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Introducción a la TV digital. Estándar ISDB-TDisertantes:Ing. Marcelo TenorioCoordinador unidad técnica comunicacionesIng. Pablo De CesareJefe del Laboratorio de RadiocomunicacionesIng. Edgardo MarchiIng. Marcos CervettoLaboratorio de Radiocomunicaciones
El estándar ISDB-T de televisión digital
Transmisor ISDB-T
Diagrama en bloques
El transmisor debe mitigar los efectos delcanal y asegurar la correcta recepción en diferentes condiciones simultáneamente.
Remultiplexación
Estructura de los paquetes dentro del modulador
Acondiciona los TSPs de MPEG en TSP o Transport Streams Packets de 204 bytes de longitud que contienen 188 bytes de datos.
PID 1 PID 3 PID X ...
REMUX
...
TSP - MPEG
TSP - ISDB-T
188 bytes 188 bytes
204 bytes
TS - MPEG
CUADRO MULTIPLEX - ISDB-T
Codificación Externa
Código Reed-Solomon
Código de corrección de error
Corrige y detecta errores
Agregando t símbolos de redundancia
Detecta t errores
Corrige errores
Aplicaciones: CD, DVD, Blu-ray DSL, WiMAX DVB, ATSC, ISDB-T RAID 6 Se usó en Voyager II
Es el primer bloque en la cadena de procesamiento del transmisor y el último en el receptor. Funciona en colaboración con el resto de los procesos ya que corrige un número de errores determinado por la cantidad de redundancia agregada.
Es una técnica de FEC (Forward Error Correction)
∣ t2∣
Codificación Externa
Código Reed-Solomon
En ISDB-T se usa RS(204,188)
t = 16 bytes, se corrigen hasta 8 bytes erróneos
El byte de sincronismo no se codifica
Esquema de configuración por capas
Divisor en niveles jerárquicos
Separa los paquetes de diferentes servicios en diferentes niveles jerárquicos, permitiendo diferentes configuraciones de transmisión para cada uno en el mismo canal de TV.
0 1 0 1 1 ... 1 0 0 1 1 ... 1 1 0 1 0 ...
1 1 0 1 0 ...
1 0 0 1 1 ...
0 1 0 1 1 ...
Capa A
Capa B
Capa C
Se definen hasta tres niveles jerárquicos o capas diferentes, con diferentes configuraciones de transmisión.
NULL
NULL
BST-OFDM
Transmisión por banda segmentada
La norma ISDB-T utiliza un esquema especial de transmisión OFDM, dividiendo el ancho de banda del canal en 13 segmentos.
Se puede asignar una cantidad de segmentos determinada para cada jerarquía.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
11 9 7 5 3 1 0 2 4 6 8 10 12
– Ejemplo:• segmento 0: TV móvil• segmentos 1 a 4: SDTV• segmentos 5 a 13: HDTV
BW = ~ 6 MHz
BW = ~ 6 MHz
Conceptualmente
Para transmisión
BST-OFDM
Modos de transmisión
Cada segmento está compuesto por una cantidad de subportadoras de datos definidas por el modo de transmisión.
El tiempo de símbolo OFDM queda determinado por la inversa del ancho de banda ocupado por cada subportadora.
La configuración de modo es global.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Modos:• 1: 96 subportadoras p/segmento• 2: 192 subportadoras p/segmento• 3: 384 subportadoras p/segmento
BW = ~6/13 MHz
Segmento N
M portadoras de datos
...BW = ~ 6 MHz
BST-OFDM
Modos de transmisión
La tasa de bit se mantiene constante a pesar del modo, pero...
¿por qué existen entonces los modos de transmisión?
Más portadoras por segmento
Menos ancho de banda por subportadora
Menos tasa de datos por subportadora
Símbolos más lentos
Más robusto frente a reflexiones
Pero Claude Shannon nos dijo:
C=B⋅log2 1 SN
Menos portadoras por segmento
Mas ancho de banda por subportadora
Más, pero no tanto, ruido
Más capacidad proporcional del canal
Más inmunidad frente a ruido
blanco
C=B⋅log2 1 SN 0⋅Bw
Y nosotros acotamos:Para AWGN:
Dispersor de energía
Concentración de energía
Debido a largas cadenas de 0's y 1's de los paquetes MPEG, la energía se concentra en algunas frecuencias
Esto produce un aumento en el PAR (relación entre la potencia pico y la promedio)
Se busca “uniformizar” la distribución de probabilidad
Este bloque funciona a nivel de bits (realiza operaciones con los bits), y puede ser configurado de forma diferente para cada nivel jerárquico.
Dispersor de energía
PRBS (Pseudo Random Bit Sequence)
Realiza una operación xor bit a bit con una secuencia pseudoaleatoria
Se produce con un registro de de desplazamiento realimentado (LFSR)
Es inicializado en un estado predeterminado al comienzo de cada cuadro multiplex
Interleaving
Diversidad en tiempo y en frecuencia ¿para que se utiliza?
Busca separar los datos contiguos
Se usa en combinación con FEC
– Al dejar separados los errores el código R-S puede corregirlos.
Distribuye los errores mezclando los datos en tiempo y en frecuencia, de forma que un instante o una banda de frecuencias con interferencias aparezcan como errores dispersos.
Requiere memoria y agrega latencia
Existen 3 definidos en la norma:
– de byte
– de bit
– de símbolo (en tiempo y en frecuencia)
Byte Interleaving
Diversidad temporal a nivel de bytes
Introduce diferentes retardos para bytes contiguos de forma que a la salida se obtenga un reordenamiento temporal de bytes.
Codificación Interna
Códigos convolucionales
Agregan redundancia controlada a nivel de bit. Los símbolos válidos quedan más “separados” (distancia de Hamming, no por diversidad) por lo que mejora la capacidad de detectar y/o corregir errores. Se usan en varios esquemas en combinación con R-S Se realiza un punteo (puncturing) para obtener flexibilidad en las tasas Tienen una implementación eficiente Son usados extensamente: video, comunicación móvil, satelital.
Codificación Interna
Códigos convolucionales
Ejemplo: tasa 1/2, K = 3
Codificación Interna
Códigos convolucionales
En la norma ISDB-T, se emplea un código con tasa 1/2, K = 7, con la siguiente configuración
Para obtener diferentes tasas, se usa el siguiente esquema de punteo:
Modulación de portadora
Diferentes constelaciones e Interleaving de Bit en ISDB-T
Las modulaciones disponibles en la norma ISDB-T son las siguientes:
– DQPSK (utilizada en transmisión para recepción móvil)
– QPSK
– 16 QAM
– 64 QAM (utilizada generalmente para transmisión de HDTV)
Robustez
Velocidad
Se realiza un mapeo de bits a símbolos para cada nivel jerárquico independientemente. Se pueden utilizar hasta tres tipos de modulaciones simultáneamente (una para cada nivel).
Previo al mapeo se agrega un retardo a algunos bits para producir diversidad temporal a nivel de bit -> Interleaving de bit.
Modulación de portadora
Interleaving de bit y mapeo
Esquema general:
El ajuste de retardo ocasiona un delay constante de 2 símbolos OFDM
Modulación de portadora
QPSK
Constelación
Utiliza 4 símbolos para enviar la información, por lo tanto agrupa de a 2 bits.
Modulación de portadora
DQPSK
Es la modulación más robusta frente almovimiento.Se utiliza para recepción móvil (one-seg).Se agrupa de a 2 bits, aunque los símbolosposibles son 8 (fase inicial 45º)
Modulación de portadora
16QAM
Constelación
Utiliza 16 símbolos para enviar la información, por lo tanto agrupa de a 4 bits.
Modulación de portadora
64QAM
Utiliza 64 símbolos para enviar la información, por lo tanto agrupa de a 6 bits.
Es la modulación más rápida de todas, generalmente usada para servicios que requieran gran ancho de banda (por ejemplo HDTV).
Modulación de portadora
64QAM (cont.)
Constelación
Combinador de Niveles Jerárquicos
Se estructuran los datos de forma de armar el símbolo OFDM
Los datos de cada capa jerárquica, luego de ser mapeados a símbolos, se reorganizan y se combinan para comenzar a formar el símbolo OFDM.
Se agrega memoria para adaptar las velocidades de datos (recordar que los clocks son fijos de ambos lados).
Cada nivel puede transportar más o menos datos en función de sus parámetros.
Interleaving de tiempo
Diversidad temporal a nivel de símbolo
En este punto se mezclan temporalmente los símbolos de cada subportadora.
De forma similar al byte interleaving, a cada símbolo consecutivo se le aplica un retardo diferente (dentro de la mísma subportadora).
Los símbolos resultan reordenados temporalmente por cada subportadora (es decir en la misma frecuencia)
Se introduce un delay constante al final, de forma de que el retardo total introducido sea múltiplo de una cantidad determinada de símbolos.
Interleaving de frecuencia
Diversidad de frecuencia a nivel de símbolo
Este proceso está dividido en 3 secciones y mezcla las portadoras entre sí, de forma que en cada símbolo OFDM cada “portadora” quede en una frecuencia distinta.
Si una interferencia afecta una banda de frecuencia, los errores producidos se distribuirán y no se perderá ningún segmento completo.
x x x x
Canal
x x x x xDivisión en segmentos
Inter-Segmento
Rotación Intra-
Segmento
Aleatorización Intra-
Segmento
Inter-Segmento
Rotación Intra-
Segmento
Rotación Intra-
Segmento
Aleatorización Intra-
Segmento
Aleatorización Intra-
SegmentoRecepción parcial
Modulación coherente
Modulación diferencial
Interleaving de frecuencia
Interleaving Inter-Segmento
Las portadoras se mezclan entre segmentos de modulación coherente (QPSK, 16QAM, 64QAM) y diferencial (DQPSK) por separado.
Este proceso no se aplica a recepción parcial ya que los receptores sólo están preparados para recibir un solo segmento OFDM.
Interleaving de frecuencia
Rotación Intra-Segmento
Las portadoras de un mismo segmento son rotadas en función del número de segmento.
Este proceso se aplica a todos los segmentos, incluso al segmento de recepción parcial.
Ejemplo: Modo 1 – Número de segmento: 2
96 subportadoras de datos
Interleaving de frecuencia
Rotación Intra-Segmento
Las portadoras de un mismo segmento son mezcladas aleatoriamente según la tabla definida en la norma.
Este proceso se aplica a todos los segmentos, incluso al segmento de recepción parcial.
Ejemplo: Modo 1
Cuadro OFDM
Estructura del cuadro OFDM
Luego de procesar los símbolos se arman los sucesivos símbolos OFDM mediante el agregado de las portadoras AC, TMCC, SP y CP según la estructura definida en el estándar.
Estructura de un segmento de modo 1. Modulación diferencial
Estructura de un segmento de modo 1. Modulación coherente
Cuadro OFDM
Portadoras de señalización
Scattered Pilot (SP):– Es una señal BPSK generada por un PRBS (pseudo random bit secuence)
donde el registro generador se inicializa con el comienzo de cada frame, y modulada en BPSK. Se utiliza en los segmentos con modulación coherente. Sirve para sincronización.
Continual Pilot (CP):– Al igual que la SP es una señal BPSK generada con el mismo generador de
PRBS. Siempre se ubica en la portadora 0 de cada segmento con modulación diferencial. Al final del símbolo OFDM también se inserta una portadora CP. También se utiliza para sincronización.
Cuadro OFDM
Portadoras de señalización
Transmission and Multiplexing Configuration Control (TMCC):– Es una señal DBPSK que contiene la información de configuración de la
transmisión. El estado inicial de la modulación diferencial lo define el bit correspondiente generado por el PRBS
Auxiliar Channel (AC):– Son canales diseñados para transportar información extra sobre configuración de
la transmisión. En segmentos con modulación diferencial se dispone de un AC2.
La ubicación de estas portadoras depende
del número de segmento, el modo y el tipo de modulación (diferencial/coherente)
y se encuentran tabuladas en la norma.
OFDM
IFFT
La longitud de la IFFT para ISDB-T puede ser de 2k, 4k u 8k puntos en función del modo de transmisión (1, 2 ó 3 respectivamente).
Las portadoras que no se utilizan se completan con 0.
La frecuencia de muestreo de la IFFT es de 8 MHz, lo que resulta en un ancho efectivo del canal de ~ 6 Mhz (recordando que la cantidad de portadoras útiles es menor que la cantidad de puntos de la IFFT), igual que un canal de TV analógica.
Finalmente se inserta el prefijo cíclico (PC) según la configuración adoptada, los posibles valores definidos en la norma son:
• 1/4 del tiempo de símbolo
• 1/8 del tiempo del símbolo
• 1/16 del tiempo de símbolo
• 1/32 del tiempo de símbolo
PC Símbolo efectivo
OFDM
IFFT
¿Por qué prefijo cíclico?
¿No bastaría con separar los símbolos? ...No!
Repasando ...
símbolo A
símbolo A
símbolo A
símbolo B
símbolo B
IFFT del transmisor
FFT del receptor
Transmisión
Reflexión
Recepciónsímbolo B
OFDM
IFFT
Se pierde ortogonalidad simplemente separando los símbolos.
símbolo A
símbolo A
IFFT del transmisor
FFT del receptor
Transmisión
Recepción: Las subportadoras se interfieren entre si porque la longitud de la ventana no es múltiplo del período de muestreo.
OFDM
IFFT
Si insertamos el prefijo cíclico...
símbolo A
símbolo A
símbolo A
símbolo B
símbolo B
IFFT del transmisor
FFT del receptor
Transmisión
Reflexión
Recepciónsímbolo B
PC
PC
Como el prefijo cíclico es parte del mismo símbolo, ayuda a mitigar los problemas de la pérdida de ortogonalidad por efectos del ventaneo.
PC
Single Frequency Network
Otra ventaja del Intervalo de guarda
El intervalo de guarda (y el prefijo cíclico), como vimos, mitiga el problema de las reflexiones.
Una reflexión no es otra cosa que una copia de la señal original desfasada en el tiempo.
Esa copia puede ser generada por un rebote o por otra antena transmisora, por lo que si el retardo de la copia es controlado y cae dentro del intervalo de guarda, puede haber zonas de solapamiento entre antenas transmitiendo en la misma frecuencia.
De esta forma se puede ampliar el área de cobertura tanto como se quiera, simplemente colocando antenas transmisoras.
Antes Ahora
Single Frequency Network
Intervalo de guarda, reflexiones y SFN.
El intervalo de guarda se puede configurar para soportar reflexiones y/o para ajustar el área de cobertura según la posición de las antenas.
Si la señal retardada llega
con un nivel inferior a este
límite, no afecta la
recepción.
Intervalo de guarda Si la señal retardada llega dentro del intervalo de guarda, al igual que una reflexión, no afecta la recepción
ISDB-T
Tasas de bits obtenidas según los parámetros de configuración
ISDB-T
Cómo calcular la tasa de bit por segmento
Tasa de bit para un segmento= f d⋅N f⋅T s
T sT g
⋅M⋅r⋅Rs⋅Npd
NptDonde:
fd es la separación entre portadoras ( = 1 / tasa de símbolo por portadora)
Nf número de portadoras por segmento
Ts y T
g son los tiempos de símbolo e intervalo de guarda respectivamente
M es el índice de modulación (bits por símbolo)
Rs es la tasa de codificación del Reed-Solomon (188/204)
Npd y Np
t son los números de portadoras de datos y totales por segmento
respectivamente.
r es la tasa de codificación.
ISDB-T
Cómo calcular la tasa de bit por segmento, un ejemplo
Tasa de bit para un segmento= f d⋅N f⋅T s
T sT g
⋅M⋅r⋅Rs⋅Npd
Npt
=440,56 kbps
Modo 3, intervalo de guarda de 1/16, modulación QPSK, tasa de código 2/3:
fd = 0,9920635 kHz
Nf = 432
Ts / (T
s + T
g) = 16/17
M = 2
Rs = 188/204
Npd y Np
t = 384 y 432 respectivamente.
