CONTROL DE ERRORES EN TELEVISION DIGITAL (CODIFICACION DE CANAL) Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander – España [email protected] http://personales.unican.es/perezvr Septiembre 2008 En esta sesión se tratarán dos temas: 1. Control de errores (Codificación de canal) 2. Multiplexado por división ortogonal de frecuencia 1 Canal de Comunicación. Destino de la información Transmisor Antena transmisora Medio de transporte Canal de propagación Transmisor Receptor Antena receptora Receptor Canal de radio Según el medio de transporte, el canal de comunicación se clasifica en: Canal de satélite: Prácticamente espacio libre. Se ve afectado por: • Atenuación dependiente de la distancia (1/d2). • Absorción por gases atmosféricos (f > 8 GHz).. • Absorción por vapor de agua (máx a unos 23 GHz). • Absorción por oxígeno molecular (max. alrededor de 62 GHz). • Hidrometeoros atmosféricos, principalmente lluvia intensa. • Ruido cósmico. Canal de cable: Se ve afectado principalmente por la atenuación en el cable (o fibra óptica), que en cable metálico es creciente con la frecuencia. 2 Canal ionosférico: Es en el que se realizan las comunicaciones radioeléctricas que utilizan la ionosfera como reflector de la energía electromagnética. Se ve afectado por numerosos factores como actividad solar, ruido atmosférico, hora del día y estación del año entre otros. Canal troposférico: En el que se realizan la mayor parte de las comunicaciones radioeléctricas en la cercanía de la superficie terrestre hasta unos 10 km de altura. Se ve afectado por: • Reflexión especular y difusa • Ruido natural y generado por la actividad humana. • Ruido e interferencia impulsivos. • Interferencia de banda estrecha. • Propagación multicamino que da lugar a ISI. • Desvanecimiento selectivo en frecuencia. • Efectos de sombra (difracción). • Coexistencia con otros servicios. • En receptores móviles, efectos multicamino dinámicos y efectos Doppler. Presenta las condiciones más hostiles a la señal en el sentido de que es variable en tiempo y posición y está sujeto a toda clase de interferencia y distorsión: 3 En almacenamiento en soporte magnético u óptico la información tanto analógica como digital puede dañarse por varias causas. • Imperfecciones microscópicas en el medio de soporte. • Polvo o basura en algunos casos. • Ruido Tanto en transmisión como en grabación y reproducción digitales es necesario: • Detectar los errores al recibir la señal o reproducirla • Corregir u ocultar, si es posible, los errores de modo que la información sea aceptable para el receptor final. CODIFICACION DE CANAL (FEC o corrección de errores hacia adelante) 4 Constelaciones más usadas en transmisión terrestre 4QAM (QPSK) 64QAM 16QAM Magnitud vectorial de error Q Q B A sn A B sn sr I I D C C D Q Magnitud del vector de error Vector de la señal ideal Error de fase er sn sr Magnitud del error Vector de la señal recibida I 5 Digital Calidad de señal Inaceptable Regular a mala Analógico Aceptable A Buena a muy buena Degradación de la relación s/n con la distancia 6 Tipos de control de errores Ocultació Ocultación (Concealment (Concealment)) Interpolació Interpolación Efectos multicamino Producen desvanecimientos rápidos e interferencia entre sí símbolos 7 En los sistemas analó analógicos la calidad de una señ señal depende de la relació relación señ señal a ruido (S/N). (S/N). En los sistemas digitales es má más frecuente utilizar la tasa de errores o la probabilidad de error. error. En transmisió transmisión digital los factores que má más afectan a la tasa de errores son el ruido y los efectos multicamino. Errores en la transmisió transmisión El pará parámetro má más utilizado suele ser la tasa de errores en bits en funció función de la relació relación portadora/ruido (C/N): B Eb C = + 10 log N0 N Rb Eb = Energí Energía por bit N0 = Densidad espectral de potencia de ruido en watt/Hz B = Ancho de banda en Hz Rb = Tasa binaria en bits/seg. 8 Mejora en la reducció reducción de la tasa de errores Sin codificación 10-2 Tasa de errores de bit Dirección de mejora en la reducción de errores 10-4 Con codificación 4 8 C/N (dB) Ganancia de codificación Probabilidad de error POE = 1 Eb erfc 2 N0 9 Arquitectura general de los sistemas de transmisió transmisión digital Flujo de transporte Codificación de Fuente Codificación de Canal Modulación Digital Modulación de RF Amplificación de Potencia QAM o PSK Codificación para detección y corrección de errores (FEC). (de bloque + Convolucional) Modulación de la portadora de RF por el símbolo binario QAM o PSK Conversión analógico-digital y compresión MPEG-2 Arquitectura general del codificador de canal Flujo de Transporte Dispersión de Energía Al modulador Codificador de Bloque (R-S) Intercalado externo Intercalado interno Codificador convolucional En todos los sistemas se emplea codificación concatenada En el decodificador del receptor el proceso es inverso al de la figura 10 Dispersió Dispersión de energí energía (Aleatorizació (Aleatorización) Dos objetivos: Dispersar la energí energía de modo que la señ señal tenga caracterí características de ruido blanco. Con esto se reduce la componente de c.c. c.c. Esta operació operación distribuye los bits de modo que no haya grupos grandes de unos o ceros. Con esto se reducen los errores en rá ráfaga. 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Datos 0 Restablecer (clear) 0 0 0 0 0 13 14 15 Salida de datos aleatorizados Espectro real de una señal de TV digital (RF) La relación entre la potencia pico y la potencia promedio es del orden de 7 dB (8VSB) a 10 dB (DVB) 11 Codificació Codificación de canal Codificació Codificación mediante secuencias estructuradas Transforma las secuencias de datos en "secuencias mejores", agregando redundancia. Codificació Codificación de la forma de onda Transforma la forma de onda de la señ señal a fin de que el proceso de detecció detección sea má más inmune a los errores de transmisió transmisión. Codificación mediante secuencias estructuradas La entrada al codificador es un flujo binario continuo. Codificación de bloque: Actúa sobre la información que entra (no tiene memoria). Los códigos utilizados en transmisión digutal de TV son R-S (Reed-Solomon), BCH (Bose, Chaudhuri and Hocquenghem) y LDPC. Por lo general se basan en paridad para detección y corrección de errores. Codificación convolucional: A diferencia de la codificación de bloque, actúa no sólo sobre el símbolo presente a la entrada, sino también sobre símbolos previos, es decir tiene memoria. La decodificación convolucional se realiza mediante el algoritmo de Viterbi. 12 Codificación de Bloques Detecció Detección de errores: Paridad Supó Supóngase que los sí símbolos a transmitir se extraen de un alfabeto octal (3 bits/sí bits/símbolo) 0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111 Supó Supóngase que se transmite un 2 (010) y que ocurre un error en la transmisió transmisión que ocasiona que en lugar de un 2, el receptor reciba un 3 (011). El receptor no puede "saber" que el sí símbolo recibido es erró erróneo y la informació información que entregue a la salida será será falsa. 13 Paridad Supó Supóngase ahora que al alfabeto octal se le agrega un bit adicional, de modo que el nú número de bits “1” por cada sí símbolo sea par. Este bit adicional introduce redundancia y no forma parte de la informació información. 0 0000 0000 1 0011 0011 2 0101 0101 3 0110 0110 4 1001 1001 5 1010 1010 6 1100 1100 7 1111 1111 ¿Cuá Cuál es el proceso de detecció detección de error? TRANSM ISION Símbolos de entrada n bits/símbolo Cómputo de paridad n + k bits/símbolo RECEPCION Da por buenos los n bits del símbolo si n' n' + k' Separación de paridad Cómputo de paridad k" ¿k' =k"? no Indicación de error k' 14 La consecuencia inmediata del empleo de la paridad es la expansió expansión del alfabeto y por tanto el aumento del ancho de banda al transmitir má más bits por sí símbolo de los estrictamente necesarios. El precio para poder detectar errores es el aumento del ancho de banda El empleo de paridad simple en el ejemplo anterior permite la detecció detección de errores, pero no su correcció corrección. Una forma simple de detecció detección y correcció corrección es la paridad cruzada, có código cruzado o de producto Supó Supóngase que se tiene el siguiente bloque de datos formado por 4 símbolos de un alfabeto octal: 101100100111 101 100 100 111 0 1 1 1 1010 1010 1001 1001 1001 1001 1111 1111 010 101 100 100 111 010 0111 010 Informació Información Paridad Capacidad de correcció corrección: 1 bit/bloque bit/bloque 15 Código de Hamming (1949) Capaz de detectar hasta dos errores de bit por sí símbolo. Capaz de corregir un error de bit por sí símbolo Regla de Hamming d + p + 1 ≤ 2p d = nú número de bits de informació información o datos p = nú número de bits de paridad Generació Generación de paridad Bits de informació información × r = [1 0 0 1] Matriz Generadora 1 0 0 0 |111 0 1 0 0 | 011 G= 0 0 1 0 |1 0 1 0 0 0 1|11 0 G = [I:A [I:A]] c = r × G = [1 0 0 1 0 0 1 ] Informació Información Paridad Matriz unitaria [I] Matriz de paridad [A] c es el sí símbolo a transmitir 16 Detecció Detección de errores c = vector de informació información transmitida r = vector de informació información recibida El receptor (decodificador) conoce la matriz generadora y realiza las operaciones siguientes: H = AT|I 1 0 11 |1 0 0 H = 11 0 1 | 0 1 0 111 0 | 0 0 1 Síndrome: s = H × r Si s = 0, r=c No es necesaria correcció corrección El có código Hamming es un tipo de código de bloque y se usa extensamente en memorias RAM. Es adecuado cuando los errores son aleatorios. En Televisió Televisión: El efecto visual de un error depende de la posició posición significativa del bit erró erróneo. En los sistemas con compresió compresión puede hacerse que todos los bits sean igualmente significativos. Dado el elevado nivel de compresió compresión en televisió televisión, un error puede deteriorar la señ señal de manera importante. En transmisió transmisión, particularmente terrestre y tambié también ví vía saté satélite, ocurren errores en rá ráfaga que pueden destruir varios sí símbolos contiguos. 17 Tipos de decodificació decodificación DECODIFICACION DURA Sin codificación de canal o cuando no se puede corregir el error, la información se entrega al decodificador tal como se recibe, sin intentar ninguna corrección. DECODIFICACION SUAVE El demodulador de canal hace una estimación del símbolo más probable y lo entrega al decodificador Decodificació Decodificación dura Símbolo con error ¿Puede corregirlo? Si Enví Envía hacia adelante el sí símbolo corregido No Lo enví envía hacia adelante sin corrregir, corrregir, y avisa de que no lo ha corregido 18 Decodificació Decodificación suave Símbolo con error ¿Puede corregirlo? Si Enví Envía hacia adelante el sí símbolo corregido No Estima el sí símbolo má más probable y lo enví envía hacia adelante Codigo Externo (Bloque) En DVBDVB-T, en DTV (8VSB) y en ISDB se emplean dos có códigos concatenados, uno externo, de bloque, ReedReed-Solomon (R(R-S) y otro interno, convolucional o trellis. trellis. El flujo de transporte sobre el que actú actúa la codificació codificación de canal en transmisió transmisión digital de TV está está constituí constituído por bloques de 188 sí símbolos de 8 bits (bytes). En DVBDVB-T se utilizan 16 bits de paridad y el có código se designa como RS(204,188). Puede corregir hasta 8 bytes erró erróneos. En ATSC, ATSC, el có código es RS(208,188), con 20 bytes de paridad y capaz de corregir hasta 10 bytes erró erróneos 19 Codigo Externo (DTMB - China) El có código externo es un có código de bloque BCH (762,752), derivado de BCH(1023,1013). El có código interno es LDPC (Low (Low Density Parity Check) El flujo de transporte sobre el que actú actúa la codificació codificación de canal en transmisió transmisión digital de TV está está constituí constituído por bloques de 752 sí símbolos de 8 bits (bytes). Esto hace al sistema chino diferente de los demá demás y con una potencia de correcció corrección mayor, lo que redunda en menor relació relación S/N en recepció recepción. Efecto de la codificació codificación de bloque en la probabilidad de error 20 Codificació Codificación de Bloque Bloque de símbolos de mensaje Mensaje Paridad Bloque de datos codificados con protección contra errores Cómputo de paridad Símbolos de paridad Intercalado (Interleaving (Interleaving)) Su funció función es la de dispersar los sí símbolos de modo que los errores en ráfaga afecten al menor nú número de sí símbolos, generalmente a uno solo. Supó Supóngase la siguiente secuencia de sí símbolos transmitidos: ABCDEFGHIJKLMNOP En la transmisió transmisión, un error en rá ráfaga la deja como ABCXXX HIJKLMNOP ABCXXXHIJKLMNOP El decodificador no será será capaz de corregir este error. Para evitarlo, la secuencia a transmitir se baraja o intercala. El principio es el siguiente: 21 Se ordena en forma de matriz como: ABCD EFGH IJKL MNOP Y se lee columna a columna, de modo que la secuencia de salida del intercalador será será: AEIMBFJNCGKODHLP AEIXXXX NCGKODHLP AEIXXXXNCGKODHLP AXCDEX CDEXGHIX GHIXKLX KLXNOP Los símbolos erróneos se han dispersado y es posible corregirlos 22 23 24 25 26 Codificació Codificación convolucional Tiene "memoria", es decir tiene en cuenta la informació información anterior. Los códigos de bloque no tienen memoria y actú actúan só sólo sobre la informació información presente. Codificador (2,1,4) V1 U1 U1 U0 U-1 U-2 V2 00(000) 00(000) 11(100) 11(010) 00(000) 11(100) 00(110) 00(000) 10(001) 11(010) 01(101) 01(011) 11(100) 00(110) 10(111) 00(000) 10(001) 11(000) 00(100) 00(010) 11(010) 01(101) 11(110) 11(100) 0 bit 01(011) 00(110) 10(111) 01(001) 10(101) 10(011) 01(111) 10(000) 01(010) 01(100) 11(100) 11(010) 00(110) 11(011) 1 bit 00(000) 10(001) 00(010) 01(101) 11(110) 01(101) 01(011) 10(111) 11(100) 11(000) 01(001) 01(011) 00(100) 00(010) 10(101) 11(110) 00(110) 01(001) 10(011) 10(111) 01(111) 10(101) 10(011) 01(111) 27 t0 t2 t1 0(00) 0(00) t3 0(00) t4 0(00) 000 0) 1(0 ) 10 0( 0) 1(0 ) 10 0( ) 11 0( ) 1(11 ) 11 0( ) 1(11 ) 1(11 ) 1(11 ) 1(11 001 t5 0(00) ) 10 0( 1) 1(0 0( 11 ) 0( 11 ) 0( 11 ) 011 0( 11 ) 010 ) 00 1( 0(0 1) 0(0 1) 0(0 1) 1) 1(0 ) 10 1( 1( 10 ) 0) 0(1 ) 00 1( 1( 10 ) 1) 1(0 ) 00 1( 110 ) 00 1( 101 ) 10 1( 100 1( 10 ) 0) 0(1 111 El diagrama se repite 28 Codificació Codificación de forma de onda: Modulació Modulación digital Supó Supóngase la secuencia: 101100100111 Que puede codificarse mediante sí símbolos de dos bits como: 10 11 00 10 01 11 29 Supó Supóngase que a cada sí símbolo se le asigna un voltaje, por ejemplo: 00 1V 01 2V 10 3V 11 4V Y supó supóngase que estos niveles son los voltajes de salida de un modulador cuya entrada son los sí símbolos correspondientes y cuyo oscilador funciona a una frecuencia de 1 Hz/sí Hz/símbolo. La salida del modulador para el sí símbolo del ejemplo serí sería: Este tipo de modulació modulación digital se designa como ASK (Amplitude (Amplitude Shift Keying), Keying), con dos bits/Hz y es la base de la modulació modulación QAM. 30 Si esta señ señal se aplica a un modulador de RF para su transmisió transmisión, la forma de onda de la señ señal modulada será será: Señal COFDM en el dominio del tiempo La señal tiene características de ruido blanco La relación entre la potencia pico y la potencia promedio es del orden de 7 dB (8VSB) a 10 dB (DVB) 31 COFDM Multiplexado por división ortogonal de frecuencia Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander – España [email protected] http://personales.unican.es/perezvr Septiembre 2008 Multiplexado en frecuencia y en tiempo Tiempo Tiempo s1 s2 s3 Ancho de banda del canal s4 Frecuencia t6 s2 t5 s1 t4 s4 t3 s3 t2 s2 t1 s1 Ancho de banda del canal Frecuencia 32 C O F D M Coded: Con codificacion de canal Multiplex Division Frequency Othogonal: La información sobre las diferentes portadoras no se interfiere entre si OFDM es un sistema de modulación con múltiples portadoras, cada una de ellas modulada por un símbolo. Modulación con portadora única (Single Carrier Modulation o SCM): Cada símbolo modula a la portadora y ocupa todo el ancho de banda del canal de RF. El ruido impulsivo y la interferencia afectan a cada símbolo en su totalidad. Lo mismo ocurre con los desvanecimientos por efectos multicamino, que pueden afectar a varios símbolos y destruir la información. 33 Modulación con varias subportadoras (Multiple Carrier Modulation o MCM) El ancho de banda total del canal de RF es el mismo que para SCM, pero ahora cada subportadora va modulada por un símbolo diferente. Este tipo de modulación es más resistente a los efectos multicamino y los desvanecimientos selectivos afectan sólo a una parte de la información (símbolos FDM) pero no a la totalidad de símbolos. FDM simple 0.3-3.4 KHz 0.3 s1 100.3-103.4 3.4 100 KHz 0.3-3.4 KHz 0.3 s2 104.3-107.4 3.4 104 KHz 0.3-3.4 KHz 0.3 s3 108.3-111.4 3.4 s1 100.3 100 104.3 104 s4 s3 s2 103.4 107.4 108.3 108 111.4 112.3 f (KHz) 115.4 112 108 KHz 0.3-3.4 KHz 0.3 s4 112.3-115.4 3.4 112 KHz 34 ¿Por qué OFDM? En FDM simple un problema es el solapamiento parcial entre canales adyacentes que produce distorsión e interferencia entre símbolos en el caso de comunicaciones digitales. Porciones de los espectros de canales adyacentes Respuesta de los filtros de canal f 3.1 KHz 12.4 KHz Una alternativa: Modulacion en cuadratura de fase En estas condiciones pueden transmitirse dos señales distintas por un mismo canal de RF sin interferencia entre ellas. Se dice entonces que la modulación es ortogonal. 35 En comunicaciones digitales el número de símbolos por segundo es elevado, por lo que si se emplea FDM el número de portadoras necesarias es muy elevado y su implementación en hardware resulta muy compleja, ya que es necesario que no haya interferencia entre canales adyacentes. La interferencia se evita si las portadoras son todas ortogonales entre sí. ¿Cómo conseguir esto?. Veamos: En DVB-T ∆t = 224 µseg. para el modo 2K 36 Condición de ortogonalidad 100110100010101010011101 ∆t4 ∆t3 ∆t2 Flujo binario ∆t1 Espectros comparativos OFDM y FDM para modulación BPSK. FDM OFDM BW = 2R BW = 2R f f -R R -R R BW = 2R BW = 3R/2 f -3R/4 -R/4 R/4 f -R 3R/4 -R/2 R/2 R BW = 2R BW = 4R/3 f -2R/3 -R/3 R/3 2R/3 f -R -R/3 R/3 R 37 Relación potencia pico a potencia efectiva en OFDM Mapeo de símbolos Cada símbolo puede representarse mediante dos valores: su parte real y su parte imaginaria. 16QAM Im 0010 Re Las partes real e imaginaria pueden considerarse como los coeficientes de una serie de Fourier, en cuyo caso aplicando la transformada inversa se tiene el valor de la señal en el dominio del tiempo, que puede emplearse para modular a una portadora en amplitud, fase, o ambas. 38 COFDM con 3 portadoras COFDM con 12 portadoras Efectos multicamino: Interferencia entre símbolos 39 Intervalo de guarda 40 Intervalo de guarda – Prefijo Cíclico El intervalo de guarda aumenta la duración del símbolo y reduce la tasa binaria Además del intervalo de guarda, al símbolo COFDM se le agregan portadoras piloto que se utilizan en el decodificador para el control automático de frecuencia y para la estimación del canal y su ecualización Las portadoras piloto usan un 11.3% del total de portadoras útiles 41 El sistema chino (DMB-T) utiliza otro sistema sin portadoras piloto, que permite mayor tasa binaria que los otros sistemas. Tipos de portadoras en COFDM No todas las portadoras en OFDM se utilizan y, en algunos casos dependiendo del sistema, se usan en mayor o menor extensión y algunas no se utilizan. Portadoras de datos. Portadoras no usadas, ajustadas a cero. Pilotos fijos. Pilotos dispersos en posiciones variables. Portadoras de datos especiales. Portadoras TPS (Transport Packet Stream). 42 Portadoras de datos (Payload) Contienen la información + código de detección y corrección de errores. Moduladas por diversas constelaciones mapeadas directamente sobre las portadoras respectivas. La modulación puede ser coherente o diferencial. Pilotos fijos Ocupan la posición de una portadora y se utilizan para el control automático de frecuencia en el receptor. Generalmente son señales cosenoidales puras (no tienen parte imaginaria). Pilotos no fijos Se usan como señales de medida en el receptor para la estimación y corrección del canal en el caso de modulación coherente. Pueden considerarse como una señal de barrido para poder medir el canal. Se insertan cada 12 portadoras de datos. Portadoras de datos especiales Transportan información suplementaria para información rápida del transmisor al receptor, por ejemplo informar de cambios en el tipo de modulación. Portadoras TPS (en DVB). En éstas se informa al receptor de: • Modo OFDM (2K u 8K) • Longitud del intervalo de guarda (1/4, 1/8, 1/16, 1/32) • Tipo de modulación (QPSK, 16QAM, 64QAM) • Relación de picado de código (1/2, 2/3, 3/4, 7/8) • Modulación jerárquica. 43 Parámetros en COFDM (DVB-T) 2K 8K Total de portadoras 2048 8192 Portadoras usadas 1705 6817 Pilotos fijos 45 177 Pilotos no fijos 142 568 Pilotos TPS 17 68 1512 6048 2K 8K Separación entre portadoras 4464 Hz 1116 Hz Ancho de banda 7.61 MHz 7.61 MHz 224 µs 896 µs Pilotos de datos Parámetros en COFDM (DVB-T)-2 Duracíon de símbolo Intervalo de guarda 1/32 1/16 1/8 1/4 Duración intervalo de guarda 28 µs 56 µs 112 µs 224 µs Duración símbolo OFDM 924 µs 952 µs 1008 µs 1120 µs 44 Portadoras piloto Espectro COFDM 45 Mediciones Línea de vista Reflexión y diffracción Reflexión Generación de COFDM 46 Demodulador COFDM Modulador COFDM 47 Calidad de la señal recibida FEC en DVB Distancia al transmisor 48 Modulación jerárquica 49 Modulación jerárquica 50