iptv: základné technologické riešenie

IPTV: základné technologické riešenie

prof. Ing. Stanislav Marchevský, CSc.

Park Komenskeho 13, Košice

Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikáciíFakulta elektrotechniky a informatikyTechnická univerzita v Košiciach

Stanislav.Marchevský@tuke.sk

Kurz „DVB“ pre pracovníkov Slovak Telekom, Košice, 13.-15.12. 2010

1. Architektúra IPTV

2. Používané protokoly pre prenos video toku v IPTV

3. Využitie prenosu typu multicast pre vysielanie TV kanálov

4. Prepnutie medzi TV programami

5. Middleware

6 Potrebná prenosová rýchlosť

7. Výhody IPTV

8. Čo je potrebné pre príjem IPTV

9. Ako funguje IPTV

10.Rušenia a chyby v obraze

11.Záver

Obsah

Odbavovacie centrum:

- vstup TV programov a rádiových staníc, spracovávanie

Chrbticová sieť:

- zaisťovanie prenosu dát

Regionálne odbavovacie pracovisko:

- pridávať do vysielania regionálne zameraný obsah

Prístupová sieť:

- distribuuje jednotlivé dátové toky k zákazníkom

Zákaznícke priestory:

- Set-Top-Box, modem

Architektúra IPTV

obr. 1 Typológia siete pre šírenie IPTV

Obr. 1 Typológia siete pre šírenie IPTV

Používané protokoly pre prenos video toku v IPTV

1. Nutnosť video signály upraviť pre prenos v dátových sieťach a následne prenesenie až k užívateľovi.

2. Bloky dát sú opatrené záhlavím snímok a záhlavím blokov dát. Jednotlivé časti základného paketového toku majú veľkosť 188 bajtov.

3. Takto spracovaný video signál ďalej vstupuje do dolných štyroch vrstiev OSI modelu (transportná, sieťová, spojová a fyzická). Tieto štyri vrstvy slúžia k ďalšiemu zapúzdreniu prenášaného video signálu a k jeho prenosu medzi zdrojom (video serverom) a koncovými užívateľmi.

Používané protokoly pre prenos video toku v IPTV

Využitie prenosu typu multicast pre vysielanie TV kanálov

1. Nutnosť pripojenia do multicastingovej skupiny.

2. Len jedna kópia kanálu je odoslaná z obsahového serveru na distribučný smerovač.

3. Tento smerovač smeruje video tok do uzlov regionálnych pobočiek.

4. Každý z regionálnych smerovačov potom smeruje tok k zákazníkom, ktorí si vyžiadali kanál sledovať.

Obr. 2 Vrstvový model IPTV

OSI Model IPTV Model

Aplikačná

PrezentačnáRelačná

TransportnáSieťová

Spojová

Fyzická

Video/Audio

PES

Služby

Rozhranie

MPEG-TS

RTP, UDP

IP

MACFyzická

Prepnutie medzi TV programami

Prepnutie medzi TV programami vyžaduje prechod z jednej multicastingovej skupiny do inej, resp. odhlásenie sa zo aktuálnej skupiny a prihlásenie do novej skupiny.

Na prepínanie sa používa protokol IGMPv2 (Internet Group Management Protocol), prijímaná žiadosť sa najprv kontroluje, či je užívateľ oprávnený sledovať nový TV program.

Technológia multicast môže poskytovať dodávku obsahu až k miliónom užívateľom zároveň. Toto nie je možné u služby video na prianie – VoD. Vzniká tak unikátny tok dát. Dátový tok je riadený protokolom RTSP (Real Time Streaming Proticol), ktorý umožňuje kontrolu nad multimediálnym tokom a dovoľuje užívateľom prehrávanie (play), pozastavenie (pause) a zastavenie (stop) sledovaného programu.

Obr. 3a Prenos TV kanálov v IPTV sieti

Obr. 3b Unicast metóda použitá pre prenos videa na prianie (VoD)

Middleware

- Jedná sa o software, ktorý si môžeme predstaviť ako platformu

- Realizuje všetky užívateľské orientované funkcie celého IPTV

- V IPTV zaisťuje middleware základné funkcie,

- napríklad registráciu užívateľov, - VoD- monitoruje udalosti v IPTV sieti.

- Middleware je tiež koncipovaný tak, aby bol jednoducho napojiteľný na účtovací systém.

Potrebná prenosová rýchlosť

Náročnosť DTV

Typvysielania SDTV SDTV HDTV HDTV

Typkompresie MPEG-2

H.264/MPEG-4

AVC MPEG-2 H.264/MPEG-4 AVC

Prenosovárýchlosť(Mb/s) 4 až 7 2 až 3 18 - 20

5 až 7(720p/25)

Priamyprenos

fut. zápasu

8 až 14(1080p/

50)

až 22(

1080p/50)

Tab. 1 Tabuľka prenosových rýchlosti

Výhody IPTV

EPG - elektronický programový sprievodca VoD - video na prianie PPV - platené programy VCR - televízny archív Superteletext - spravodajstvo, informácie o počasí, kurzovné lístky, športVideopožičovňa - možnosť objednať a prehrať film Kontrola účtu - možnosť priamo na obrazovke kontrolovať stav konta na predplatené služby IPTV

- digitálny príjem, obraz vo vysokom rozlíšení HDTV - e-mailová komunikácia - sledovanie televíziu, surfovanie po internete, telefonovanie- odposluch rozhlasových kanálov

Čo je treba pre príjem IPTV

- Prípojka k vysokorýchlostnému internetu- Modem alebo Set-top-box

- Bežný televízor s konektormi SCART (prípadne HDMI)- Odborného pracovníka, ktorý všetko nastaví

Ako funguje IPTV v praxiAk chcete sledovať IPTV na viac televízoroch, tak máte smolu a nepomôže vám ani zakúpenie ďalších prístrojov. Na jednu linku totiž môžete sledovať iba jeden televízny.

Preto sa všetky televízne kanály privádzajú len do zberných centrálnych miest (DSLAMy), odkiaľ ide po vysokorýchlostným internete ku divákovi iba jeden nim vybratý program.

Oneskorenie pri prepínaní jednotlivých kanálov (tzv. channel zapping) je jednou z nevýhod IPTV.

Poskytovanie služby IPTV môže mať vplyv na rýchlosť ADSL pripojenia.

Pri súčasnom sledovaní IPTV a používaniu ADSL technológie môže dôjsť ku krátkodobému zníženiu rýchlosti pripojenia k internetu.

Obr. 4 Príklad poškodenia obrazu spôsobené zmenou poradia paketov

Obr. 5 Príklad poškodenia obrazu spôsobené

stratou paketov

Obr. 6 Príklad poškodenia obrazu spôsobené stratou paketov a zmenou poradia paketov (slabé)

Obr. 7 Príklad poškodenia obrazu spôsobené stratou paketov a zmenou poradia paketov (silné)

Rušenia a chyby v obraze

Obr. 4 Príklad poškodenia obrazu spôsobeného zmenou poradia paketov

Obr. 5 Príklad poškodenia obrazu spôsobeného stratou paketov

Obr. 6 Príklad poškodenia obrazu spôsobeného stratou paketova zmenou poradia paketov (slabé)

Obr. 7 Príklad poškodenia obrazu spôsobeného stratou paketova zmenou poradia paketov (silné)

IPTV poskytuje okrem širokej ponuky televíznych programov tiež dodatočné služby uvedené vyššie.

Ďalšou výhodou je možnosť sledovať IPTV, zároveň telefonovať a surfovať a to všetko v rámci jednej prípojky.

Nevýhodou IPTV prevádzkovanej na prípojkách xDSL je obmedzená vzdialenosť resp. malá rýchlosť pre HDTV či viac TV programov zároveň.

Masívnym rozšírením optických prístupových sieti FTTH (Fibre To The Home) – resp. FTTx (Fiber to the …), bude mať za následok zrušenie týchto obmedzení. Tým dôjde k rozvoju v rámci IPTV a balíčkov ďalších služieb (TriplePlay apod.).

Záver

1.Rádiové prenosové systémy

Historické poznámky 1864 James Clark Maxwell

Teoretická predpoveď existencie elektromagnetických vĺn.

1888 Heinrich Rudolf Hertz

Dôkaz existencie elektromagnetického vlnenia

1896 Alexander Stepanovič Popov

Predvedenie činnosti rádiotelegrafu

1896 Gugliemo Marconi

Patent „Zdokonalenie prenosu elektrických impulzov a príslušné prístroje“.

1901 Gugliemo Marconi

Rádiové spojenie medzi vysielacou stanicou v Poldhu (Cornwall, GB) a prijímacou stanicou v St. Johm’s (Newfoudland, Kanada), 3680 km

1904 Jozef Murgaš

Vynález „Tónový systém telegrafie “-zárodok frekvenčnej modulácie signálov.

1906 Reginald Fessenden

Prvý úspešný pokus s prenosom hovoreného slova a hudby.

Historické poznámky 1920 Pittsburg (USA)

Prvé pravidelné rozhlasové vysielanie.

1929 BBC (GB)

Pokusné televízne vysielanie obrazu.

1930 BBC (GB)

Televízne vysielanie obrazu a zvuku.

1948 C.E. Shannon

„A Mathematical Theory of Comunication, Bell System Technical Journaul, vol. 27, pp. 379-423, 623-656, July, October, 1948.

1954 National Television System Commitee (NTST, USA)

Ukončenie vývoja prenosovej sústavy farebnej televízie

1971 S.B. Weinstein, P.M. Ebert

“Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform,” IEEE Transactions on Communications, 19, 5, pp. 628-634, 1971.

1997 Digital Audio Broadcasting (DAB), Digital Video Broadcasting (DVB),

ETSI

Základný Shannonov model rádiového komunikačného systému

Zdroj informácie

Zdrojový kóder

Kanálový kóder

Modulátor

Príjem informácie

Zdrojový dekóder

Kanálový dekóder

Demodulátor

Premena typu signálu

Kompresia / Dekompresia

údajov

Ochrana prenosu

Nosný signál

Rádiový kanál

Základné parametre prevádzky prenosových systémov (1)

Cf0Lf 0Hf

0B0dB

3dB

3 LdBf 3 HdBf3dBB

Absolútna šírka frekvenčného pásma (B0 ): Rozsah frekvencií, v ktorom má signál nenulovú spektrálnu výkonovú hustotu.

Trojdecibelová šírka frekvenčného pásma (B-3 dB ): Šírka pásma ohraničená frekvenciami, pri ktorých spektrálna výkonová hustota klesne o 3dB oproti svojej maximálnej hodnote.

Základné parametre prevádzky prenosových systémov (1)Absolútna šírka frekvenčného pásma (B0 ): Rozsah frekvencií, v ktorom má signál nenulovú spektrálnu výkonovú hustotu.

Trojdecibelová šírka frekvenčného pásma (B-3 dB ): Šírka pásma ohraničená frekvenciami, pri ktorých spektrálna výkonová hustota klesne o 3dB oproti svojej maximálnej hodnote.

Prenosová rýchlosť (R): Počet bitov prenesených za sekundu.

Pomer výkonu nosného signálu k šumu (biely Gaussov šum) (CNR):

CNR=výkon nosného signálu / spektrálna výkonová hustota bieleho šumu

Odstup signálu od šumu (SNR):

SNR=energia na bit (Eb) / spektrálna výkonová hustota bieleho šumu (N0).

Pravdepodobnosť chyby v prenose bitu (PE) / Bitová chybovosť (BER):

PE=počet chybných bitov prenesených za sekundu/ celkový počet bitov prenesených za sekundu

BER=počet chybných bitov prenesených za sekundu/ celkový počet bitov prenesených za sekundu

BER=f(CNR) , BER=f(SNR)

Základné parametre prevádzky prenosových systémov (2)Energetická (výkonová) účinnosť:

Spektrálna účinnosť:

0e

b

N

E b b

CE CT

R 0

n

NN

B 0 .e

b n

N N R

E C B

/S RFR B

0.b nE BC

N N R

2.Modelovanie rádiových prenosových kanálov

Základný scenár prenosu signálov cez rádiový kanál

tienenie, ohyb vlny (Huygensov princíp)

pohyb

skladanie vlnení (interferencia)

rozptýlená vlna

drsná, nerovná odrazová plocha (reflektor)

rozptyl vlny

odrazená(é) vlna(y)

odraz vlny

rovná odrazová plocha (reflektor)

Dopplerov jav

priama vlna

Výkonová úroveň rádiového signálu ako funkcia vzdialenosti

Vzdialenosť

Výko

n

10-100 m(1-10 s)

0.1 -1 m(10-100 ms)Stredná hodnota

výkonu

Pomalé úniky

Rýchle úniky

Celkové straty: [dB]

( , ) ( ) ( ) ( )C P RL p t L X t tXp

časpoloha, vzdialenosť, súradnice

( )RX t

( )PX t

Klasifikácia prenosových strát:

Straty šírením sa signálu, prenosové straty (path loss), L(p): Útlm (straty) závislý na vzdialenosti medzi vysielacou a prijímacou anténou a typom prostredia. Časovo nepremenlivá zložka predstavuje strednú hodnotu signálu v príslušnom bode priestoru a jeho okolí. Je spravidla určovaná ako priemer veľkého počtu meraní okamžitej hodnoty úrovne signálu uskutočnených v dostatočne dlhom časovom intervale na ploche o priemere rádovo niekoľkých vlnových dĺžok. Modelovanie: predikcia úrovne výkonu/útlmu/prenosových strát.

Pomalé úniky (slow fading, long-term fading, shadowing) XP(t): Útlm (straty) spôsobený tienením spoja (terén, zástavba, vegetácia, ľudia, ...) pri pohybe mobilnej antény. Ku kolísaniu úrovne signálu dochádza z hľadiska vlnovej dĺžky pomaly, pri zmene rádovo minimálne o desiatky vlnových dĺžok. Hĺbka únikov môže byť veľmi veľká (desiatky dB). Pomalé úniky vykazujú logaritmicko-normálne rozloženie v čase s nulovou strednou hodnotou. Modelovanie: predikcia úrovne výkonu/útlmu/prenosových strát.

Rýchle úniky (fast fading, short-term fading, Rayleigh fading) XR(t): Útlm (straty) spôsobený mnohocestným šírením sa signálov (multipath) a Dopplerovým javom. Sú reprezentované rýchlym a hlbokým kolísaním úrovne signálu. Rýchle úniky vykazujú Rayleigho (Non Line-of-Sight)/Riceovo (Line-of-Sight) rozloženie v čase s nulovou strednou hodnotou. Modelovanie: V širšom zmysle stacionárny kanál s nekorelovanými rozptylmi.

Výkonová bilancia rádiového prenosového kanálu:

x x x x x x

Vysielacia anténa

Straty šírením

Pomalé úniky Rýchle úniky

Prijímacia anténa

Aditívny šum

x

Ostatné straty spoja

Modelovanie prenosových strát:

Nárast strát šírením sa elektromagnetickej vlny je vyjadrený ako funkcia n-tej mocniny vzdialenosti medzi vysielacou a prijímacou anténou:

n: spádový koeficient

Vyjadrenie strát podľa empirického modelu s jednou spádovou krivkou:

L1(d1): referenčná hodnota prenosových strát vo vzdialenosti d1.

1P n

Pd

log [ ]PP n d dB

( ) nL d d ( ) log [ ]L d n d dB

1 11

( ) ( ) 10 logd

L d L d nd

Rayleigho mnohocestný kanál s únikmi:

vysielač prijímač

prostredie

N-tá cesta

( ) ( )N Na t s t t

2. cesta

2 2( ) ( )a t s t t

( )r t( )s t

1. cesta

1 1( ) ( )a t s t t

an(t): útlm signálu prijímaného cez n-tú cestu

: oneskorenie signálu prenášaného n-tou cestoun

( ) ( ) ( )n nn

r t a t s t t

Rayleigho mnohocestný kanál s únikmi, jeho prejavy, klasifikácia prenosových kanálov:Výkonový profil prenosového kanála: Priemerný výstupný výkon prenosového kanála ako funkcia disperzného oneskorenia .

f0: koherenčná šírka pásma: Frekvenčné pásmo, v ktorom sú amplitúdy jednotlivých frekvenčných zložiek (f1 ,f2) korelované. Potom ak platí f0< f1 -f2 , tak dvojica harmonických signálov je pri prenose cez kanál ovplyvňovaná rôznym spôsobom.

B : šírka frekvenčného pásma vysielaného signálu

Klasifikácia prenosových kanálov I.:

(1) Prenosový kanál bez frekvenčne selektívnych únikov: f0>B

(2) Prenosový kanál z frekvenčne selektívnymi únikmi: f0<B

Dopplerov jav: Ak sa oscilátor, ktorý je zdrojom vlnenia, a pozorovateľ navzájom pohybujú k sebe alebo od seba, potom pri ich vzájomnom približovaní sa je frekvencia vlnenia prijímaného pozorovateľom vyššia a pri vzájomnom vzďaľovaní sa zasa nižšia ako frekvencia vlnenia prijímaného pozorovateľom za inak rovnakých okolností vtedy, keď sú oscilátor a pozorovateľ v relatívnom pokoji.

bázová stanica

mobilná stanica

vP: fázová rýchlosť nosného signálu

vT , fc

vp =c = rýchlosť svetla

fc : frekvencia vysielaného harmonického signálu

fcp : frekvencia prijímaného harmonického signálu

vT : rýchlosť mobilnej stanice

vp : fázová rýchlosť širenia sa elektromagnetického vlnenia

Dopplerov jav

Dopplerov jav a jeho prejavy

bázová stanica

mobilná stanica

vP: fázová rýchlosť nosného signálu

vT , fc

vp =c = rýchlosť svetla


fc1 : frekvencia prijímaného harmonického signálu



Prejavy Dopplerovho javu:

(1) Dopplerov posuv: f1

(2) Dopplerovo rozšírenie: f1 -> S(f)

1 cosTc

p

vf f

v

1 11 cosTc c c

p

vf f f f

v

cfc mf f c mf f

S(f)

Dopplerov jav, klasifikácia prenosových kanálov:


fc1 : frekvencia prijímaného harmonického signálu



Prejavy Dopplerovho javu:

(1) Dopplerov posuv: f1

(2) Dopplerovo rozšírenie: f1 -> S(f)

1 cosTc

p

vf f

v

1 11 cosTc c c

p

vf f f f

v

cfc mf f c mf f

S(f)

Klasifikácia prenosových kanálov II.:

(1) Prenosový kanál s pomalými únikmi: T0> TS

(2) Prenosový kanál s rýchlymi únikmi: T0< TS

T0: doba koherencie prenosového kanála: miera strednej hodnoty časového intervalu, v rámci ktorého je prenosový kanál časovo-invariantný.

TS: doba trvania signálového prvku

Základný model rádiového prenosového kanála pre DVB-T

(1) Prenosový kanál s frekvenčne selektívnymi únikmi

(2) Prenosový kanál s pomalými únikmi

3.Modulácia OFDM so spojitými (analógovými) nosnými

OFDM: Orthogonal Frequency Digital Multiplex(ing)

Frequency Divison Multiple Access (FDMA): frekvenčné delenie prenosového kanálu

Základná myšlienka: (1) Prenosový kanál s nelineárnou amplitúdovou

frekvenčnou charakteristikou, ktorého šírka pásma je B, je rozdelený na N-prenosových „subkanálov“ s počastiach-konštatnou charakteristikou. Každý „subkanál“ má šírku pásma B/N.

(2) Údaje sú prenášané cez jednotlivé „subkanály“ paralelne.

(3) Ak doba trvania jedného informačného bitu prenášaného s využitím šírky pásma B je T, potom doba trvania jedného informačného bitu prenášaného s využitím šírky pásma B/N je TN.

Riešenie problému frekvenčne selektívnych únikov: FDMA

Frekvencia

Am

plitú

dová

frek

venč

ná

char

akte

ristik

a

B

Frekvencia

Am

plitú

dová

frek

venč

ná

char

akte

ristik

a B/N

Výber subnostných signálov (1)

Ochranný interval

Kanál 2Kanál 1

Konvenčný výber subnostných signálov Frekvencia

Kanál 3 Kanál 10

T

f

S(f)Ortogonálne subnostné signály:

0

11( ) ( )

0

Tk l

pre k lg t g t

pre k lT

2( ) kj f t

kg t Ae

11

k kf f fNT

' ( )kG f'1( )kG f

'1( )kG f

f f ff

Gf f

0 0,1,2, , 1kf f k f k N

' ( ) ( ) ( )k kg t g t rect t

T

Výber subnostných signálov (2)

Ochranný interval

Kanál 2Kanál 1

Konvenčný výber subnostných signálov Frekvencia

Kanál 3 Kanál 10

Ušetrené frekvenčné pásmo

Zvýšenie spektrálnej účinnosti

Výber ortogonálnych subnostných signálov Frekvencia

Kanál 2Kanál 1 Kanál 10

Transformácia FDMA na OFDM

f

Gf f

Bloková schéma OFDM prenosového systému so spojitými subnostnými

0 1 1, , , Na a a 0 1 1ˆ ˆ ˆ, , , Na a a

Prenosový kanál

S->P

( 1)m T

mT

( 1)m T

mT

( 1)m T

mT

0a

1a

1ˆNa

0a

02j f te

0 ( )x t

1a

12j f te

1( )x t

1Na

12 Nj f te

1( )Nx t

+

02j f te

12j f te

12 Nj f te

P->S

( )x t

a0

a1

... aN-1

a0

a1

...

aN-1

a0+

+ a1 +

+... +

+ aN-1

...

0a

1a

1ˆNa

NT

T

Prenosový kanál

S->P

( 1)m T

mT

( 1)m T

mT

( 1)m T

mT

0a

1a

1ˆNa

0a

02j f te

0 ( )x t

1a

12j f te

1( )x t

1Na

12 Nj f te

1( )Nx t

+

02j f te

12j f te

12 Nj f te

P->S

0 1 1, , , Na a a 0 1 1ˆ ˆ ˆ, , , Na a a

0 1 1ˆ ˆ ˆNa a a

( )x t

12 ( )

0

( ) 0N

j k fk

k

x t a e t T

Prenosový kanál

S->P

( 1)m T

mT

( 1)m T

mT

( 1)m T

mT

0a

1a

1ˆNa

0a

02j f te

0 ( )x t

1a

12j f te

1( )x t

1Na

12 Nj f te

1( )Nx t

+

02j f te

12j f te

12 Nj f te

P->S

0 1 1, , , Na a a 0 1 1ˆ ˆ ˆ, , , Na a a

( )x t

12 ( )

0

( ) 0 ( 1)N

j k f tk

k

x t a e t N T

0 0

k

f

f k f

( 1) 21

ˆ ( )m T j k ft

k mTa x t e dt

T

4.Modulácia OFDM s diskrétnymi subnosnými

Implementácia vysielača pomocou IFFT

IDFT: Inverzná Diskrétna Fourierova Transformácia

IFFT: rýchly (Fast) algoritmus výpočtu IDFT

Predpoklad: perióda vzorkovania =T

12 ( )

0

( ) 0 ( 1)N

j kk

k

f tx t a e t N T

1 2 ( )

0

(1

)( ) 0 ( 1)

nTN j k

kNT

k

x nT a e nT N T

21

0

( ) 0 ( 1)j knN

Nk

k

x nT a e nT N T

21

0

( ) 0 1j knN

Nk

k

x n a e n N

21

0

1( ) 0 1

j knNN

kk

x n N a e n NN

IDFT/IFFT

OFDM symbol

( ) .

0 1kx n N IFFT a

n N

( ) 0 1x n pre n N

Implementácia prijímača pomocou FFT

DFT: Diskrétna Fourierova Transformácia

FFT: rýchly (Fast) algoritmus výpočtu DFT

Predpoklad: perióda vzorkovania =T

( ) 0 1ka DFT x n k N

21

0

( ) 0 1j knN

Nk

n

a x n e k N

21

0

21

0

0 1j nmN

Nk

m

j knNN

kn

a e k Na e

DFT/FFT

. ( )

0 1ka N FFT x n

k N

2 ( )1 1

0 0

ˆ 0 1j n m kN N

Nk k

m n

a a e k N

1

0

ˆ ( ) 0 1N

k km

a a N m k k N

ˆ 0 1k ka Na k N

Základná bloková schéma OFDM prenosového systému v základnom pásme

0 1 1, , , Na a a 0 1 1ˆ ˆ ˆ, , , Na a a

P->SPrenosový

kanálS->P

0a

1a

1Na

IFFT DAC ADCP->S S->P FFT

0A

1A

1ˆNA

0A

1A

1NA

0a

1a

1ˆNa

vysielač prijímač

Príklad časového priebehu a spektrálnej vźykonovej hustoty OFDM signálu

-60 -40 -20 0 20 40 60-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f [MHz]

pow

er s

pect

rum

mag

nitu

de [

dB] OFDM spectrum for N

FFT = 128, N

w in = 12, N

guard = 24, oversampling = 1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-0.2

-0.1

0

0.1

0.2time domain signal (baseband)

sample nr.

imaginaryreal

5.Ochranný interval, cyklický prefix a ekvalizácia prenosového kanálu

Oneskorenie

Vysielaný signál

t

Medzisymbolová interferenia ako dôsledok mnohocestného šírenia sa signálov

Signál prenesený cez 1. cestu






Prijatý signál

Základná myšlienka použitia ochranného intervalu (Guard Interval, GI)

Data 1 Data 2 Data 3



tData 1 Data 2 Data 3GI GI

Data 1 Data 2 Data 3GI GI

Data 1 Data 2 Data 3GI GI

Prenos bez ochranného intervalu

Prenos s ochranným intervalom

Zhrnutie: Ak doba trvania ochranného intervalu je väčšia ako maximálne oneskorenie prenosu signálu spôsobené mnohocetným širením sa signálov v prenosovom kanále, pri prenose údajov nevznikne medzisymbolová interferencia spôsobená mnohocestným širením sa signálov

GI MAXT

MAX

GIT

0GIT

Cyklický prefix (CP) ako forma ochranného intervalu

DATA

Data CP CP

Poznámka: Použitie cyklického prefixu ako ochranného intervalu má za následok to, že konvolúcia OFDM rámca s cyklickým prefixom je totožná s cyklickou konvolúciou OFDM rámca bez cyklického a impulzovej odpovede prenosového kanálu.

Dôsledok:

spektrum (DFT) vstupného signálu prenosového kanála v časovom okamihu tm

frekvenčná charakteristika prenosového kanála v časovom okamihu tm

spektrum (DFT) výstupného signálu (odpovede) prenosového kanála v časovom okamihu tm

OFDM rámec s CP

OFDM rámec bez CP

Cyklický prefix ako ochranný interval: Prekopírovanie posledných L-symbolov OFDM rámca na jeho začiatok

( , ) ( , ) ( , )k m k m k mR f t H f t X f t( , ) :k mX f t

( , ) :k mH f t

( , ) :k mR f t

Estimácia prenosového kanálu na báze pilotných symbolov. Základný princíp.

časfr

ekve

ncia

frek

venc

ia

čas čas

frek

venc

ia

...

... ... ...

......

...

...

...

...

...

...

Pilotné symboly Pilotné symboly-tóny Rozptýlené pilotné symboly1. Do postupnosti vysielaných údajov sú na vopred definovanú nosné v definovaných časových okamihoch začlenené pilotné symboly. Lokalizácia pilotných symbolov a pilotné symboly samotné sú v prijímači známe.

2. Použitím pilotných symbolov je odhadnutá frekvenčná charakteristika prenosového kanála v časových okamihoch a nosných zodpovedajúcich lokalizácii pilotných symbolov.

3. Na základe odhadnutých vzoriek frekvenčnej charakteristiky prenosového kanála je metódami interpolácie odhadnutá frekvenčná charakteristika prenosového kanála pre všetky nosné signály a každý časový okamih OFDM rámca.

4. Na základe odhadnutej frekvenčnej charakteristiky prenosového kanála je realizovaná ekvalizácia prijatej údajovej postupnosti.

Estimácia prenosového kanálu na báze pilotných symbolov. Základný princíp.1. Do postupnosti vysielaných údajov sú na vopred

definovanú nosné v definovaných časových okamihoch začlenené pilotné symboly. Lokalizácia pilotných symbolov a pilotné symboly samotné sú v prijímači známe.




( , ) ( , ) ( , )

( , )

p p pp p pm m mk k k

p pmk

R f t H f t X f t

N f t

( , )ˆ ( , )( , )

p pmp p k

mk p pmk

R f tH f t

X f t






ˆ ˆ( , ) ( , )p pl k INTERP mkH f t F H f t






Metóda „zero-forcing“:

( , )ˆ ( , )ˆ ( , )

l kl k

l k

R f tX f t

H f t

OFDM prenosový systém v základnom pásme s ekvalizáciou prenosového kanálu

vysielač

IFFT DACCPP->SS->P Mapovanie pilotných symbolov

prijímač

S<-P ADCP<-SFFTEkvalizér CP

Prenosový kanál

Estimácia prenosového

kanála

6.Základná štruktúra OFDM prenosového systému v preloženom pásme

OFDM prenosový systém v preloženom pásme (1)

vysielač

IFFT CPP->SS->P Mapovanie pilotných symbolov

prijímač

S<-P P<-SFFTEkvalizér CP


kanála

DAC QPSK modulátor

Tvarovací filter

Prenosový kanál

ADCQPSK

demodulátor

Výkonový zosilňovač

Tvarovací filter

Obvody synchronizácie


vysielač


prijímač



kanála

DAC QPSK modulátor

Tvarovací filter

Prenosový kanál

ADCQPSK

demodulátor


Tvarovací filter


Znižovanie možnosti vzniku medzisymbolovej interferencie


vysielač


prijímač



kanála

DAC QPSK modulátor

Tvarovací filter

Prenosový kanál

ADCQPSK

demodulátor


Tvarovací filter


Modulácia / demodulácia komplexnej postupnosti symbolov do preloženého pásma


vysielač


prijímač



kanála

DAC QPSK modulátor

Tvarovací filter

Prenosový kanál

ADCQPSK

demodulátor


Tvarovací filter


Výkonové zosilnenie vysielaného signálu


vysielač

IFFT CPP->SS->P Mapovanie

prijímač



kanála

DAC QPSK modulátor

Tvarovací filter

Prenosový kanál

ADCQPSK

demodulátor


Tvarovací filter


Synchronizácia nosného signálu, subnostných, atď.

Poznámka: na synchronizáciu možno efektívne využiť CP

7.Zhrnutie vlastností a prehľad aplikácií OFDM prenosových systémov

1. Robustný prenosový systém (modulácia) pre prípad kanálov s mnohocestným šírením sa signálov

2. Riešenie problému mnohocestného šírenia sa signálov jednoduchou ekvalizáciou na strane prijímača (mnohonásobné subnosné signály, cyklický prefix).

3. Kompatibilita s používanými metódami mnohoúčastníckeho prístupu k prenosovému kanálu: TDMA, FDMA, CDMA.

4. Možnosť vytvárať nové metódy mnohoúčastníckeho prístupu k prenosovému kanálu: MC-CDMA, OFDMA, SC-FDMA.

5. Podporuje rozmanité modulačné schémy (napr. adaptíve modulácie, hierarchické, modulácie) s možnosťou aplikácie v tzv. kognitívnych komunikačných systémoch.

6 Poskytuje elegantný rámec pre aplikáciu prenosových systémov s viacerými vysielacími a prijímacími anténami (tzv. MIMO prenosové systémy).

7. Umožňuje koexistenciu s s aktuálnymi a budúcimi prenosovými systémami, nakoľko tóny (nosné) a pásma môžu byť dynamicky adaptované

8. Prijateľná výpočtová zložitosť, efektívna implementácia (IFFT, FFT) pri použití princípov softvérovo-definovaného rádia.

Výhody OFDM

1. Vysoká citlivosť na medzikanálovú interferenciu medzi subnosnými (napr. ako dôsledok Dopplerovho javu).

2. Vysoká citlivosť na frekvenčný, fázový a hodinový ofset.

3. Obálka OFDM signálu nie konštantná ale je charakteristická veľkou fluktuáciou (veľký pomer špičkového výkonu OFDM signálu k jeho priemernému výkonu). Dôsledky: (1) Sú potrebne kvalitné lineárne zosilňovače. (2) Vznik nelineárneho skreslenia OFDM signálu s následkom vyžarovania do susedných frekvenčných pásiem, potláčania ortogonality nosných a zvyšovania bitovej chybovosti.

4. Komplikovanejšie obvody synchronizácie (frekvenčná synchronizácia: synchronizácia subnostných (frekvenčný ofset), časová synchronizácia: synchronizácia symbolov).

Nevýhody OFDM

1. Wireless LAN: IEEE802.11a/g, IEEE 802.16a , (Wi-Fi, Wireless Fidelity), HYPERLAN

2. Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL), xDSL (Digital Subscriber Line)

3. IEEE 802.16 -WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

4. 4G mobilných komunikačných systémov (LTE, SC-FDMA pre uplink, OFDMA pre downlink)

5. Digital Radio Mondiale

6 Digital Audio Broadcasting (DAB).

7. Digital Video Broadcasting (DVB): Digital Video Broadcasting-Terrestria (DVB-T)

Prehľad niektorých aplikácií OFDM

8.OFDM prenosové systémy aplikované v DVB-T

Vysielač OFDM prenosového systému

IFFT P->SS->P

Mapovanie pilotných symbolov

Modulácia v

základnom pásme

CP DAC QPSK modulátor

Tvarovací filter


Zdrojové kódovanie Šifrovanie

Kanálové kódovanie Interleaving

P->SS->P FFT Ekvalizér


kanála


CPADCQPSK

demodulátorTvarovací

filter

Deinterleaving Kanálové dekódovanie

DešifrovanieZdrojové

dekódovanie

Prijímač OFDM prenosového systému

Demodulácia signálov modulovaných v

základnom pásme

Prijímač: Realizuje (1) operácie inverzné k operáciam vo vysielači, (2) frekvenčnú a časovú synchronizáciu obvodov vysielača a prijímača, (3) estimáciu prenosového kanála a (4) ekvalizáciu prijatých signálových prvkov.


IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Zdrojové kódovanie, kompresia údajov

Určenie: Zníženie rýchlosti vstupného bitového toku (redukcia bitovej, prenosovej rýchlosti).

Základná myšlienka: (1) Odstránenie redundancie z dátového toku s možnosťou bezstratovej kompresie údajov. (2) Odstránenie irelevancie z dátového toku so stratovou kompresie údajov.

Činiteľ kompresie: pomer prenosovej rýchlosti na vstupe a na výstupe kódera.

Metódy v DVB-T: MPEG-2




IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Určenie: Detekcia a korekcia chýb, ktoré vznikli pri pri prenose a spracovaní údajov.

Zdroj chybovosti prenosu: (1) prenosové straty a úniky spôsobené prenosovým kanálom, (2) rušenie v prenosovom kanále, (3) šum analógových obvodov vysielača a prijímača, (4) nedokonalá činnosť jednotlivých obvodov vysielača a prijímača.

COFDM: OFDM modulácia s aplikáciou kanálového kódovania.




IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Metódy v DVB-T: (1) Reedov-Solomonov (RS) kód (188, 204), (≈ redundancia 8,51 %). (2) Punkturované konvolučné kódovanie s kódovými rýchlosťami 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.



Kódová rýchlosť, rýchlosť kanálového kódovania: RC=k/n.

Kódový zisk: Veličina, ktorá udáva o koľko dB je možné zmenšiť SNR oproti stavu bez kódovania pri zachovaní rovnakej prenosovej rýchlosti a rovnakej bitovej chybovosti.


IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Interleaving (prekladanie):

Určenie: V kombinácii s kanálovým kódovaním umožňuje korekcia zhlukov chýb, ktoré vznikli pri pri prenose a spracovaní údajov.




IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Základná myšlienka: Interleaver zámerne a definovaným spôsobom mení prirodzené poradie bitov v originálnom bitovom toku. V prijímači sa obnoví pôvodné bitové poradie. Ak pri prenose cez prenosový kanál vznikli zhlukové chyby, zmenia sa v deinterleaveri tieto chyby na náhodné (osamotené), ktoré môžu kanálové dekódery úspešne korigovať.

Metódy v DVB-T: (1) Konvolučný interleaving. (2) Symbolový interleaving.



Interleaving (prekladanie): základný princíp

b1 b4 b7 b10

b2 b5 b8 b11

b3 b6 b9 b12

b1 b2 b3 b4

b5 b6 b7 b8

b9 b10 b11 b12

Čítanie

b1, b2, b3, b4, b5, b6, …. b1, b4, b7, b10, ….

Zápis

bk: k-tý informačný bit

Čítanie

b1, b4, b7, b10, …. b1, b2, b3, b4, ….

Zápis

bk: k-tý informačný bit

Interleaving

Deinterleaving


IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Aplikácia metódód kryptografie

Určenie: Ochrana a utajenie prenášaných údajov pre ich zneužitím neoprávneným príjemcom.




IFFT P->SS->P


Modulácia v

základnom pásme


Tvarovací filter


Modulácia v základnom pásme, mapovanie

Určenie: Zvýšenie prenosovej rýchlosti dátového toku, zvýšenie spektrálnej účinnosti prenosového systému.

Základná myšlienka: Nahradenie dvojstavovej modulácie modulácie v základnom pásme viacstavovou moduláciou, kedy sa definovanej n-tici bitov priradí jeden vo všeobecnosti jeden komplexný symbol.

Metódy v DVB-T: (1) Základné modulácie: QAM (QPSK), 16-QAM, 64-QAM. (2) Hierarchické modulácie: QAM (QPSK)+QAM (QPSK), QAM (QPSK)+16QAM.



Modulácia M-QAM: konštelačné diagramy

Hierarchické modulácie: príklady konštelačných diagramov

Ďakujem za

pozornosť

iptv: základné technologické riešenie

Documents