digital video broadcasting-terrestrial (dvb-t)

24 Giugno 2010

Digital Video Broadcasting-Terrestrial(DVB-T)

Ing. Marco PetraccaUniversità di Roma Tor Vergata([email protected])

Università di Roma Tor Vergata

Radiolabs – Consorzio Università IndustriaLaboratori di Radiocomunicazione

Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 124 Giugno 2010 1

TV Digitale vs TV Analogica

Il sistema DVB-T

MPEG Transport Stream

Architettura di rete

Aspetti di pianificazione

Regolazione dello spettro in Europa

Scenario regolatorio in Italia

Processo di transizione

Evoluzione dello standard: il DVB-T2

Outline

Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 224 Giugno 2010


I segnali televisivi digitali possono sfruttare potenti metodi di correzione degli errori introdotti dal canale di trasmissione

Il segnale ricevuto può risultare anche della stessa qualità del segnale all’uscita del codificatore in trasmissione!

Questo non è possibile con la trasmissione analogica poiché il disturbo non è distinguibile dal segnale informativo in ricezione

Il rumore aggiunto in trasmissione non può essere corretto!La trasmissione televisiva analogica è soggetta a disturbo delle immagini (picture ghosting) per diverse cause:

riflessioni da palazzi e ostruzioni (ambiente urbano/suburbano) o da monti e colline (areerurali)effetti delle maree, che provocano graduali cambiamenti delle condizioni di riflessione da multipathinterferenza co-canale (CCI)

Un ricevitore DVB-T è in grado di riconoscere e separare il segnale utile dal rumore e dai disturbi delle immagini.Un flusso digitale può trasportare qualsiasi tipo di segnale, inclusi audio, video e dati.

Con l’informazione in formato analogico non si riesce ad integrare facilmente questi diversi segnali!


I principali vantaggi del DVB-T rispetto alla televisione analogica terrestre (TAT) sono:

miglioramento dell'efficienza spettrale

flessibilità nell'uso della banda disponibile

migliore qualità immagine/audio

minore inquinamento elettromagnetico

abilitazione di programmi interattivi

possibilità di trasmettere in isofrequenza

abilitazione di trasmissione in audio multiplo(e.g., multilingua).

capacità di trasmissione di programmi in alta definizione.



Il sistema DVB-T

Il sistema DVB-T è basato sull’adozione degli standard MPEG-2 per la codifica del segnale audio/video di sorgente e per la multiplazione.

È stato sviluppato per la trasmissione di segnali televisivi multi-programmaa definizione convenzionale nel formato MPEG-2, ma è aperto all’evoluzione verso l’alta definizione (HDTV) mediante l’uso di livelli e profili MPEG-2 più elevati.

Il DVB-T sfrutta le potenzialità dell’MHP (Multimedia Home Platform), standard di formattazione e trattamento degli elementi di multimedialità e interattività dei programmi, cioè “piattaforma multimediale domestica”, al quale devono conformarsi sia i centri di emissione che i decoder a casa dell’utente.


Il sistema DVB-T

Il segnale radio ricevuto passa per blocchi che realizzano operazioni duali rispetto ai blocchi della catena di trasmissione (demodulazione, decodifica di Viterbi, de-interleaving, decodifica Reed Solomon, de-scrambling)

Trasmettitore DVB-T


Il sistema DVB-T

Adattamento di MUX: il flusso MPEG-2 viene organizzato in pacchetti della lunghezza fissa di 188 bytes inserendo in testa una sequenza di sincronizzazione utile in fase di decodifica.

Dispersione dell’energia: trattamento del segnale con sequenza pseudocasuale in modo da ottenere un sufficiente numero di transizioni binarie per uniformare la distribuzione spettrale all’interno del canale a radiofrequenza.

In sostanza il flusso di bit viene randomizzato per evitare sequenze troppo lunghe di bit dello stesso valore.


Il sistema DVB-T

Codificatore esterno: protezione contro gli errori introdotti sul canale di trasmissione. realizzato mediante codice di Reed Solomon accorciato RS (204, 188);

Interleaver esterno: è basato sul processo di interlacciamento convoluzionale di Forney (profondità 12).Codificatore esterno: applica una codifica convoluzionale punturata a tasso di codifica variabile (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 o 7/8) in base al livello di protezione d’errore richiesto.Interleaver interno: ricombinazione del bit-stream prima della mappatura a due livelli distinti, onde evitare burst di errori all’ingresso del decodificatore Viterbi.Mappatore: trasforma pacchetti di M bit in simboli complessi mediante codifica di Gray.

M={4,16,64} costellazioni QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Adattamento di trama: effettua la multiplazione delle sequenze di dati (data stream) con le sequenze ausiliari per formare il simbolo OFDM.


Segnali pilota & TPS

Il segnale digitale trasmesso è organizzato in trame da 68 simboli OFDM; 4 trame costituiscono una super-trama;La trama OFDM, oltre alle portanti utili che trasportano l’informazione, contiene altre portanti destinate a informazioni ausiliarie:

Portanti pilota diffuse (scattered pilot cells, SPC), inserite nello spettro con una densitàdi 1/12 nel dominio della frequenza e di 1/4 nel dominio del tempo.Portanti pilota continue (continual pilot carriers, CPC), che occupano la stessa posizione in ogni simbolo OFDM.Portanti TPS (Transmission Parameter Signalling) in posizione fissa nello spettro OFDM, che trasportano informazioni sulla modulazione, gerarchia, durata dell’intervallo di guardia, tasso di codifica interno, modalità di trasmissione, numero di trama nella super-trama.

Disposizione delle portanti all’interno della trama


Modulazione gerarchica

Tale modulazione costituisce un uso alternativo delle costellazioni base 16-QAM e 64-QAM.

In generale consente di differenziare la protezione assicurata a due flussi informativi, trasmessi contemporaneamente con lo stesso trasmettitore e sullo stesso canale.

Un primo flusso, definito di alta priorità (High Priority - HP), sarà trasmesso con maggiore protezione con modulazione QPSK, ma naturalmente avràminore contenuto informativo ed una qualità inferiore.

L'altro flusso, il Low Priority (LP), sarà trasmesso con minore protezione e con modulazione 16-QAM o 64-QAM e avrà maggiore contenuto informativo, cioèmigliore qualità.


Modalità operativa

Il sistema DVB-T prevede due modalità per l'OFDM:

2K mode: FFT su 1705 portanti;

8K mode: FFT su 6817 portanti.

Il 2K mode ha una durata di simbolo più corta ed è perciò adatto per una rete che usa solo una frequenza (SFN) con limitata distanza tra i trasmettitori.

L'8K mode è adatto per una rete SFN in cui la distanza tra i trasmettitori può essere di 90 km.


Il sistema DVB-T: parametri principali

Il DVB-T è ottimizzato per canali a 8 MHz (larghezza di banda di un canale in UHF)

Modificando opportunamente la frequenza di campionamento nel ricevitore può essere adattato anche su canali da 7 MHz (utilizzati in molti paesi, tra cui l'Italia) e da 6 MHz (adottata in USA e Giappone).

Parametri del sistema DVB-T per canalizzazione 8 MHz.


Il sistema DVB-T

Il DVB-T è uno standard flessibile in cui un operatore può scegliere varie soluzioni tra i parametri di sistema

rate del codice convoluzionale (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 o 7/8),

transmission mode (8K o 2K),

l'intervallo di guardia (1/4, 1/8, 1/16 o 1/32 dell'Active Symbol Period)

la modulazione (64-QAM, 16-QAM o QPSK).

Le varie combinazioni possibili danno luogo a 120 modi con modulazione non gerarchica e 1200 in quella gerarchica

bit-rate utile compreso tra 4.98 Mbit/s e 31.67 Mbit/s.


Il sistema DVB-T

Stima del massimo numero di programmi TV allocati in un canale a 8 MHz assumendo una ricezione fissa con antenna direttiva:

la configurazione più idonea è il 64-QAM a tasso 2/3

capacità di flusso binario di circa 24 Mb/s (Tg/TU=1/32)

trasmissione di 4 programmi a qualitàconvenzionale (SDTV a 6 Mb/s ciascuno) o 6 programmi a qualità News (LDTV a 4 Mb/s ciascuno).



Lo stream MPEG-2 è costituito da più componenti, chiamati Elementary Stream (ES)

Un programma contiene tipicamente:

un ES per il video

uno o più ES per l’audio

dati di controllo

dati con valore informativo come i sottotitoli.

Ciascun ES viene suddiviso in pacchetti PES (Packetised Elementary Stream), di dimensione fissa o variabile.



I PES vengono multiplati in un unico flusso secondo la forma di multiplazione MPEG Transport Stream (TS)

sequenza di Transport Packets (TPs) di 188 byte (184 + 4 Header).

Ciascun PES è spezzato in TPs di dimensione fissa

Il TS può contenere pacchetti provenienti da PES indipendenti

Service Information (SI): insieme di dati di controllo per gestire le associazioni fra gli ES e descriverli.



Esistono due possibili configurazioni per il TS:

1. Single Program Transport Stream (SPTS): un singolo programma viene trasportato all’interno del TS.

Può contenere semplicemente i PES di audio e video.

Configurazione tipica nel contesto IPTV.

2. Multiple Program Transport Stream (MPTS): il TS trasporta una combinazione di più programmi.

È necessario includere le informazioni di controllo comprese nelle SI per identificare i singoli programmi.

Configurazione tipica delle trasmissioni DVB.


Architettura di rete



Modello architetturale per SFN

Modello architetturale per MFN

Differenti architetture per la gestione della pianificazione delle frequenze:

Single Frequency Network (SFN):• Sfrutta la stessa frequenza in tutti i siti di trasmissione• COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division

Multiplexing): gli echi alla stessa frequenza chearrivano entro un certo tempo di guardia vengonocostruttivamente ricombinati al ricevitore

Multiple Frequency Network (MFN):• Richiede più frequenze (non prevede la composizione

costruttiva degli echi iso-frequenza)• I segnali che giungono al ricevitore alla stessa

frequenza interferiscono all’interno dell’intervallo diguardia

k-SFN:• Reti ibride MFN-SFN con k>1 sotto-reti che usano la

stessa frequenza (SFNs locali). • Ogni sotto-rete sfrutta la combinazione degli echi alla

stessa frequenza all’interno del tempo di guardia• La copertura totale di una rete k-SFN nella specifica

area geografica è data dalla somma delle coperture delle k sotto-reti.

•24 Giugno 2010 •19


Assignments planning

Allotments planning

“Assignment approach”: Viene specificato ognitrasmettitore pianificato e le sue caratteristiche.

“Allotment approach”: Vengono specificate le areedi servizio pianificate, insieme ad una serie diregole generali diimplementazione della rete

Confronto:I due approcci descrivonoin modi diversi gli stessioggetti di pianificazione, e possono essere trasformatil’uno nell’altroLa pianificazione ad assegnazione è legataprincipalmente a reti MFN; l’approccio a territorio sipresta a soluzioni SFN

MFN SFN k-SFN

Vantaggi

• Non serve sincronizzazionetemporale e dicontenuti.• Contenuti nazionalie locali• Inizio deployment immediato senzaaspettarel’assegnazione dellefrequenze DVB-H.

• Solo 1 frequenza per sviluppo nazionale• Non richiedepianificazione difrequenza• “SFN gain”: numeroridotto di TX in confronto al casoMFN

• Poche frequenze(e.g. k=3) per dispiegamentonazionale• Guadagno SFN entro la sotto-rete(numero ridotto di TX in confronto al puroMFN)• Contenuti nazionalie locali

Svantaggi

• Richiede parecchicanali/frequenze per deployment nazionale• Necessità dipianificazione dellefrequenze• Non c’è guadagnoSFN, cioè servonopiù TX di una reteSFN.

• La frequenza deveessere libera su tutto ilterritorio nazionale• Necessità disincronizzare tutti I TX sia nel tempo chenei contenuti• Solo rete nazionale• La dimensione dellarete SFN è limitatadal tempo di guardia

• Richiesto ilfrequency planning (introdotto il concettodi riuso di frequenza)•Le frequenze (e.g. k=3) devono esserelibere su tutto ilterritorio•Occorresincronizzare tutti I TX all’interno di unasotto-rete SFN neltempo e nei contenuti•Dimensione dellesotto-reti SFN limitatadagli intervalli diguardia

ConfrontoMFN vs SFN vs k-SFN


Spectrum Regulation in EuropeITU Regional Radio Conference (RRC-04/06) to regulate digital terrestrial broadcasting systems (DVB-T, DVB-H and T-DAB): RRC-06 new frequency agreement adopted, replacing analogue broadcasting planITU Geneva 2006 frequency plan (GE-06) defines an “all-digital plan” for use, after the analogue TV services have been closed, of bands III (VHF, 174-230 MHz) and IV/V (UHF, 470-862 MHz) for T-DAB and DVB-T services over a large area (118 countries)UHF Bands IV & V analogue TV services not protected vs. interference after 17.06.2015On 24 May 2005 EC recommends 2012 as the deadline for the switch-off and expects by the end of 2010 the process to be well advanced in EU as a wholeWorld Radiocommunication Conference, Geneva, November 2007 (WRC07), focused on issues related to regulation of new spectrum uses in the EU and spectrum reallocation to open new opportunities for market growth

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Decision during WRC 2007Common spectrum sub-bands (clusters)


Recent legislative evolution in ItalyLaw 6.06.2008 n. 101 - art. 8 novies

General authorization regime confirmed

Definition of a switch off schedule

AGCOM to define frequency assignment criteria and procedures, ensuring proportionality, transparency and non discrimination (can change Del. 603/07/CONS with provisional schedule for experimental planning)

MSE Decree 10.09.2008 (on G.U. n.238/2008)Final switch-off calendar (detailed timing for all national areas defined)

MSE Decree 13.11.2008 (on G.U. n.273/2008)New national frequency repartition plan (PNRF) approved

TV broadcasting service bands: VHF-III, UHF-IV, UHF-VChannels: 8 in VHF-III, 48 in UHF-IV and UHF–V (Total: 56 channels)

Italian Regulatory Framework


AGCOM “Delibera” n. 181/09/CONS (7 April 2009)States critera for the complete digitization of the Italian TV terrestrial networks:

Extensive use of SFN technology (Single Frequency Network) Succesfully experimented in Sardinia (started Oct. 2008)

21 DVB-T national networks + 4 DVB-H national networks80% coverage (DVB-T)

Conversion rule for existing analog programs:enough capacity to transmit the same program both in SDTV and in HDTVat least 1 multiplex per operator8 multiplexes to fulfill this need

All operators to give back the State the analogue frequencies1 single frequency (SFN) for each network

Similar conversion rules for local broadcastersby the law, have right to access 1/3 of available spectrum resources

5 DVB-T national networks (+1 DVB-H) available as digital dividend for new entrantsCould be foreseen beauty contest mechanisms

Italian Regulatory Framework


Current Italian Transition Scenario:

Digital TV platforms already overcomeanalog TV:

More than 50% of the total TV servicesconsumptionDTT is the 69% of the digital audience

Households: 22 million (Source: ISTAT, 2001)Homes: 27,3 million (Source: ISTAT, 2001)Households with at least 1 DTT decoder: more than 15,5 million (∼ 70 %)Number of DTT decoders in the homes: more than 24 million (∼ 88 %)

Statistics:

Transition Process

Percentage of monthly TV auditel by means of digital platforms (DVB-T, DVB-S, IPTV, WebTV)

•24 Giugno 2010 •24

The steps towards the Italian switch-off:

Resources assigned to Italy (Geneva ’06)2376 ALLOTMENTS1567 ASSIGNMENTS

The legacy (beginning 2008)670 BROADCASTERS (national and local)23329 TRANSMITTERS (analog + digital)

LEGACY 2008

EXISTING SITUATION FULL DIGITAL BC

2012

AREAS SCHEDULE

&

INTERNAL COORDINATION

GENEVA ’06 PLAN

BILATERAL INTERNATIONAL COORDINATION

Transition Process

TECHNICAL ASPECTS

2524 Giugno 2010Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T

Switch-overOnly few “TV channels” become digital (“Rai2” and “Rete4”)

Maintain same transmission channels (frequencies)

Reasons: a “wake up bell” for citizens to equip themselves; a trial phase for broadcasters and institutions to fine tune their processes

Switch-over started in October 2008

Switch-offAll Italian TV channels become digital

Transmission channels may change

No more analogue transmission is allowed Switch-off to be concluded within 2012

Defined 12 “technical areas” which are radio-electrically separateThey can be grouped in “macro-areas” including one or more Provinces

In each macro-area easier to plan SFN digital networks under condition of no cross-border interference

Faster transition

In some macro-areas more difficult to be separated (e.g. Pianura Padana) transition dates closer

25

Transition Process

26Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 24 Giugno 2010 26

SFN Mux 1 SFN Mux 5SFN Mux 4SFN Mux 3SFN Mux 2 SFNMux 6

MFN Network 1 MFN Network 2

MUX contents:• MUX 1: Rai 1, Rai 2, Rai 3• MUX 2: Rai 4 and Rai Gulp (+ 4 Radio channels)• MUX 3: Rai Sport+• MUX 4: Rai Educational 1 /2, Rai News• MUX 5: HDTV test• MUX 6: Mobility services

The “SFN solution”

Transition ProcessThe “Sardinia experiment”

27Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 24 Giugno 2010

Transition Process

27

SWITCH-OFF PLAN SCHEDULE (2011-2012)

Current all digital areas(switch‐off complete)

+ 23 million inhabitants(70% of the Italian

population all digital)

SWITCH-OVER DURATION (2009)

SWITCH-OFF ACCOMPLISHED AND ONGOING (2008-2010)

Technical areas Switch offSardinia October 2008

Valle d’Aosta September 2009

Western Piemonte (Torino and Cuneo)

October 2009

Trentino and Alto Adige October/November 2009

Lazio (no Viterbo) November 2009

Campania December 2009Eastern Piemonte, Lombardia (no Mantova), Piacenza and Parma

September/October 2010

Emilia Romagna, Veneto andFriuli Venezia Giulia(+ Mantova )

October/November 2010

Liguria November/December 2010

Technical areas Switch off

Marche 1st half 2011

Abruzzo and Molise(+ Foggia )

1st half 2011

Basilicata and Puglia(+ Cosenza and Crotone )

1st half 2011

Sicilia and Calabria 1st half 2012

Toscana and Umbria(+ Viterbo and La Spezia )

1st half 2012Technical areas Rai 2 and Rete 4Trentino and Alto Adige February-OctoberWestern Piemonte (Torino and Cuneo)

May-October

Lazio June-November

Campania October-December

Italian switch‐off plan schedule


Transition ProcessInternational interference is an issue as interference from a given station at VHF/lowUHF extends well beyond its coverage boundary

Decisions on spectrum aspects related to switch off require certain degree of international coordination to avoid harmful interference among countries

Compromises between national priorities are necessary

International coordination takes place at different levels (1997 Chester agreement):Worldwide the International Telecommunication Union (ITU);

Regional Europe – the European Conference of Postal and Telecommunications Administration (CEPT, which brings together 48 countries) and the European Commission;

National a bilateral country-by-country basis.

It is necessary to considerthe impact of new digital stations;

the impact of the conversion of an existing analogue station to a digital station;

the impact of introducing new analogue stations which could later be converted to digital

Interference between different services (broadcasting vs. mobile communications)


Bilateral international coordination with:

Vatican City

France

Monaco

Switzerland

Austria

Slovenia

Croatia

Other Adriatic Countries

Malta

South Mediterranean area Countries

Transition Process

21

21

Country A

Country B

Eint≤ Thrt


Diversi paesi europei hanno dimostrato interesse verso lo sviluppo di uno standard di trasmissione per la televisione digitale terrestre in grado di assicurare prestazioni superiori rispetto all’ormai consolidato DVB-T.L’opportunità di definire la nuova piattaforma si è presentata quando la diminuzione dei costi dei microcircuiti ha permesso di realizzare, anche per ricevitori domestici, tecniche di demodulazione che sfruttano a fondo le modulazioni multiportante (COFDM), e di introdurre nuove tecniche fino a ieri troppo costose da realizzare.Questa seconda generazione di tecnologie offre, rispetto alle precedenti, un “guadagno” spendibile in due modi:

aumento dell’efficienza spettrale, ovvero più bit/s/Hz; a parità di banda, più canali TV/servizia parità di canali TV, servizi a qualità più alta;

aumento dell’efficienza energetica, a parità di siti trasmittenti e della loro potenza, maggior copertura del territorio o antenne di ricezione più piccolea parità di copertura e antenne d’utente, diminuzione della potenza dei siti.

Evoluzione dello standard: DVB-T2

3124 Giugno 2010 31

Evoluzione dello standard: DVB-T2Bit-rate maggiori del DVB-T (guadagni superiori al 50%!)

Elevata flessibilità per adattarsi alle diverse modalità di ricezione (fisso, portabile, mobile)Efficienza spettrale compresa tra 0.5 e 6.6 bit/s/Hz;

C/N richiesto tra 1 e 25 dB (AWGN).

Guadagno d’efficienza spettrale del 25% con codici low‐densityparity‐check (LDPC) Guadagno di C/N tra 3 e 4 dB

Confronto delle prestazioni di capacità tra DVB-T e DVB-T2

su canale AWGN

3224 Giugno 2010 32

Primi field trial del DVB-T2 a novembre 2008 (Rai CRIT and Rai Way).Trasmissione con polarizzazione verticale sul canale UHF 29 dal sito di Torino Eremo.

Up to 4 HDTV programmes in a single RF channel

Confronto tra una tipica realizzazione italiana di rete DVB-T SFN ed una configurazione DVB-T2 equivalente

Fonte: Elettronica e Telecomunicazioni N° 2 Agosto 2009

Evoluzione dello standard: DVB-T2

digital video broadcasting-terrestrial (dvb-t)

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