Introducción a la TV digital. Estándar ISDB-T

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1 Introducción a la TV digital. Estándar ISDB-T Disertantes: Ing. Marcelo Tenorio Coordinador unidad técnica comunicaciones Ing. Pablo De Cesare Jefe del Laboratorio de Radiocomunicaciones Ing. Edgardo Marchi Ing. Marcos Cervetto Laboratorio de Radiocomunicaciones

2 El estándar ISDB-T de televisión digital

3 Transmisor ISDB-T Diagrama en bloques El transmisor debe mitigar los efectos del canal y asegurar la correcta recepción en diferentes condiciones simultáneamente.

4 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. TSP ISDB-T TSP MPEG PID 1 PID 3 PID X 204 bytes bytes 188 bytes TS MPEG REMUX CUADRO MULTIPLEX ISDB-T

5 Codificación Externa Código Reed-Solomon 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. Código de corrección de error Corrige y detecta errores Agregando t símbolos de redundancia Aplicaciones: CD, DVD, Blu-ray DSL, WiMAX DVB, ATSC, ISDB-T RAID 6 Se usó en Voyager II Detecta t errores t Corrige 2 errores Es una técnica de FEC (Forward Error Correction)

6 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

7 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. Capa A Se definen hasta tres niveles jerárquicos o capas diferentes, con diferentes configuraciones de transmisión Capa B NULL Capa C N U LL

8 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. Ejemplo: segmento 0: TV móvil segmentos 1 a 4: SDTV segmentos 5 a 13: HDTV Conceptualmente BW = ~ 6 MHz BW = ~ 6 MHz Para transmisión

9 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. Modos: 1: 96 subportadoras p/segmento La configuración de modo es global. 2: 192 subportadoras p/segmento 3: 384 subportadoras p/segmento Segmento N M portadoras de datos... BW = ~ 6 MHz BW = ~6/13 MHz

10 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: Para AWGN: C =B log 2 1 Menos portadoras por segmento S N Mas ancho de banda por subportadora Y nosotros acotamos: S C = B log 2 1 N 0 Bw Más, pero no tanto, ruido Más capacidad proporcional del canal Más inmunidad frente a ruido blanco

11 Dispersor de energía Concentración de energía Este bloque funciona a nivel de bits (realiza operaciones con los bits), y puede ser configurado de forma diferente para cada nivel jerárquico. 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

12 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

13 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)

14 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.

15 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.

16 Codificación Interna Códigos convolucionales Ejemplo: tasa 1/2, K = 3

17 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:

18 Modulación de portadora Diferentes constelaciones e Interleaving de Bit en ISDB-T Las modulaciones disponibles en la norma ISDB-T son las siguientes: Velocidad DQPSK (utilizada en transmisión para recepción móvil) QPSK 16 QAM 64 QAM (utilizada generalmente para transmisión de HDTV) Robustez 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.

19 Modulación de portadora Interleaving de bit y mapeo Esquema general: El ajuste de retardo ocasiona un delay constante de 2 símbolos OFDM

20 Modulación de portadora QPSK Utiliza 4 símbolos para enviar la información, por lo tanto agrupa de a 2 bits. Constelación

21 Modulación de portadora DQPSK Es la modulación más robusta frente al movimiento. Se utiliza para recepción móvil (one-seg). Se agrupa de a 2 bits, aunque los símbolos posibles son 8 (fase inicial 45º)

22 Modulación de portadora 16QAM Utiliza 16 símbolos para enviar la información, por lo tanto agrupa de a 4 bits. Constelación

23 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).

24 Modulación de portadora 64QAM (cont.) Constelación

25 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.

26 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.

27 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. Canal xxxx x x x x x Rotación IntraSegmento Aleatorización IntraSegmento Modulación coherente Recepción parcial División en segmentos InterSegmento Rotación IntraSegmento Aleatorización IntraSegmento InterSegmento Rotación IntraSegmento Aleatorización IntraSegmento Modulación diferencial

28 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.

29 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

30 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

31 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

32 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.

33 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.

34 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

35 OFDM IFFT Por qué prefijo cíclico? No bastaría con separar los símbolos?...no! Repasando... IFFT del transmisor símbolo A símbolo B símbolo A símbolo A FFT del receptor símbolo B símbolo B Transmisión Reflexión Recepción

36 OFDM IFFT Se pierde ortogonalidad simplemente separando los símbolos. IFFT del transmisor símbolo A símbolo A FFT del receptor Transmisión Recepción: Las subportadoras se interfieren entre si porque la longitud de la ventana no es múltiplo del período de muestreo.

37 OFDM IFFT Si insertamos el prefijo cíclico... IFFT del transmisor símbolo A PC símbolo A símbolo A símbolo B PC símbolo B símbolo B PC Transmisión Reflexión Recepción FFT del receptor Como el prefijo cíclico es parte del mismo símbolo, ayuda a mitigar los problemas de la pérdida de ortogonalidad por efectos del ventaneo.

38 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. Antes Ahora De esta forma se puede ampliar el área de cobertura tanto como se quiera, simplemente colocando antenas transmisoras.

39 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. Intervalo de guarda Si la señal retardada llega con un nivel inferior a este límite, no afecta la recepción. Si la señal retardada llega dentro del intervalo de guarda, al igual que una reflexión, no afecta la recepción

40 ISDB-T Tasas de bits obtenidas según los parámetros de configuración

41 ISDB-T Cómo calcular la tasa de bit por segmento Ts Npd Tasa de bit para un segmento= f d N f M r R s T s T g Npt Donde: fd es la separación entre portadoras ( = 1 / tasa de símbolo por portadora) Nf número de portadoras por segmento Ts y Tg 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 Npt son los números de portadoras de datos y totales por segmento respectivamente. r es la tasa de codificación.

42 ISDB-T Cómo calcular la tasa de bit por segmento, un ejemplo Modo 3, intervalo de guarda de 1/16, modulación QPSK, tasa de código 2/3: fd = 0, khz Nf = 432 Ts / (Ts + Tg) = 16/17 M=2 Rs = 188/204 Npd y Npt = 384 y 432 respectivamente. Ts Npd Tasa de bit para un segmento= f d N f M r R s =440,56 kbps T s T g Npt

43 Av. General Paz 5445 (B1650KNA) San Martín Buenos Aires, Argentina Octubre de 2011

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