristeci modove satelitskog kanala i masku faznog suma, u optimalnoj operacionoj TWTAtacki. CSAT je nemodulisani nosilac snage u HPA zasicenju, OBO je mereni odnos snage (dB)izmedu nemodulisanog nosioca u zasicenju i modulisanog nosioca. Uocava se velika prednost kojunudi dinamicko pre-izoblicenje za 16APSK i 32APSK. Velike degradacije faznog suma navedene zaAPSK, i uposte za 32APSK, mogu biti razmotrene kao pesimisticke, posto se odnose na potrosackitip LNBS. Za profesionalne aplikacije bolji

front end-ovi mogu biti usvojeni pri zanemarljivim

dodatnim troskovima.

8.4 SDTV i HDTV difuzija

Tabela 8.3. uporeduje DVB-S2 i DVB-S difuzne servise opsluzene preko 36 MHz-nih satelitskihtranspondera u Evropi, uz koriscenje prijemnih antena precnika 60cm. Video protoci koji se pri-menjuju su 4.4Mbit/s (SDTV) i 18Mbit/s (HDTV) kada se koristi MPEG-2 kodovanje, odnosno2.2Mbit/s (SDTV) i 9Mbit/s (HDTV) kada se koristi AVC (advanced video coding).

Zahtevani odnos C/N za ova dva sistema varira sa upotrebom razlicitih prenosnih modovai podesavanjem roll-off faktora i protoka simbola. Rezultati pokazuju povecanje kapaciteta koji

obezbedjuje DVB-S2 od preko 30%. Nadalje, kombinovanjem DVB-S2 i AVC kodovanja, dobija se21 do 26 SDTV kanala po transponderu, i samim tim znacajno smanjenje cene kanala satelitskogkapaciteta. Takodje, ovim je omoguceno favorizovanje HDTV servisa sa adekvatnim brojem kanalau datom opsegu (5 do 6).

DVB-S2 sistem poseduje mogucnost isporuke sirokodifuznih servisa, preko vise transportnihtokova, usvaja juci razlicite nivoe prioriteta (odnosno dozvoljenu gresku pri prenosu) za pojedinetokove. Ovaj postupak je poznat kao hijerarhijska modulacija, pri cemu se obrazuju dva logickakanala na jednom fizickom, od kojih je jedan viseg prioriteta(tj. manje je otporan na greske), adrugi nizeg prioriteta (koristi manje robustnije modulacije). Tipican primer je prenos SDTV poLP (Low Priority) kanalu, i HDTV po HP (High Priority) kanalu. Pretpostavljajuci da se koristiprotok simbola od 27.5 Mbauda, zajedno sa 8-PSK 3/4 i QPSK 2/3 modulacijom, ostvaruje se

40Mb/s za dva HDTV programa i 12Mb/s za 2-3 SDTV programa, sa razlikom u odnosu C/N odoko 5dB.

48


49/53

Tabela 8.3: Poredenje DVB-S i DVB-S2 sistema u difuziji

Satelitski EIRP (dBW) 51 53.7

Sistem DVB-S DVB-S2 DVB-S DVB-S2

Modulacija i kodovanje QPSK 2/3 QPSK 3/4 QPSK 7/8 8PS

Documents

DVBS i DVBS2