transmisión de señales de tv digital en el estándar terreno dvb-t

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
TRANSMISIÓN DE SEÑALES DE TV DIGITAL
EN EL ESTÁNDAR TERRENO DVB-T
Alejandro Delgado Gutiérrez
Departamento de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos
—————————————————————————————————————————
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1
2.CODIFICACIÓN DE CANAL .................................................................................... 3
2.1.- Adaptación y Dispersión de Energía............................................................................. 3
2.2.- Codificación Externa (Reed-Solomon) y Entrelazado Externo (Forney). .................... 4
2.3.- Codificación Interna (Convolucional). ......................................................................... 7
2.4.- Entrelazado Interno....................................................................................................... 9
2.4.1.- Entrelazado de bits .......................................................................................... 12
2.4.2.- Entrelazado de símbolos.................................................................................. 13
2.5.- “Mapeado” de los Símbolos........................................................................................ 15
3.MODULACIÓN OFDM ............................................................................................ 17
3.1.- Capacidad del Canal de Transmisión.......................................................................... 20
3.2.- Portadoras Piloto y Estructuración en Tramas de la Señal OFDM............................. 22
3.3.- Señales de Referencia ................................................................................................. 25
3.3.1.- Localización de las Portadoras Piloto Continuas................................................. 26
3.3.2.- Localización de las Portadoras Piloto Dispersas ................................................. 27
3.4.- Portadoras TPS “Transmission Parameter Signalling”............................................... 27
3.4.1.- Formato de transmisión de las portadoras TPS.................................................... 29
3.4.2.- Modulación de las portadoras TPS ...................................................................... 30
4.- CARACTERÍSTICAS ESPECTRALES .......................................................................... 31
4.1.- Señal transmitida......................................................................................................... 32
4.2.- Máscara espectral........................................................................................................ 33
4.3.- Ruido de Fase de Osciladores Locales........................................................................ 35
5.- BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 36
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
1.- INTRODUCCIÓN
El sistema de TV digital denominado DVB-T (Terrestrial Digital Video
Broadcasting), y recogido en el estándar ETSI (European Telecommunications Standards
Institute) EN 300 744, especifica los procesos de codificación de canal y de modulación para
un adecuado funcionamiento cuando se usan los canales de transmisión terrestre. Como en el
resto de los estándares DVB, la señal de entrada normalizada es la denominada “MPEG-2
Transport Stream” (TS) o “Flujo de transporte MPEG-2".
Dicho “Flujo de Transporte” (TS), obtenido mediante el proceso denominado
“Codificación de Fuente” es una adaptación del estándar MPEG-2 según ISO/IEC 13818-1,
que se estructura multiplexando varios programas y añadiendo la “Información del Servicio”
(SI) correspondiente, según ETS 300 468.
En este documento se describe la secuencia de operaciones denominada
“Codificación de Canal”, mediante la cual se añade suficiente redundancia y protección a la
señal para hacerla más robusta con vistas a poder corregir los errores - “Forward Error
Correction” (FEC) - después de pasar por el canal de transmisión.
También se describe el “Esquema de Modulación” usado en la transmisión, que es del
tipo modulación multiportadora OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).
El resultado, combinando el potente método de codificación para corrección de
errores y la modulación multiportadora, es una transmisión de tipo COFDM (Coded
Orthogonal Frequency Division Multiplex).
El sistema DVB-T es muy flexible, disponiéndose de una serie de opciones:
-
2 modos de transmisión: 2k (1.705 portadoras); 8k (6.817 portadoras)
3 esquemas de modulación: QPSK; 16-QAM; 64-QAM
5 relaciones de codificación para protección interna de errores: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.
4 longitudes para el intervalo de guarda: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
Modulación jerárquica o no jerárquica con diferentes valores del parámetro α
Un aspecto a destacar de la técnica OFDM es que permite la operación, tanto en áreas
pequeñas como en grandes, de “Redes de Frecuencia Única” (“Single Frequency NetworksSFN”). Esto significa que mediante este sistema es posible la recepción cuando se radian
idénticos programas desde diferentes transmisores que operan en la misma frecuencia. En
estas condiciones se obtiene la máxima eficiencia del espectro, lo cual adquiere especial
relevancia cuando se usa en las bandas de UHF asignadas para TV.
En la figura 1 se muestra de manera esquemática el diagrama de bloques funcional del
sistema DVB-T.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
1
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Figura 1.- Diagrama de Bloques del Sistema DVB-T. Marcados con puntos
los bloques funcionales para transmisiones jerárquicas.
El sistema DVB-T permite transmisiones jerárquicas. En este caso hay 2 flujos de
transporte, uno de ellos denominado de “alta prioridad” (“HP”) que tiene baja velocidad y
por tanto menor calidad de imagen, modula las portadoras con un esquema de modulación
muy robusto frente al ruido (QPSK) mientras que el segundo flujo de transporte, denominado
de “baja prioridad” (“LP”) complementa al anterior en cuanto a velocidad y calidad de
imagen y combina su información con el anterior de forma que las portadoras son moduladas
finalmente con un esquema más exigente en cuanto a relación señal/ruido. En el caso de que
este último utilice 4 bits por cada 2 bits del de alta prioridad, se alcanzaría una constelación
total para la señal emitida de 64-QAM. En la zona del área de cobertura donde se reciba la
señal con buena relación S/N, la imagen recuperada, de alta calidad, corresponderá a la
combinación de los dos flujos (alta y baja prioridad) mientras que en caso contrario la calidad
de imagen recibida será peor, correspondiendo sólo al flujo de alta prioridad.
—————————————————————————————————————————
2
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
2.- CODIFICACIÓN DE CANAL
Los “Paquetes de Transporte” del múltiplex de entrada “Transport Stream” (TS) en
formato MPEG-2, tienen una longitud de 188 bytes, siendo el primer byte el de
sincronización, cuyo valor es siempre: 0x47 (01000111).
2.1.- Adaptación y Dispersión de Energía.
Para asegurar la “dispersión de energía” del espectro radiado, la señal de entrada debe
hacerse cuasi-aleatoria, de forma que se eviten largas series de ceros o de unos. Por esta
razón, el múltiplex de entrada debe ser “aleatorizado” (“randomized”) lo cual se realiza
mediante un proceso cuyo esquema se muestra en la figura 2.
Figura 2.- Generador PRBS para la dispersión de energía del Flujo de Transporte.
En este proceso se trata de obtener una “secuencia binaria pseudoaleatoria (PRBS)”,
para lo cual se emplea un generador que usa el polinomio:
1 + x14 + x15
Los registros del generador PRBS, que sirve tanto para desordenar como para ordenar,
tienen cargada la secuencia “100101010000000”, la cual debe iniciarse al comienzo de un
conjunto de 8 paquetes de transporte. Los bytes de sincronización no se ven afectados por la
“aleatorización”.
Para proporcionar una señal de inicialización en el decodificador del receptor que
permita identificar cada conjunto de 8 paquetes de transporte afectados por la aleatorización,
el byte de sincronización del primer paquete de cada conjunto de 8 está invertido, pasando de
0x47 (01000111) a 0xB8 (10111000). Este proceso es el que se conoce por “adaptación del
flujo de transporte”.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
3
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
El funcionamiento es como sigue: el primer bit en la salida del generador PRBS se
aplica al primer bit (el MSB) del primer byte que sigue al byte de sincronización invertido del
TS (el 0xB8) y así sucesivamente con los demás bits. Para ayudar al resto de funciones de la
sincronización, durante los bytes de sincronismo de los otros 7 paquetes, la generación PRBS
continúa, pero está deshabilitada, dejando a estos bytes intactos.
Así, el periodo de la secuencia PRBS es de 1.503 bytes (188 x 8 – 1).
El proceso descrito debe permanecer activo incluso cuando no exista flujo de
transporte a la entrada o cuando éste no cumpla con el formato del estándar MPEG-2.
El resultado del proceso de “Adaptación y Dispersión de Energía del Flujo de
Transporte” se indica esquemáticamente en la figura 3.
Figura 3.- Resultado de la adaptación y dispersión de energía del TS MPEG-2
2.2.- Codificación Externa (Reed-Solomon) y Entrelazado Externo (Forney).
Para permitir la corrección de errores (FEC) en la recepción, se introduce una cierta
redundancia en la estructura de los paquetes de transporte, procedimiento que se conoce
como “codificación”.
La codificación llamada “externa” se emplea en todos los estándares DVB y se
complementa con otra llamada “interna” en el caso de los estándares de transmisión vía
satélite y terrestre.
La “codificación externa” usada es de tipo Reed-Solomon RS (204, 188, t=8), que es
una versión acortada de la codificación original RS (255, 239, t=8), mediante la cual se
añaden 16 bytes de paridad a los iniciales 188 de cada paquete de transporte, resultando un
total de 204 bytes.
—————————————————————————————————————————
4
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
En estas condiciones pueden corregirse hasta un total de 8 bytes erróneos, de ahí la
denominación del código: RS (204, 188, t=8).
La forma acortada se realiza añadiendo primeramente 51 bytes nulos delante de los
188 bytes de información, con lo que se completan 239 bytes. Al pasar por el codificador RS
(255, 239, t=8) se añaden los 16 bytes de paridad: total 255 bytes; finalmente se eliminan los
51 bytes nulos con lo que resultan los 204 bytes para cada paquete de transporte afectado por
la “Codificación Externa”.
En la figura 4 se muestra la estructura de los paquetes de transporte después de la
“Codificación y Entrelazado Externos”. Esta combinación favorece la corrección de errores
de tipo “ráfaga” introducidos por el canal de transmisión.
Figura 4.- Resultado de la Codificación Externa (Reed-Solomon) y Entrelazado
Convolucional Externo (Forney)
La figura 5 muestra el esquema de concepto del “entrelazado convolucional”,
relativo al byte y con profundidad I=12, a que se someten los datos que han sido previamente
protegidos mediante la codificación externa Reed-Solomon.
El proceso de entrelazado convolucional se basa en la aproximación de Forney,
compatible con la aproximación de Ramsey tipo III, con I=12. Los bytes de datos
entrelazados, pertenecientes a los paquetes de transporte protegidos, están delimitados por los
bytes de sincronización MPEG-2 invertidos y no invertidos, que no sufren alteración alguna.
El entrelazado preserva, por tanto, la periodicidad de 204 bytes de los paquetes de transporte.
El “entrelazador” se compone de I=12 ramas, cíclicamente conectadas al flujo de
datos de entrada mediante el conmutador de entrada. Cada rama “j” constituye un registro de
desplazamiento FIFO (First-In, First-Out) con profundidad “jxM” células, donde:
M = 17 = N/I ;
siendo: N = 204
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
5
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Los conmutadores de entrada y salida, que avanzan 1 paso por cada byte de datos,
obviamente deben estar sincronizados. Los bytes SYNC invertidos y no invertidos, para
poder ser localizados, deben rutarse siempre por la rama “0” del entrelazador, la cual
corresponde a retardo nulo.
Figura 5.- Diagrama conceptual del Entrelazado y Desentrelazado
Convolucional Externo (Forney)
El resultado del proceso de entrelazado es que cada byte de los paquetes de transporte
se encuentra desplazado en el tiempo un número de posiciones igual a jx17, con lo que los
bytes originales de un paquete de transporte quedarán repartidos entre dos paquetes
consecutivos.
El desentrelazador tiene un principio similar al entrelazador, salvo que los índices de
las ramas están invertidos, es decir: “j=0” se corresponde con el máximo retardo. La
sincronización se obtiene rutando el primer byte SYNC reconocido (invertido o no) hacia la
rama “0”.
En estas condiciones, en el desentrelazador cada byte se retarda (11-j)x17 posiciones,
con lo que el retardo total entre emisión y recepción es de (j+11-j)x17 = 187, valor que por
ser idéntico para todos los bytes permite recuperar en la recepción el orden original.
Todo este proceso reduce los errores por ráfagas introducidos por el canal de transmisión
(errores que afectan a varios bytes consecutivos), ya que después de la reordenación de los
datos en el receptor, estos errores se habrán distribuido entre paquetes sucesivos, lo que
favorecerá que no se excedan los límites en los que la codificación Reed-Solomon puede
recuperar la información original.
—————————————————————————————————————————
6
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
2.3.- Codificación Interna (Convolucional).
Después de la codificación y entrelazado externos, los datos se someten a un nuevo
proceso de codificación y entrelazado, denominados “internos” (figura 6). La “codificación
interna” es de tipo convolucional y se complementa con un proceso llamado de “perforado”,
obteniéndose diferentes modos de transmisión dependiendo del esquema de perforado
elegido.
Figura 6.- Codificación Interna (Convolucional + Perforado) y Entrelazado Interno.
La figura 7 muestra el esquema de principio del “codificador convolucional” de
relación 1/2 con 64 estados (K=7 tomas), en que se basa el mecanismo.
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
Figura 7.- Codificador convolucional de relación 1/2.
Este codificador, con frecuencia llamado erróneamente de “Viterbi” debido al
algoritmo usado en recepción para la decodificación, está orientado al bit y distribuye en dos
salidas (X e Y) el flujo de datos original a base de combinar (sumas módulo-2) los datos de
entrada con los obtenidos en las tomas situadas detrás de una serie de registros de
desplazamiento.
Los polinomios generadores son: G1 = 171 (octal) para la salida X, y G2 = 133 (octal)
para la salida Y. Esto significa que se suma a los datos de entrada el dato de la toma
correspondiente cuando el valor del polinomio generador (expresado en binario) en la toma
en cuestión corresponde a “1” y no se usa el dato de la toma cuando el valor es “0”.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
7
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
En efecto: 171 octal se escribe en binario 1111001, mientras que 133 octal es en
binario 1011011 lo que se corresponde con la secuencia de tomas usadas y no usadas en el
diagrama de la figura 7.
La gran redundancia obtenida mediante el codificador de relación 1/2 descrito (el
100%) hace muy potente la corrección de errores cuando éstos son aleatorios, generalmente
asociados a una baja relación señal/ruido del canal de transmisión utilizado, pero reduce a la
mitad la capacidad del canal.
Para no limitar tanto la capacidad del canal, el sistema permite seleccionar para la
transmisión sólo algunos de los datos obtenidos en las salidas X e Y, los cuales son
posteriormente convertidos a secuencia en serie; es el proceso denominado “perforado” o
“picado” (“puncturing”) recogido esquemáticamente en la figura 8.
Y3
X5
Figura 8.- Codificación interna. Esquema de perforado y secuencia transmitida
en la salida serie.
Así, dependiendo del esquema de perforado elegido:
-
1xM datos de entrada se convierten en 2xM datos de salida en caso de relación 1/2.
2xM datos de entrada en 3xM de salida cuando la relación de codificación es 2/3.
y así sucesivamente hasta la relación de codificación 7/8.
Naturalmente la protección contra errores es menor para valores más altos de la
relación de codificación, pero la capacidad del canal aumenta. El valor más adecuado para un
caso práctico dependerá del área de cobertura deseada para una potencia dada de emisión.
En el caso de transmisiones vía satélite (estándar DVB-S), en que el esquema de
modulación usado es QPSK, se aplica la “codificación interna” (“inner coder”) incluyendo el
proceso de “perforado” (ver figuras 1 y 6), pero no se usa el “entrelazado interno” (“inner
interleaver”), y además se mantienen en paralelo las dos salidas del codificador interno, las
cuales van directamente al modulador QPSK, en lugar de pasarlas a formato serie.
—————————————————————————————————————————
8
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
En cambio, en las transmisiones vía cable (estándar DVB-C), en que el esquema de
modulación usado es 64-QAM, no existe codificación ni entrelazado interno, y los datos de
salida del codificador y entrelazado externo (“outer coder” + “outer interleaver”), previa
conversión del tren de bits en serie a 2 señales I y Q en paralelo (proceso de “mapeado”), van
directamente al modulador.
2.4.- Entrelazado Interno.
El “entrelazado interno” se compone de un primer proceso de entrelazado relativo al
bit que va seguido de un entrelazado de símbolos. Ambos, el relativo al bit y el entrelazado
de símbolos están basados en bloques. En la figura 9 se muestra el esquema de principio para
el caso “no jerárquico” y esquema de modulación con constelación 64-QAM.
Figura 9.- Entrelazado interno y “mapeado” para modo “no jerárquico”
con constelación 64-QAM
Desde el principio, el proceso de entrelazado se orienta al tamaño de los símbolos,
que es función de la constelación. Así, los símbolos tienen 2 bits en QPSK, tienen 4 bits en
16-QAM y finalmente 6 bits en 64-QAM. Ver las figuras 10 y 11.
En el caso de modos “no jerárquicos” el único flujo de transporte de entrada,
compuesto por bits xi se demultiplexa en “v” sub-flujos, siendo “v” el número de bits por
símbolo, resultando en cada vía los bits bi,j. La figura 9 ilustra la aplicación al caso 64-QAM,
por tanto con v = 6.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
9
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Figura 10.- Diagramas de Constelación: QPSK, 16-QAM y 64-QAM
(No jerárquico y jerárquico con α = 1)
Figura 11.- Diagramas de Constelación 16-QAM y 64-QAM
(Jerárquico con α = 2)
—————————————————————————————————————————
10
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
En cambio, en el caso de modos “jerárquicos” el flujo de transporte de entrada de alta
prioridad, compuesto por los bits x′i se demultiplexa en 2 sub-flujos, a la vez que el de baja
prioridad, bits x″i, lo hace en “v-2” sub-flujos, siendo “v” el número de bits por símbolo en la
constelación resultante final. Los sub-flujos de las distintas vías llevan los bits bi,j. La figura
12 ilustra la aplicación al caso 64-QAM, que corresponde a v = 6.
Figura 12.- Entrelazado interno y “mapeado” para modo “jerárquico”
con constelación 64-QAM
El esquema de demultiplexado de los bits xi (x′i y x″i en el caso jerárquico) en los
resultantes di,j para el caso 64-QAM es el siguiente:
Transmisión no jerárquica
x 0 → b 0,0
x 1 → b 2,0
x 2 → b 4,0
x 3 → b 1,0
x 4 → b 3,0
x 5 → b 5,0
Transmisión jerárquica
x′0 → b 0,0
x′1 → b 1,0
x″0 → b 2,0
x″1 → b 4,0
x″2 → b 3,0
x″3 → b 5,0
Después del demultiplexado, cada sub-flujo se procesa por separado en un
entrelazador de bits. Hay por tanto “v” entrelazadores de bits (hasta 6) que se numeran desde
I0 hasta I5. Los entrelazadores I0 e I1 se usan para QPSK, I0 a I3 para 16-QAM , I0 a I5 para
64-QAM.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
11
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
2.4.1.- Entrelazado de bits
El “entrelazado de bits” se realiza por bloques y sólo actúa sobre los datos útiles. El
tamaño de estos bloques es de 126 bits para todos los entrelazadores, aunque la secuencia de
entrelazado es diferente de unos a otros. El citado tamaño para los bloques implica que este
proceso se repite un número exacto de veces por cada símbolo OFDM tanto si se usa el
estándar 2k como si se usa el 8k:
* Nº de portadoras activas para datos:
* Bits totales por símbolo OFDM:
* Nº de entrelazadores de bit:
* Repetición del entrelazado
(nº de veces por símbolo OFDM):
Estándar 2k
Estándar 8k
1.512
v x 1.512
v
6.048
v x 6.048
v
(vx1.512)/(vx126) = 12
(vx6.048)/(vx126) = 48
Así, los bloques de bits de entrada a cada entrelazador están compuestos por:
B(e) = (be,0 be,1 be,2 ... be,125)
donde “e” va desde 0 hasta v-1
Los bloques de bits de salida de cada entrelazador están compuestos por:
A(e) = (ae,0 ae,1 ae,2 ... ae,125)
La relación entre los bits de ambos bloques, de entrada y salida, es la siguiente:
ae,w = be,He(w)
otros:
donde “w” va desde 0 hasta 125
Y siendo He(w) una función de permutación, que es diferente de unos entrelazadores a
Entrelazador
“
“
“
“
“
I0:
I1:
I2:
I3:
I4:
I5:
H0(w) = w
H1(w) = (w + 63) mod 126
H2(w) = (w + 105) mod 126
H3(w) = (w + 42) mod 126
H4(w) = (w + 21) mod 126
H5(w) = (w + 84) mod 126
Las salidas de los “v” entrelazadores se agrupan para formar palabras (y′w) de “v”
bits, de manera que se toma cada vez un único bit de la salida de cada entrelazador,
correspondiendo el bit más significativo a la salida de I0, es decir:
y′w = (a0,w a1,w a2,w ... av-1,w)
—————————————————————————————————————————
12
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
2.4.2.- Entrelazado de símbolos
El “entrelazado de símbolos” se realiza sobre las anteriores palabras y′w conteniendo
cada una de ellas “v” bits, de forma que a la salida del entrelazador queden agrupadas en
bloques cuyo tamaño está calculado para que los datos se puedan distribuir directamente
entre las 1.512 (modo 2k) ó 6.048 (modo 8k) portadoras activas que tiene cada símbolo
OFDM.
Para ello, las palabras y′w se agrupan para formar unos vectores Y′ de la siguiente
forma, dependiendo del estándar (modo) de transmisión:
Estándar 2k
Estándar 8k
12 conjuntos de 126 palabras
48 conjuntos de 126 palabras
Y′ = (y′0 y′1 y′2 ...
Y′ = (y′0 y′1 y′2 ...
y′1511)
y′6047)
Estos vectores Y′ a la entrada del entrelazador de símbolos se convierten en los
vectores entrelazados Y a su salida:
Y = (y0 y1 y2 ...
yNmax-1)
siendo:
Nmax = 1.512 en modo 2k
Nmax = 6.048 en modo 8k
Donde:
yq = y′H(q)
desde q = 0 hasta q = Nmax-1
para símbolos OFDM impares
yH(q) = y′q
desde q = 0 hasta q = Nmax-1
para símbolos OFDM pares
H(q) es una función de permutación que se puede generar mediante el algoritmo cuyo
diagrama de bloques esquemático se muestra en la figura 13a para el modo 2k y en la figura
13b para el modo 8k.
Figura 13a.- Algoritmo generador de la función de permutación H(q) para modo 2k.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
13
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Figura 13b.- Algoritmo generador de la función de permutación H(q) para modo 8k.
En los diagramas de bloques de las figuras 13a y 13b, R′i son palabras binarias
compuestas por 10 bits en el modo 2k y 12 bits en el modo 8k, que toman los siguientes
valores:
Modo 2k:
R′0 [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = 0 0 0 0 0 0 0 0 0
R′1 [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = 0 0 0 0 0 0 0 0 0
R′2 [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = 0 0 0 0 0 0 0 0 1
R′i [8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = R′i-1 [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1]
R′i [9] = R′i-1 [0] + R′i-1 [3]
2<i<2048
Modo 8k:
2<i<8192
R′0 [11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
R′1 [11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
R′2 [11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
R′i [10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] = R′i-1 [11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1]
R′i [11] = R′i-1 [0] + R′i-1 [1] + R′i-1 [4] + R′i-1 [6]
Ri son vectores derivados de los R′i mediante las permutaciones de bits que recogen
las siguientes tablas:
Modo 2k:
Posiciones de bits de R′i
Posiciones de bits de Ri
9
0
8
7
7
5
6
1
5
8
4
2
3
6
2
9
1
3
0
4
Modo 8k:
Posiciones de bits de R′i
Posiciones de bits de Ri
11
5
10
11
9
3
8
0
7
10
6
8
5
6
4
9
3
2
2
4
1
1
0
7
—————————————————————————————————————————
14
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
2.5.- “Mapeado” de los Símbolos.
Cada palabra yq′ perteneciente al vector Y de salida del entrelazador de símbolos,
tiene “v” bits:
yq′ = (y0,q′ y1,q′ y2,q′ ... yv-1,q′)
siendo:
0 ≤ q′ ≤ 1.511 en modo 2k
0 ≤ q′ ≤ 6.047 en modo 8k
Estos “v” bits de la palabra número q′ modulan con un esquema de modulación
correspondiente al valor de v, la portadora número q′ de las 1.512 (modo 2k) ó 6.048 (modo
8k) portadoras activas para datos que tiene cada símbolo OFDM.
Para ello es necesario distribuir (“mapear”) en dos señales I y Q el flujo serie de datos
presente a la salida del entrelazador de símbolos. La figura 14 ilustra una situación similar
que convierte bytes (compuestos por 8 bits), pasando por símbolos de v = 6 bits, en las 2
señales I y Q necesarias para obtener una constelación de 64-QAM. Nótese que la duración
inicial de cada bit se duplica en las salidas I y Q.
1er Byte
b1
b2
2º Byte
b3
b4
b5
b6
1er Símbolo
b7
b8
b9
3er Byte
b10 b11 b12 b13
2º Símbolo
b14 b15 b16
b17 b18 b19 b20 b21 b22 b23 b24
3er Símbolo
4º Símbolo
Modulación 64QAM : 3 Bytes sucesivos forman 4 Símbolos de 6 bits sucesivos
1er Símbolo
I
Q
b1
2º Símbolo
b3
b2
b5
b4
b7
b6
3er Símbolo
b9
b8
b11
b10
b15
b13
b12
4º Símbolo
b14
b17
b16
b19
b18
b21
b20
b23
b22
b24
Los Símbolos de 6 bits se convierten en dos señales I y Q de 3 bits cada una
Figura 14.- “Mapeado” para modulación 64-QAM.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
15
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
El resultado de la modulación de cada portadora puede verse en las figuras 10 y 11,
para lo cual la distribución de los bits entre las señales I y Q se hace con el siguiente orden:
Constelación
Bits del flujo de datos serie
Bits en la salida I
Bits en la salida Q
QPSK
y0,q′ y1,q′
y0,q′
y1,q′
16-QAM
y0,q′ y1,q′ y2,q′ y3,q′
y0,q′ y2,q′
y1,q′ y3,q′
64-QAM
y0,q′ y1,q′ y2,q′ y3,q′ y4,q′ y5,q′
y0,q′ y2,q′ y4,q′
y1,q′ y3,q′ y5,q′
En el caso de modos jerárquicos (figura 11) los bits de alta prioridad son los y0,q′ y1,q′
siendo los restantes los de baja prioridad. Con la distribución de bits anterior entre las señales
I y Q, en caso de que la constelación se decodifique como QPSK (un solo punto de la
constelación identificado en cada cuadrante) solamente se recuperarán los bits de alta
prioridad y0,q′ y1,q′ mientras que la recuperación de todos los bits exigirá la correcta
identificación de la constelación completa.
La distancia entre los puntos de la constelación está determinada por el parámetro de
modulación “α” que se define como la relación de la distancia entre dos puntos de la
constelación pertenecientes a cuadrantes adyacentes y la distancia entre puntos del mismo
cuadrante (ver figura 11).
El estándar DVB-T especifica 3 valores para este parámetro: Modulaciones uniformes
con α = 1 y modulaciones no uniformes con α = 2 y α = 4.
—————————————————————————————————————————
16
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
3.- MODULACIÓN OFDM
El principio de la modulación OFDM consiste en distribuir el flujo binario de
información entre un gran número de portadoras de forma que cada una maneje una
velocidad de datos reducida con respecto a la del flujo total. En consecuencia, la duración
“TU” de los símbolos aumenta respecto al caso de modular una sola portadora, haciendo de
esta forma a la señal muy robusta frente a interferencias por trayectos múltiples (ecos) ya que
el retardo de éstos resulta ser muy pequeño comparado con la duración citada.
Por otra parte, la separación en frecuencia entre las portadoras se hace igual al inverso
de la duración “TU” de los símbolos, con lo que la posición de las portadoras en el espectro
de frecuencias (figura 15) coincide con los nulos del espectro de las portadoras adyacentes
(condición de portadoras ortogonales). En estas condiciones se consigue mínima interferencia
intersímbolos.
1/TU
Figura 15.- Espectro de portadoras adyacentes en la modulación OFDM
Para fortalecer todavía más a la señal transmitida frente a los ecos, se amplía la
duración de los símbolos añadiendo un tiempo ∆ denominado “intervalo de guarda” a la
duración útil TU con lo que la duración total del símbolo pasa a ser:
TS = ∆ + TU
El intervalo de guarda es una continuación cíclica de la parte útil del símbolo, el cual
se inserta delante de él. En estas condiciones, si la señal se recibe por 2 caminos diferentes
con un retardo relativo entre ellas, siempre que este retardo no supere el intervalo de guarda,
coincidirá en las dos la información contenida dentro del tiempo útil del símbolo de la señal
principal. La figura 16 ilustra esta situación.
Como los receptores ignoran la señal recibida durante el intervalo de guarda de la
señal principal, el resultado es que no habrá interferencia intersímbolos. Sin embargo, la
inserción de este intervalo de guarda supone una pérdida en la capacidad de transmisión del
canal.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
17
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Figura 16.- Multitrayecto con retardo inferior al intervalo de guarda.
El tiempo ∆ del intervalo de guarda se mide en fracciones de la duración útil TU del
símbolo, disponiéndose de 4 posibles valores:
∆ / TU =
1/4
1/8
1/16
1/32
Las tablas siguientes muestran los valores numéricos que toman los parámetros
descritos para los dos sistemas: 8k (6.817 portadoras) y 2k (1.705 portadoras).
—————————————————————————————————————————
18
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
En la tabla anterior, T es el “Periodo de tiempo elemental”: T = 7/64µseg
Las figuras 17 y 18 ilustran la disposición de las portadoras en tiempo y frecuencia
antes y después de la inserción del intervalo de guarda.
Figura 17.- Distribución de las portadoras en tiempo y frecuencia.
Figura 18.- Inserción del intervalo de guarda.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
19
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
3.1.- Capacidad del Canal de Transmisión.
El estándar 2k tiene 1.705 portadoras totales en cada símbolo OFDM mientras que el
estándar 8k tiene 6.817 portadoras.
Ahora bien, no todas las portadoras están moduladas por los datos procedentes de la
“Codificación de Canal”. Como se ha indicado al describir el “mapeado” de los símbolos,
sólo 1.512 portadoras en modo 2k ó 6.048 portadoras en modo 8k son útiles para datos.
Llamando “FT” al flujo binario total transportado por las portadoras útiles para datos,
éste vendrá dado por:
FT = fS . v . L (bits/seg)
Siendo
fS :
TS :
v:
L:
Frecuencia de los símbolos (símbolos/seg) fS = 1/TS
Duración del símbolo.
nº de bits/portadora (función del esquema de modulación).
nº de portadoras activas para datos.
La capacidad del canal o flujo binario útil “FU” resultará de descontar del flujo binario
total las redundancias incluidas en la codificación interna y en la codificación Reed-Solomon;
es decir:
FU = FT . r . 188/204 (bits/seg)
Siendo ahora
r:
Relación de codificación interna.
A modo de ejemplo, en el caso de transmisión en modo 8k, relación de codificación
2/3, intervalo de guarda 1/4 y constelación 64QAM, para canales de 8MHz, se tendrá:
*
*
*
*
*
Duración del símbolo
Frecuencia de los símbolos
Nº de bits/portadora
Nº de portadoras activas
TS = ∆ + TU = 1.120µs
fS = 1/TS = 892,857 símbolos/seg
v=6
L = 6.048
Flujo Binario Total:
FT = 32,4 Mbps
Relación de codificación
r = 2/3
Capacidad del Canal:
FU = 32,4 . 2/3 . 188/204 = 19,90588 Mbps
—————————————————————————————————————————
20
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
En la tabla siguiente se muestra la capacidad del canal para sistemas no jerárquicos en
todos los casos de constelación, intervalo de guarda y relación de codificación interna, para
transmisiones en canales radioeléctricos de 8 MHz.
La tabla anterior es común para los estándares 2k y 8k, lo que significa que la
capacidad del canal es idéntica para ambos modos, a pesar de emplear diferente número de
portadoras.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
21
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
3.2.- Portadoras Piloto y Estructuración en Tramas de la Señal OFDM.
Un “Símbolo OFDM” está compuesto por conjuntos de “K” elementos o “celdas”,
correspondiendo cada uno de ellos a una portadora (figura 17):
K= 1.705 elementos (portadoras totales) en el modo 2k
K= 6.817 elementos (portadoras totales) en el modo 8k.
Sin embargo, como se ha indicado anteriormente, los datos procedentes de la
“Codificación de Canal” modulan solamente 1.512 portadoras en modo 2k ó 6.048 portadoras
en modo 8k, que son las portadoras activas para datos contenidas en cada símbolo OFDM.
Esto significa que, además de las portadoras para datos, la señal transmitida incluye
otras portadoras o “celdas” cuya utilidad es la siguiente:
* Portadoras Piloto Continuas “Continual Pilots”, para sincronización del receptor en
frecuencia y fase.
* Portadoras Piloto Dispersas “Scattered Pilots”, para regeneración del canal en
amplitud y fase en el receptor.
* Portadoras TPS “Transmission Parameter Signalling” con información del modo
transmitido.
La incorporación de estas portadoras piloto en número y distribución adecuados exige
organizar la señal transmitida en “Tramas”.
*
Cada trama, con duración “TF” , consiste en 68 símbolos OFDM, que se numeran de 0
a 67. En consecuencia: TF = 68 TS.
*
Una “Super-Trama” está formada por 4 Tramas tanto en modos 2k como 8k.
*
En cambio, una “Mega-Trama” está formada por:
- 32 Tramas en el estándar 2k
- 8 Tramas en el estándar 8k
La figura 19 ilustra la estructura en tramas de la señal OFDM, donde puede verse la
distribución de las portadoras piloto dispersas, continuas y TPS, cuyo número es el siguiente:
Modo 2k
Modo 8k
Continuas
Dispersas
TPS
Portadoras de datos
45
131
17
1.512
177
524
68
6.048
TOTAL
1.705
6.817
Portadoras
—————————————————————————————————————————
22
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
Figura 19.- Estructura de las tramas en la señal DVB-T
Las portadoras que contienen datos se transmiten con nivel de potencia normalizado, de
manera que cumplen: E[c.c*] = 1, correspondiendo “c” a los distintos puntos “cm,ℓ,k” de la
constelación de la portadora “k” (0 a 6.816 en modo 8k) del símbolo número “ℓ” (0 a 67) en
la trama número “m” .
En cambio, las celdas que contienen las portadoras “Piloto Continuas” y “Piloto
Dispersas” cuyo esquema de modulación es siempre BPSK con Im (cm,ℓ,k) = 0, se transmiten
con nivel de potencia “reforzado” (“boosted”), cumpliendo: E[c.c*] = 16/9.
Finalmente, las portadoras ”TPS” que también emplean un esquema de modulación tipo
BPSK con Im (cm,ℓ,k) = 0, se transmiten con el nivel de potencia normalizado, es decir,
cumpliendo: E[c.c*] = 1.
Los factores de normalización para los puntos “z” de las diferentes constelaciones
(Ver figura 20, para 64QAM con α= 1) que conducen al cumplimiento de la condición
E[c.c*]=1 vienen dados en la tabla siguiente:
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
23
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Con estos valores para la condición de nivel de potencia “normalizado” de los puntos
de la constelación, las Portadoras Piloto Continuas y Dispersas, que se transmiten con nivel
“reforzado” ocuparán las posiciones en el eje real de la constelación:
± 4/3 x Z/C
(Ejemplo: ± 4/3 x √42 = 8,64 en 64QAM con α= 1)
mientras que las Portadoras TPS, cuyo nivel de potencia es el normalizado, ocuparán:
± Z/C
(Ejemplo: ± √42 = 6,48 en 64QAM con α= 1)
En la figura 20 se muestran las posiciones ocupadas por las Portadoras Piloto
Continuas, Dispersas y TPS en una constelación tipo 64QAM uniforme (α= 1).
Portadoras TPS
Portadoras Piloto
Continuas y
Dispersas
Portadoras TPS
Portadoras Piloto
Continuas y
Dispersas
Figura 20.- Constelación 64QAM uniforme (α=1), con Portadoras Piloto y TPS.
—————————————————————————————————————————
24
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
3.3.- Señales de Referencia
Las Portadoras Piloto Continuas y las portadoras Piloto Dispersas se modulan con la
denominada “Información de Referencia”.
Cada portadora Piloto Continua coincide con una portadora Piloto Dispersa cada 4
símbolos (ver figura 19), y la información transmitida por ambos tipos de portadoras se
deriva de una “Secuencia Binaria Pseudoaleatoria” (“Pseudo Random Binary Sequence”
PRBS) que se genera de acuerdo con el esquema mostrado en la figura 21.
Figura 21.- Generador PRBS para las portadoras piloto
El polinomio generador de la secuencia PRBS es:
x11 + x2 + 1
El PRBS se inicializa de forma que el primer bit de salida coincide con la primera
portadora activa. Con cada portadora, ya sea piloto o no, se genera un nuevo valor.
El resultado del generador PRBS, denominado “wk”, aplicable a la portadora número
“k”, modula las Portadoras tanto Continuas como Dispersas con el siguiente esquema:
Re(cm,ℓ,k) = 4/3 x 2(1/2 – wk)
Im(cm,ℓ,k) = 0
El cual corresponde, como se ha indicado anteriormente, a un nivel de potencia
“reforzado” (“boosted”), que cumple: E[c.c*] = 16/9.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
25
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
3.3.1.- Localización de las Portadoras Piloto Continuas
El estándar 8k contiene 177 portadoras Piloto Continuas del total de 6.817 portadoras
que tiene cada símbolo OFDM. En el estándar 2k hay 45 portadoras Piloto Continuas de un
total de 1.705 portadoras por cada símbolo OFDM.
A diferencia de lo que ocurre con las Portadoras Piloto Dispersas, las posiciones que
ocupan dichas portadoras Piloto Continuas en cada símbolo OFDM son siempre las mismas
(ver figura 19) y están recogidas en la siguiente tabla:
Obsérvese que todas las portadoras del estándar 2k coinciden en posición con las
primeras 45 del estándar 8k.
—————————————————————————————————————————
26
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
3.3.2.- Localización de las Portadoras Piloto Dispersas
Llamando
“m” : Número de la trama.
“ℓ” : Número del símbolo dentro de cada trama.
0 ≤ ℓ ≤ 67
“k” : Índice de la portadora dentro de cada símbolo OFDM.
0 ≤ k ≤ kmax
kmax = 6.816 en modo 8k
kmax = 1.704 en modo 2k
Para el símbolo número “ℓ” de una determinada trama, los índices “k” que
corresponden al subconjunto de “Portadoras Dispersas” vienen dados por:
k = 3 x (ℓ mod 4) + 12 p
Siendo “p” un número entero p ≥ 0 que debe cumplir la condición de que el valor
resultante para “k” no exceda el valor de kmax correspondiente al estándar de que se trate.
De acuerdo con la expresión anterior, es evidente que las portadoras dispersas están
separadas entre sí 12 posiciones y que ocupan la posición 0 (compartida con portadoras
continuas) en todos los símbolos numerados 0, 4, 8, 12, etc. que tienen: “ℓ mod 4 = 0”.
En el caso citado (Símbolos OFDM con “ℓ mod 4 = 0” ) hay 569 portadoras dispersas
por símbolo en modo 8k, de las cuales 45 coinciden con pilotos continuas y 143 portadoras
dispersas por símbolo en modo 2k, de las que 12 coinciden en posición con las continuas.
El resto de símbolos contienen 568 portadoras piloto dispersas en modo 8k, de las
cuales 44 coinciden con las continuas, mientras que en modo 2k hay 142 portadoras dispersas
por símbolo de las que 11 coinciden con las continuas.
3.4.- Portadoras TPS “Transmission Parameter Signalling”
Las portadoras TPS sirven para señalizar los parámetros correspondientes al esquema
de transmisión empleado, es decir, para informar de todo lo relativo a la Codificación de
Canal y a la Modulación usadas en la transmisión.
Estas portadoras TPS se transmiten en paralelo, ocupando 17 posiciones de cada
símbolo OFDM en el estándar 2k y 68 posiciones en el estándar 8k (ver figura 19). La tabla
siguiente recoge los índices de las posiciones que ocupan las portadoras TPS en cada símbolo
para ambos estándares.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
27
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
Todas las portadoras TPS de un mismo símbolo OFDM transportan el mismo bit de
información, y se agrupan en bloques de 68 símbolos consecutivos coincidentes con una
trama. Así pues, cada bloque de portadoras TPS contiene 68 bits, los cuales se distribuyen de
la forma siguiente:
-
1 bit de inicialización.
-
16 bits de sincronización.
-
37 bits de información.
-
14 bits redundantes para protección contra errores.
De los 37 bits de información, por el momento sólo se usan 23; los restantes 14 bits
están reservados para usos futuros y deben estar puestos a cero.
Las portadoras TPS transportan la siguiente información:
a). Tipo de constelación QAM, incluyendo el valor del parámetro α (modulaciones
uniformes y no uniformes).
b). Información sobre el tipo de transmisión: jerárquica o no jerárquica.
c). Intervalo de guarda.
d). Relación de codificación interna.
e). Modo de transmisión: 2k u 8k.
f). Número de la trama dentro de la super-trama correspondiente (una super-trama
contiene 4 tramas).
—————————————————————————————————————————
28
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
3.4.1.- Formato de transmisión de las portadoras TPS
La tabla siguiente indica la manera en que la información relativa a la Codificación de
Canal y a la Modulación se distribuye entre los 68 bits correspondientes a cada bloque de
portadoras TPS coincidentes con una trama:
Bit número
Formato
s0
Función
Bit de inicialización
s1 – s16
0011010111101110 Tramas 1ª y 3ª
1100101000010001 Tramas 2ª y 4ª
Palabra de sincronización
s17 – s22
010111 (número 23 en binario)
Indicador de longitud de los bits
de información usados
s23 – s24
00
01
10
11
Trama
Trama
Trama
Trama
s25 – s26
00
01
10
QPSK
16-QAM
64-QAM
s27 – s28 – s29
000
001
010
011
Transmisión No Jerárquica
α=1
α=2
α=4
Información Jerárquica
s30 – s31 – s32
000
001
010
011
100
Relación 1/2
Relación 2/3
Relación 3/4
Relación 5/6
Relación 7/8
Relación de Codificación
Flujo HP
s33 – s34 – s35
000
001
010
011
100
Relación 1/2
Relación 2/3
Relación 3/4
Relación 5/6
Relación 7/8
Relación de Codificación
Flujo LP
s36 – s37
00
01
10
11
1/32
1/16
1/8
1/4
Intervalo de Guarda (∆/TU)
s38 – s39
00
01
Modo 2k
Modo 8k
Estándar de Transmisión
s40 – s53
Todos a “0”
Reservados para uso futuro
s54 – s67
Código BCH
Protección de Errores
1ª
2ª
3ª
4ª
en la super-trama
en la super-trama
en la super-trama
en la super-trama
Número de Trama
Constelación
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
29
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
3.4.2.- Modulación de las portadoras TPS
Cada portadora TPS está modulada con un esquema tipo 2-PSK diferencial (DBPSK).
Esta modulación se inicializa al principio de cada bloque TPS, es decir, al principio de cada
trama, para lo cual, las portadoras TPS pertenecientes al primer símbolo OFDM (símbolo
“ℓ=0”) de una trama llevan el bit “s0” de inicialización.
La modulación absoluta de este bit “s0” de inicialización se deriva de la secuencia de
referencia “wk” obtenida del generador “PRBS” (figura 21) usado para suministrar la
“Información de Referencia” a las Portadoras Piloto, y es como sigue:
Re(cm,ℓ,k) = 2(1/2 – wk)
Im(cm,ℓ,k) = 0
Para la modulación diferencial del resto de portadoras TPS, se aplica la siguiente regla
a la portadora de índice “k” del símbolo “ℓ” (ℓ>0) en la trama “m” :
Si el bit “sℓ” = 0:
Si el bit “sℓ” = 1:
En cualquier caso:
Re(cm,ℓ,k) = Re(cm,ℓ-1,k)
Re(cm,ℓ,k) = - Re(cm,ℓ-1,k)
Im(cm,ℓ,k) = 0
Como puede verse, las celdas TPS se transmiten con nivel de potencia normalizado,
es decir, con una energía igual al de la media de todas las celdas de datos, cumpliéndose
E[c.c*] = 1.
—————————————————————————————————————————
30
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
4.- CARACTERÍSTICAS ESPECTRALES
Como se ha visto anteriormente (figuras 15 y 17), los símbolos OFDM constituyen
una yuxtaposición de portadoras ortogonales equi-espaciadas. Las amplitudes y las fases de
las portadoras de datos varían de un símbolo a otro de acuerdo con el proceso de “Mapeado”
descrito en el apartado 2.5.
Obviamente, el espectro resultante de todas las portadoras es la suma de los espectros
particulares de cada una de ellas. La figura 22 ilustra el espectro teórico para los estándares
2k y 8k con intervalo de guarda ∆ = TU / 4 en canales de 8MHz de anchura de banda.
Figura 22.- Espectro DVB-T teórico para ∆ = TU / 4 (Canales de 8 MHz).
En la forma del espectro interviene el hecho de que, debido a la inserción del intervalo
de guarda (figura 18), la duración TS del símbolo es mayor que el inverso de la separación
entre portadoras TU , por lo que el lóbulo principal del espectro de cada portadora es más
estrecho que el doble de la separación entre ellas, dando lugar a una densidad espectral no
constante dentro de la anchura de banda nominal asignada a la transmisión, que es de
7,61MHz aproximadamente.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
31
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
4.1.- Señal transmitida.
La figura 23 representa el diagrama de bloques completo de un transmisor DVB-T
donde están representados, además de los bloques correspondientes a la codificación de canal
y modulación OFDM, el convertidor al canal de salida y el amplificador de potencia
necesario para alcanzar el nivel de señal requerido para la transmisión.
Figura 23.- Diagrama de bloques de un transmisor DVB-T
Pues bien, el paso de la señal OFDM a través del amplificador de potencia del
transmisor, que es un dispositivo con algún grado de distorsión de tipo no lineal, genera
productos de intermodulación los cuales, además de la degradación intrínseca que para la
señal OFDM supone su presencia dentro del canal transmitido, extienden el espectro radiado
a ambos lados del canal dando lugar a las llamadas “hombreras” (“shoulders”) .
Estas hombreras, cuyo nivel con relación al de la señal nominal dentro del canal
dependerá de la mayor o menor linealidad de los pasos amplificadores de potencia, pueden
perturbar otros servicios existentes en los canales adyacentes al transmitido.
Estos servicios, tratándose normalmente de emisiones en la banda de UHF para TV,
consistirán en programas de TV analógica o TV digital.
Debido a ello es preciso limitar el nivel de las hombreras que invaden dichos canales
adyacentes a unos valores que dependerán del tipo de servicio incorporado en ellos, siendo la
limitación más exigente en el caso de emisiones de TV digital que en el de TV analógica.
—————————————————————————————————————————
32
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
4.2.- Máscara espectral.
Normalmente la señal radiada por los transmisores se procesa de forma que las
hombreras queden reducidas a un nivel mínimo. Las técnicas para conseguirlo suelen
consistir en la utilización de amplificadores de potencia razonablemente lineales, y en la
aplicación de precorrecciones analógicas o digitales a la señal OFDM para compensar las
distorsiones de los pasos de potencia. Sin embargo, los resultados obtenidos con estos
métodos sólo consiguen valores de hombreras comprendidos entre 35 y 40dB por debajo del
nivel nominal de la señal dentro de banda, lo que resulta insuficiente para que los canales
adyacentes no resulten afectados.
Es necesario por lo tanto emplear filtros en la salida de los transmisores cuya curva de
respuesta reduzca a valores suficientemente bajos el nivel de las componentes del espectro de
la señal situadas fuera de la banda nominal asignada. El espectro resultante de la señal con
sus hombreras seguida del filtrado descrito deberá cumplir con un perfil que se especifica
mediante una “máscara”.
10 Log (7,61MHz/4kHz) = 32,8dB
(*) ≈ 40dB con máscara no crítica
≈ 50dB (*)
Figura 24.- Máscara Crítica para la señal DVB-T en canales de 8 MHz.
La figura 24 recoge las características de la denominada “Máscara Crítica” que es la
requerida en el caso de presencia de canales adyacentes de TV digital. También en dicha
figura se expresa el valor aproximado para los puntos más conflictivos situados a ±4,2MHz
respecto a la frecuencia central, en el caso de máscara estándar o no crítica, aplicable en el
caso de canales adyacentes de TV analógica.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
33
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
La curva representada en la figura 24 debe interpretarse como un gálibo al que debe
ajustarse el espectro transmitido, que se supone presentado en la pantalla de un analizador de
espectros que utiliza un filtro de resolución de 4kHz.
En estas condiciones, considerando que el espectro útil de la señal OFDM ocupa una
anchura de banda de 7,61MHz en canales de 8MHz, el nivel dentro de banda mostrado por el
analizador de espectros para la citada señal OFDM estará situado 32,8dB por debajo de la
referencia de 0dB asociada a la potencia RMS total radiada. En efecto:
10 Log (7,61MHz/4kHz) = 32,8dB
Esto significa que, de acuerdo con la figura 24, en los puntos separados ±4,2MHz de
la frecuencia central, el nivel del espectro deberá estar a unos 50dB por debajo del nivel de la
señal dentro de banda. En un caso típico de transmisor en que las hombreras generadas estén
a -37dB, el filtro colocado a la salida del paso de potencia debería aportar los 13dB restantes
para el cumplimiento de la máscara crítica.
No es fácil conseguir filtros con este grado de selectividad entre banda de paso y
banda atenuada. La tabla siguiente muestra las características reales de un filtro para DVB-T
basado en arquitectura coaxial con 8 resonadores, que estaría sobrado para el cumplimiento
de la máscara estándar pero que no permitiría alcanzar la máscara crítica:
En cualquier caso, el cumplimiento de las máscaras citadas aseguran la protección de
los canales adyacentes en las condiciones siguientes:
-
No hay discriminación por polarización entre canales adyacentes y transmitido.
La potencia radiada en el canal adyacente es la misma que en el principal (potencia de
pico de sincronismo en el adyacente analógico igual a la potencia RMS del digital
radiado)
Si no son aplicables, deberán introducirse las correcciones oportunas.
—————————————————————————————————————————
34
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
DVB-T Rev.00 Oct-02
TV DIGITAL DVB-T
4.3.- Ruido de Fase de Osciladores Locales.
La calidad de la señal OFDM se degrada rápidamente si las portadoras se ven
afectadas por ruido de fase.
Este ruido de fase puede ser introducido por el Oscilador Local (O.L.) del convertidor
al canal de salida de los transmisores (up-converter en la figura 23). Por esta razón, en los
transmisores para DVB-T este parámetro de calidad del O.L. debe cuidarse especialmente.
El ruido de fase del O.L. suele medirse con Analizadores de Espectros y se expresa
normalmente en dBc/Hz para un cierto offset de frecuencia con relación a su frecuencia
nominal.
La figura 25 muestra la máscara recomendada para especificar el ruido de fase de los
citados Osciladores Locales. Los puntos A, B y C que expresan los niveles de ruido máximos
a determinados offset de frecuencia están pendientes de especificación oficial en cuanto a
nivel.
Sistemas de 8k:
fa = 1,1 kHz
fb = 2,2 kHz
fc = 3,4 kHz
Figura 25.- Máscara para el ruido de fase de Osciladores Locales.
Como el ruido de fase del O.L. del up-converter se traslada a todas las portadoras de
la señal OFDM, se presta especial atención al nivel de dicho ruido en las posiciones de
frecuencia que corresponden a las portadoras adyacentes. Es por ello que las posiciones fa, fb
y fc marcadas en el gálibo de la figura 25 son múltiplos de 1,116kHz en sistemas de 8k y de
4,464kHz en sistemas de 2k.
En la práctica, -85dBc/Hz @ 1,1kHz es un valor adecuado para sistemas de 8k.
—————————————————————————————————————————
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS
35
TV DIGITAL DVB-T
DVB-T Rev.00 Oct-02
5.- BIBLIOGRAFÍA
1.-
ETSI; EN 300 744. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel
coding and modulation for Digital Terrestrial Television (DVB-T). July 1.999.
2.-
ETSI; ETR 290. Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for
DVB systems. May 1.997.
3.-
ETSI; TR 101 190. Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for
DVB terrestrial services; Transmission aspects. December 1.997.
4.-
ETSI; TS 101 191. Specification of a Mega-frame for SFN Synchronisation. April
1.997.
5.-
S. Grunwald. Digital TV Rigs and Recipes. Part 4 DVB-T. Rohde & Schwarz
Broadcasting Division. February 2.001.
6.-
Hervé Benoit. Television Digital. Editorial Paraninfo. Madrid 1.998
7.-
M.C.D. Maddocks. An Introduction to Digital Modulation and OFDM Techniques.
B.B.C. Research Development Report, RD1993/10. 1.993.
8.-
M. Alard and R. Lasalle. Principles of Modulation and Channel Coding for Digital
Broadcasting for Mobile Receivers. EBU Review-Technical No 224; pp. 168-190.
August 1.987.
9.-
G. Faria. Single Frequency Networks; A magic Feature of the COFDM. ITIS –
France. 1.997.
—————————————————————————————————————————
36
E.T.S.I.T.M. DEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y TEORÍA DE CIRCUITOS