Zákulisí DVB - teorie a technické informace
13.7.2009, Radek Jahoda, článek
Snad všechna média nás přesvědčují, že digitální vysílání je lepší než analogové. Ale co za tím stojí a proč to tak je, ví už málokdo. Podívejme se, jak systém DVB (DVB-S, DVB-S2, DVB-T a DVB-T2) funguje a jak je v principu rozdílný od analogového TV vysílání.
Kapitoly článku:
Po vytvoření BB rámce (což v případě DVB-S a DVB-T odpadá) je na řadě samotné kódování FEC - Forward Error Correction. Vnější kódování je blokové, v blocích po 8 bitech (do této doby vše probíhá v osmi bitech) a pro různé varianty je rozdílné.
Pro DVB-S a DVB-T se používá samoopravný Reed Solomonův kód (RS), který vypočítá ze vstupních dat počtu m (tedy 188 bytů) dalších k bytů (v našem případě 16 bytů), které slouží pro datovou ochranu. Celkem dostaneme n=m+k bytů a mluvíme o síle kódování (n,m). RS kód pracuje při osmibitových symbolech s kódem n=255 a pro ochranu maximálně osmi vadných bytů potřebuje dvakrát tolik ochraných bytů, tedy 16. Jde tedy o kódování (255,239), které bylo u DVB zkráceno na velikost paketu 188 vynulováním prvních 56 bytů, takže dostaneme typ kódování RS (204,188). RS kód byl vybrán proto, že je snadno implementovatelný v elektronice, jak pro kódování, tak i pro dekódování. Složitost tedy byla poplatná době přijmutí těchto standardů.
Aplikace Reed Solomon kódu
Protože přidaná data RS kódu jsou sdružená a jejich výpadek i výpadek více bytů po sobě by znemožnil ochranu, tak se hned po aplikaci RS kódu provede prokládání dat (interleaving), tedy přeskupení jednotlivých bytů tak, že dva byty po sobě na vstupu budou rozhozeny daleko od sebe. Dělá se to jednoduše tak, že se ukládá do FIFO paměti v řádkách o různé velikosti a vyčítá stejně tak. První řádek prochází rovnou bez zpoždění, druhý má velikost 17 bytů, poslední jedenáctý řádek má velikost 17*11=187 bytů, což je přibližně jeden frame. Na výstupu tedy máme jednotlivé byty i různých rámců rozházené a případná chyba při přenosu bytů po sobě jdoucích zapříčiní ve výsledku výpadek bytů daleko od sebe i v různých framech.
Vnější interleaver
Po aplikaci vnějšího kódu přichází na řadu vnitřní kód, který je bitový konvoluční. Ten se vyznačuje tím, že na výstupu kodéru dává data, která jsou závislá na předchozích vstupních datech. Aplikace je jednoduchá (na obrázku níže) s několika spožďovacími linkami a sčítačkami. Jako základ se používá s kódovým poměrem 1/2, který určuje poměr vstupních a výstupních dat. U poměru 1/2 jsou na každý 1 vstupní bit použity na výstupu 2 bity (označené X a Y).
Konvoluční kód 1/2
Konvoluční kód značně zvětšuje počet dat, proto se používá redukce dat, tzv. punkturace nebo-li vytečkování některých dat. Získáme tak nižší kódové poměry (viz tabulka).
Následuje opět prokládání dat, tentokrát bitové. To se provádí pouze u DVB-T, u DVB-S se neprovádí. Prokládání je rozdílné pro různé modulace a souvisí s mapováním modulace. Stream se rozdělí na X menších streamů jednoduchým rozhozením bitů, pro QPSK se rozdělí na dva, pro QAM-16 na čtyři a pro QAM-64 na šest streamů. Každý stream je pak prokládán zvlášť stejným způsobem jako u RS kódu, pouze jednotlivé řádky mají jinou délku 0,1,2,...125.
Jelikož výsledný datový tok musí být stejný, tak čím menší poměr, tím méně samotných dat přeneseme. U poměru 1/2 máme pouze polovinu dat, které nesou užitečnou informaci. Na druhou stranu to snižuje potřebný odstup signálu od šumu určující bezchybný příjem. Na obrázku vidíme, jak se právě tato hodnota mění pro různý poměr kódování (pro modulaci QPSK).
Nutný odstup signálu od šumu pro dekódování s chybovostí 10-4
Dále se provádí ještě symbolové prokládání, ale na to se podíváme až spolu s modulacemi.
Pro DVB-S a DVB-T se používá samoopravný Reed Solomonův kód (RS), který vypočítá ze vstupních dat počtu m (tedy 188 bytů) dalších k bytů (v našem případě 16 bytů), které slouží pro datovou ochranu. Celkem dostaneme n=m+k bytů a mluvíme o síle kódování (n,m). RS kód pracuje při osmibitových symbolech s kódem n=255 a pro ochranu maximálně osmi vadných bytů potřebuje dvakrát tolik ochraných bytů, tedy 16. Jde tedy o kódování (255,239), které bylo u DVB zkráceno na velikost paketu 188 vynulováním prvních 56 bytů, takže dostaneme typ kódování RS (204,188). RS kód byl vybrán proto, že je snadno implementovatelný v elektronice, jak pro kódování, tak i pro dekódování. Složitost tedy byla poplatná době přijmutí těchto standardů.
Aplikace Reed Solomon kódu
Protože přidaná data RS kódu jsou sdružená a jejich výpadek i výpadek více bytů po sobě by znemožnil ochranu, tak se hned po aplikaci RS kódu provede prokládání dat (interleaving), tedy přeskupení jednotlivých bytů tak, že dva byty po sobě na vstupu budou rozhozeny daleko od sebe. Dělá se to jednoduše tak, že se ukládá do FIFO paměti v řádkách o různé velikosti a vyčítá stejně tak. První řádek prochází rovnou bez zpoždění, druhý má velikost 17 bytů, poslední jedenáctý řádek má velikost 17*11=187 bytů, což je přibližně jeden frame. Na výstupu tedy máme jednotlivé byty i různých rámců rozházené a případná chyba při přenosu bytů po sobě jdoucích zapříčiní ve výsledku výpadek bytů daleko od sebe i v různých framech.
Vnější interleaver
Po aplikaci vnějšího kódu přichází na řadu vnitřní kód, který je bitový konvoluční. Ten se vyznačuje tím, že na výstupu kodéru dává data, která jsou závislá na předchozích vstupních datech. Aplikace je jednoduchá (na obrázku níže) s několika spožďovacími linkami a sčítačkami. Jako základ se používá s kódovým poměrem 1/2, který určuje poměr vstupních a výstupních dat. U poměru 1/2 jsou na každý 1 vstupní bit použity na výstupu 2 bity (označené X a Y).
Konvoluční kód 1/2
Konvoluční kód značně zvětšuje počet dat, proto se používá redukce dat, tzv. punkturace nebo-li vytečkování některých dat. Získáme tak nižší kódové poměry (viz tabulka).
| Poměr | Punkturování | Výstup kodéru |
| 1/2 | X:1 Y:1 | X1 Y1 |
| 2/3 | X: 1 0 Y: 1 1 | X1 Y1 Y2 |
| 3/4 | X: 1 0 1 Y: 1 1 0 | X1 Y1 Y2 X3 |
| 5/6 | X: 1 0 1 0 1 Y: 1 1 0 1 0 | X1 Y1 Y2 X3 Y4 X5 |
| 7/8 | X: 1 0 0 0 1 0 1 Y: 1 1 1 1 0 1 0 | X1 Y1 Y2 Y3 Y4 X5 Y6 X7 |
Následuje opět prokládání dat, tentokrát bitové. To se provádí pouze u DVB-T, u DVB-S se neprovádí. Prokládání je rozdílné pro různé modulace a souvisí s mapováním modulace. Stream se rozdělí na X menších streamů jednoduchým rozhozením bitů, pro QPSK se rozdělí na dva, pro QAM-16 na čtyři a pro QAM-64 na šest streamů. Každý stream je pak prokládán zvlášť stejným způsobem jako u RS kódu, pouze jednotlivé řádky mají jinou délku 0,1,2,...125.
Jelikož výsledný datový tok musí být stejný, tak čím menší poměr, tím méně samotných dat přeneseme. U poměru 1/2 máme pouze polovinu dat, které nesou užitečnou informaci. Na druhou stranu to snižuje potřebný odstup signálu od šumu určující bezchybný příjem. Na obrázku vidíme, jak se právě tato hodnota mění pro různý poměr kódování (pro modulaci QPSK).
Nutný odstup signálu od šumu pro dekódování s chybovostí 10-4
Dále se provádí ještě symbolové prokládání, ale na to se podíváme až spolu s modulacemi.
