GuiaExpTVD - Departamento de Electrónica

Laboratorio de Sistemas de Telecomunicaciones
Experiencia: Medición de Parámetros de Transmisión de TV Digital
Objetivos
La realización de esta experiencia tiene por objetivo conocer, profundizar y
experimentar en aspectos de diseño, operación y rendimiento real de la norma de
televisión digital adoptada por Chile, ISDB-Tb. Para esto se dispone y se utilizará en el
Laboratorio de TVD, del Departamento de Electrónica USM, un sistema completo de
transmisión ISDB-Tb de baja cobertura, receptores, antenas e instrumentos de medición.
La experiencia se realizará en dos sesiones. La primera en laboratorio para
familiarizarse con el sistema y sus parámetros, y para medir su rendimiento en
condiciones controladas (para canal gaussiano no selectivo en frecuencia). En la
segunda sesión se evaluará el sistema en condiciones reales de canal de propagación
(selectivo en frecuencia y variante en tiempo, con línea de vista u obstruido), recibiendo
video de alta, media y baja resolución en un TV, midiendo parámetros de recepción, y
contrastando las pérdidas de propagación teóricas y prácticas.
Descripción del sistema y equipos disponibles
El sistema de transmisión cuenta con un servidor-modulador (Playout), en el que se
puede almacenar y/o cargar en forma remota, conectado en red, los archivos de video a
transmitir, en los tres formatos incluidos en la norma ISDB-Tb; HD (alta definición),
SD (definición estándar) y OS (1-segmento, formato de baja resolución para pantallas
pequeñas de recepción móvil y/o portátil). Los archivos a transmitir vía el Playout se
generan previamente en el formato correspondiente.
También se dispone de moduladores ISDB-Tb compactos de fácil configuración de
parámetros de transmisión, a los que se les puede conectar directamente diversas fuentes
de video externas, de alta, media o baja resolución (DVD, Blue-Ray, cámara HD con
señal en “vivo”, receptor satelital, etc.).
La salida del Playout o modulador alimenta a un amplificador de relativamente baja
potencia (~1 W), pero suficiente para dar cobertura al interior de la USM (Casa
Central), excepto en ubicaciones de baja penetración de señal.
El amplificador está conectado a una antena transmisora en altura a través de un cable
coaxial de bajas perdidas (< 1 dB).
La antena tiene un patrón de radiación omnidireccional, con polarización vertical y
ganancia aproximada de 1 dBi.
La recepción de la señal transmitida se hará con receptores de TVD domésticos HD/SD
en laboratorio, o con un receptor TVD USB HD/SD/OS para notebook y un receptor
portátil TVD OS al exterior del laboratorio (en diversos puntos a elección dentro de la
USM).
Para realizar mediciones de parámetros de transmisión y recepción en el laboratorio y
en los puntos exteriores, se utilizará un instrumento especializado que permite medir
parámetros como potencia de señal recibida, relación C/N, tasas de error con y sin
corrección de errores, MER, y visualizar espectros y constelaciones de la señal recibida.
El instrumento de medición permite también hacer capturas de espectros recibidos,
constelaciones, parámetros medidos, y visualizar la propia señal de TVD recibida. Las
antenas de recepción en laboratorio son omnidireccionales, y para exterior son
omnidireccionales y/o directiva (Yagi).
La frecuencia de transmisión recomendada es 539 MHz, correspondiente al canal 25
UHF (asignado inicialmente a la USM por la SubTel para fines docentes y
experimentales).
Equipos:
- Servidor-modulador Playout ISDB-Tb. Frecuencia de operación 36 a 1002 MHz,
potencia salida -35 a -12 dBm, todos los modos y parámetros y rangos ajustables de
ISDB-Tb, aplicables independientemente a los tres niveles jerárquicos para formatos
HD, SD y OS.
- Modulador ISDB-Tb. Frecuencia de operación 30 a 960 MHz, potencia de salida -36 a
-16 dBm, todos los parámetros ajustables de ISDB-Tb, tasa ajustable de codificación de
video de 0.5 a 19.500 Mb/s. Usa el ancho de banda total (13 segmentos, no soporta
formato OS)
- Amplificador de potencia. Frecuencia de operación de 470 a 806 MHz, ganancia
apróx. 40 dB, potencia de salida (medida) 0,8 W.
- Antena transmisora externa (ganancia apróx. 1 dBi, frecuencia 539 MHz, ancho de
banda 20 MHz) y cable coaxial de bajas pérdidas (< 1 dB, 20 mt).
- Receptores de TVD ISDB-Tb, Full HD, uso doméstico.
- Receptor portátil para formato OS, pantalla 3.5”.
- Receptor TVD USB, Full Seg, para notebook.
- Instrumento de medición de parámetros de transmisión y recepción de TVD, ISDB-Tb
(TVExplorer). Rango de frecuencia 5 a 2150 MHz. Permite medir potencia, C/N, tasas
de error con y sin corrección de errores, calidad MER, espectros, constelaciones,
recepción de TV y captura de imágenes de mediciones.
- Reproductor de video Blue Ray, uso doméstico.
- Antenas de recepción tipo monopolo (frecuencia 539 MHz, ganancia 1 dBi) y Yagi
(frecuencia 539 MHz, ganancia 9 dBi).
- Cámara de alta resolución para grabación de contenidos o transmisión de video en
tiempo real.
Preparación previa
1.- (para preinforme parte A) Estudie la documentación de la norma ISDB-Tb incluida
en la carpeta de esta experiencia en la web del laboratorio. Enfatice en aspectos técnicos
como modos de transmisión, jerarquías, modulación, codificación, ancho de banda y
segmentación, intervalo de guarda, entrelazado, etc.
a) Identifique y selecciones los parámetros de transmisión a configurara en el
modulador Promax para soportar tasas binarias de al menos 10, 2.5 y 0.5 Mb/s, para
transmitir video de calidad HD, SD y OS, respectivamente. Use la Tabla 7 de resumen
de tasas del documento SistemaISDB_Tb.pdf. Suponga en todos los casos uso del ancho
de banda RF máximo (total 13 segmentos). Esto se configurará y verificará
experimentalmente durante la realización de la experiencia.
b) Resuma en un gráfico las tasas binarias obtenidas versus la C/N requerida, para cada
constelación y tasa de codificación, considerando una VBER aceptable de 2*10-4, a
partir de los datos de simulación resumidos en la tabla de la página 49 del documento
ISDB_Tb_PPT.pdf. Considere para cada caso solo los dos intervalos de guarda menor y
mayor, suponga que este parámetro no afecta significativamente la C/N requerida (pero
si incide en la Rb, según Tabla 7).
El gráfico a obtener debe ser semejante al de la Fig. 6 del documento PaperTVD.pdf.
Esto se medirá experimental durante la realización de la experiencia.
2.- (para preinforme parte B) Estudie el documento Propagación incluido en la carpeta
de esta experiencia en la web, y verifique que por las distancias asociadas no son
aplicables los modelos Okumura-Hata y de dos rayos.
Elija algunas ubicaciones (exteriores al laboratorio) dentro de la USM (2 de corta
distancia, 2 de distancia media y 2 lejanas), y estime la potencia recibida para espacio
libre con pérdidas por difracción (obstrucción por arista).
Use la figura AntenaTxEnUSM.png y/o la aplicación distancia.html para estimar las
distancias.
Haga un programa Matlab o una planilla Excel (como la FriisConDifraccion.xlsx) para
calcular el enlace y la potencia recibida, usando los datos y especificaciones de los
equipos disponibles. Es necesario disponer de una aplicación como esta durante la
realización de experiencia para calcular y contrastar con las mediciones en “terreno”.
3.- (para preinformes partes A y B) Estudie las características y operación del
modulador e instrumento de medición TVExplorer (ambos marca Promax) incluidos en
la documentación en la web. En la realización de la experiencia deberá setear
parámetros de transmisión en el modulador, y medir características de recepción con el
TVExplorer, en laboratorio y en “terreno”.
Procedimiento en la experiencia
Parte A) Interior en laboratorio (primera sesión).
A-1. Identifique y reconozca el sistema transmisor, receptores e instrumento de
medición.
A-2. Ponga en marcha el sistema transmisor de baja potencia utilizando el modulador
Promax.
Transmita video de alta resolución con señal del reproductor Blue Ray (conexión HDMI
al modulador), y conectando directo la salida del modulador por cable coaxial a un TV
(HD). Como el canal en este caso no es selectivo en frecuencia, configure el modulador
el número de portadoras, tiempo de resguardo y entrelazado mínimos (Modo 1, Tg 1/32
y interleaving 0).
Configure el modulador para la máxima tasa binaria de codificación de video posible
(19 Mb/s), y los parámetros de modulación y tasa de codificación de canal que soporten
la máxima tasa binaria física posible (23,235 Mb/s), y verifique calidad de video HD.
Reduzca gradualmente la tasa binaria de video para apreciar la reducción de resolución
en el TV (mantenga la modulación y tasa de código máximas).
Para las mediciones a realizar en el punto siguiente, A-3, determine por inspección la
máxima tasa de video aproximada que soporta cada modulación, en común para las
tasas de código 7/8, 3/4 y 1/2. Para esto basta que configure cada una de las tres
modulaciones con la mínima tasa de código, y determine la mínima tasa de video (las
otras dos tasas de código mayores soportan con mayor razón la tasa de video mínima).
Considere que la tasa de video debe ser un poco menor a la tasa binaria física, esto
porque el estándar ISDB-Tb incluye en la modulación OFDM frecuencias para señales
solo de control, lo que se traduce en que la tasa binaria de información es siempre
menor a la física.
A-3. Mida las curvas de tasas de error del sistema con el instrumento TVExplorer para
las tres constelaciones y para las tasas de codificación 7/8, 3/4 y 1/2 del estándar.
Seleccione para cada caso la tasa de video mínima para cada constelación, que sea
permitida por el canal físico en común para las tres tasas de código (las tasas de video
determinada en el punto anterior). Para cada combinación registre las tasas de error
(CBER y VBER) versus C/N, y todos los otros parámetros que permite medir el
instrumento.
Para ajustar la C/N se cuanta con un atenuado en pasos de 1dB entre el modulador y el
instrumento de medición, de acuerdo al diagrama de bloques de conexión de la siguiente
figura:
Blu Ray
(video HD)
Modulador
ISDB-Tb
Atenuador
variable
(cada 1dB)
Atenuador
fijo, 10dB
TV HD
Instrumento de
med.
TVExplorerH
Antes de medir, para cada combinación inspeccione preliminarmente el rango
aproximado de C/N para el cual la VBER cambia de un valor mínimo (estable) a un
máximo (estable), es decir midiendo C/N de forma decreciente (esto evita que el
procedimiento de enganche de la trama interfiera en la medición, al hacerlo con C/N de
forma creciente).
Para el registro de medidas puede usar la tabla Tabla Meds TVD.xls (incluida en la
carpeta de esta experiencia).
Registe en cada medición, para cada C/N y cada constelación, el diagrama de
constelación para visualizar el nivel de ruido de demodulación (MER) asociado a la
C/N. No es necesario hacerlo para cada tasa de código ya que el proceso de
decodificación es posterior a la demodulación en el receptor, incidiendo directamente en
la VBER. Por lo mismo, la CBER (antes del decodificador) tampoco se ve afectada por
la tasa de código.
La captura de las constelaciones como imágenes se puede hacer visualizándolas en la
pantalla del TVExplorerHD.
A-4. Estime el umbral de corte del TV, midiendo paralelamente con el instrumento la
potencia de referencia y visualizando en el TV el punto justo antes del cual el video
empieza a degradarse. Al igual que en el punto A-3, el nivel de señal se varía
cambiando la atenuación, en pasos de 1dB. Realice esta medición y registro para cada
combinación de parámetros de transmisión.
Parte B) Exterior al laboratorio, en USM (segunda sesión).
B-1. Conecte el modulador Promax al amplificador de potencial (de 1W nominal), y
éste a la antena dipolo coaxial exterior (por el cable coaxial de bajas pérdidas).
Transmita video HD del Blu Ray, a máxima potencia del amplificador.
Elija parámetros de transmisión adecuados para condiciones reales exterior.
Si es factible, puede usar el servidor Playout para transmitir video almacenado de
distintas calidades; formatos HD, SD y/o OS. El Playout se debe conectar al
amplificador de potencia en lugar del modulador Promax.
Verifique en laboratorio la correcta recepción con el instrumento TVExplorerHD, video
y medición de parámetros, y recepción de video con el TV del laboratorio y con un
receptor USB portátil, disponible para el monitoreo en terreno.
B-2. Recorra los puntos de recepción elegidos previamente (y/u otros a elección) al
interior de la USM, y contraste en terreno la potencia recibida medida con el
TVExplorer y la estimada a partir del cálculo para espacio libre con pérdida adicional
por difracción, según el caso. Recalcule potencia recibida en terreno si es necesario y
cuando elija ubicaciones de medición diferentes alas planificadas.
Capture mediciones, espectros, constelaciones e imágenes con el instrumento
TVExplorer.
Compare potencia recibida medida con la antena Yagi.
Monitoree todo el tiempo recepción de TV con el receptor USB portátil.
Mida potencia con el instrumento cuando se produzca condición de umbral de recepción
en el receptor portátil (degradación de imagen en el TV), y estime su umbral de
sensibilidad.
Nota: para convertir potencia en dBmV a dBm se debe restar 48.8 dB. Esto es la
relación entre voltaje en mV (en dBmV) sobre 75 ohms y potencia en mW (en dBm).
Informes (uno para cada parte A y B)
Documente todas las mediciones y procedimientos realizados, incluyendo curvas,
tablas, figuras, diagramas de bloque, cálculos, etc.
Analice y saque conclusiones generales y específicas.
Haga todas las sugerencia que estime conveniente para mejorara la experiencia.