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:
Konečně jsme se dostali k samotnému konci celého procesu - modulaci a vysílání. Modulace ale v digitálním vysílání znamená trošku něco jiného než v analogu. Tam se bral spojitý signál, který se moduloval na frekvenci vyšší. Televizní vysílání tedy převedlo spojitý video signál o frekvenci (šířce pásma) přibližně 0-6 MHz někam do televizního pásma VHF, UHF, tedy řádově 40-800 MHz. Modulace byla většinou buď amplitudová, kdy se modulovala (měnila) amplituda nosného signálu, nebo frekvenční, kdy se měnila frekvence kolem nosné frekvence.
U digitálního vysílání se provádí nejprve "digitální" modulace, to je vytvoření spojitého signálu, dostáváme se tedy do analogu. Ze streamu jedniček a nul je třeba udělat spojitý signál, to znamená bez "skoků", které jsou typické pro digitální signál. Získá se tak signál opět o frekvenci 0-X MHz, kde X je frekvence generování resp. šířka pásma.
Samotná modulace používá určité prvky amplitudové a fázové modulace. Výsledný signál je tedy dán jak amplitudou (velikostí) signálu, tak fázovým posunem (což je vlastně frekvenční posun aplikovaný na jednu periodu signálu) - vznikne jeden symbol, který je definován právě těmito dvěma parametry. A jelikož máme dvě měnící se složky, můžeme přenášet hned dva bity najednou. Nakreslíme-li si stavový diagram jednoho symbolu, bude vypadat takto:
Modulace QPSK
Každé dva bity se tak převedou na amplitudu
a úhel 
, což je fáze. Převedeme-li tyto dva parametry z polárních do ortogonálních souřadnic, dostaneme dva parametry označované I a Q, které definují bod stavového diagramu. Pokud vše zjednodušíme, necháme amplitudu konstantní a měníme jen fázi ve čtyřech krocích, dostaneme čtyři symboly a této modulaci se říká čtyřstavová QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulace.
Na diagramu je také vyznačeno, která kombinace bitů odpovídá kterému symbolu. Při generování symbolů určitou frekvencí, například 8 MHz, dostaneme čistou přenosovou rychlost dvojnásobnou, tedy přeneseme 16 Mbit/s. Právě tato modulace se používá u standardu DVB-S. Při šířce pásma 25 MHz dostaneme přenosovou rychlost 50 Mbit/s, po odečtení přidaných informací kvůli přenosu - kódování, korekci chyb atd. je výsledný přenosový tok na samém vstupu do přenosové cesty samozřejmě menší, podle kódového poměru cca 25-45 Mbit/s.
Pokud se rozhodneme, že budeme měnit fázi v menších krocích, například 45°, dostaneme hned dvakrát tolik možných symbolů, místo čtyř celkem osm, a přeneseme tím 3x tolik dat coby symbolů. Této modulaci se říká osmistavová fázová modulace 8PSK (8 Phase Shift Keying).
Modulace 8PSK
Můžeme jít i dále a kromě fáze měnit i amplitudu. Na následujícím obrázku je modulace šestnáctistavová 16APSK (Amplitude and Phase Shift Keying).
Modulace 16APSK
A takto můžeme přidat ještě dvakrát více symbolů, čímž vznikne modulace se 32-stavová 32APSK, která přenese v jednom symbolu najednou pět bitů.
Modulace 32APSK
Takto lze pokračovat i dále, ovšem ve standardu DVB-S2 jsou definovány pouze modulace QPSK, 8PSK, 16APSK a 32APSK. Pro šířku pásma 25 MHz tak je maximální přenosová rychlost 5*25=125 Mbit/s. Od toho se samozřejmě musí odečíst ještě kódování, takže skutečná přenosová rychlost je opět o něco menší.
Protože ale přijímač neví, jakou modulaci by měl přijímat a zkoušení všech možností a zkoušení demodulace by zabralo příliš velkou dobu, tak je nutné mu tuto informaci sdělit. Proto se u DVB-S2 zavedlo další rozdělení do rámců s úvodní hlavičkou, které nese právě tuto informaci. Hlavička je pak vždy modulována základní modulací QPSK, kterou přijímač snadno najde a ví, jakou modulaci má dále přijímat. Tyto rámce se nazývají PL podle Physical Layer Frame - PLFRAME.
Vytvoření PL rámce
Kvůli ještě snadnějšímu nalezení hlavičky se může vysílat i tzv. pilot signál, který je nemodulovaný, 36 symbolů dlouhý, odpovídající symbolu 00 u QPSK. Ten sice lehce zhoršuje plochost využívaného pásma, ale pomůže rychlejšímu nalezení PL rámce při zhoršených příjmových podmínkách.
Hlavička s celkem 90ti symboly obsahuje pouze dvě informace:
Následuje 16 slotů s celkem X symboly, kde X se mění podle použité modulace pro přenos 720 bitů.
kde n je počet bitů pro modulaci 2-5. Jde již o přenášená data mapovaná podle stavového diagramu. Tato data jsou dále scramblována, aby se stejné symboly neopakovaly často po sobě a využití pásma bylo plošší.
U digitálního vysílání se provádí nejprve "digitální" modulace, to je vytvoření spojitého signálu, dostáváme se tedy do analogu. Ze streamu jedniček a nul je třeba udělat spojitý signál, to znamená bez "skoků", které jsou typické pro digitální signál. Získá se tak signál opět o frekvenci 0-X MHz, kde X je frekvence generování resp. šířka pásma.
Samotná modulace používá určité prvky amplitudové a fázové modulace. Výsledný signál je tedy dán jak amplitudou (velikostí) signálu, tak fázovým posunem (což je vlastně frekvenční posun aplikovaný na jednu periodu signálu) - vznikne jeden symbol, který je definován právě těmito dvěma parametry. A jelikož máme dvě měnící se složky, můžeme přenášet hned dva bity najednou. Nakreslíme-li si stavový diagram jednoho symbolu, bude vypadat takto:
Modulace QPSK
Každé dva bity se tak převedou na amplitudu
a úhel , což je fáze. Převedeme-li tyto dva parametry z polárních do ortogonálních souřadnic, dostaneme dva parametry označované I a Q, které definují bod stavového diagramu. Pokud vše zjednodušíme, necháme amplitudu konstantní a měníme jen fázi ve čtyřech krocích, dostaneme čtyři symboly a této modulaci se říká čtyřstavová QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulace.Na diagramu je také vyznačeno, která kombinace bitů odpovídá kterému symbolu. Při generování symbolů určitou frekvencí, například 8 MHz, dostaneme čistou přenosovou rychlost dvojnásobnou, tedy přeneseme 16 Mbit/s. Právě tato modulace se používá u standardu DVB-S. Při šířce pásma 25 MHz dostaneme přenosovou rychlost 50 Mbit/s, po odečtení přidaných informací kvůli přenosu - kódování, korekci chyb atd. je výsledný přenosový tok na samém vstupu do přenosové cesty samozřejmě menší, podle kódového poměru cca 25-45 Mbit/s.
Pokud se rozhodneme, že budeme měnit fázi v menších krocích, například 45°, dostaneme hned dvakrát tolik možných symbolů, místo čtyř celkem osm, a přeneseme tím 3x tolik dat coby symbolů. Této modulaci se říká osmistavová fázová modulace 8PSK (8 Phase Shift Keying).
Modulace 8PSK
Můžeme jít i dále a kromě fáze měnit i amplitudu. Na následujícím obrázku je modulace šestnáctistavová 16APSK (Amplitude and Phase Shift Keying).
Modulace 16APSK
A takto můžeme přidat ještě dvakrát více symbolů, čímž vznikne modulace se 32-stavová 32APSK, která přenese v jednom symbolu najednou pět bitů.
Modulace 32APSK
Takto lze pokračovat i dále, ovšem ve standardu DVB-S2 jsou definovány pouze modulace QPSK, 8PSK, 16APSK a 32APSK. Pro šířku pásma 25 MHz tak je maximální přenosová rychlost 5*25=125 Mbit/s. Od toho se samozřejmě musí odečíst ještě kódování, takže skutečná přenosová rychlost je opět o něco menší.
Protože ale přijímač neví, jakou modulaci by měl přijímat a zkoušení všech možností a zkoušení demodulace by zabralo příliš velkou dobu, tak je nutné mu tuto informaci sdělit. Proto se u DVB-S2 zavedlo další rozdělení do rámců s úvodní hlavičkou, které nese právě tuto informaci. Hlavička je pak vždy modulována základní modulací QPSK, kterou přijímač snadno najde a ví, jakou modulaci má dále přijímat. Tyto rámce se nazývají PL podle Physical Layer Frame - PLFRAME.
Vytvoření PL rámce
Kvůli ještě snadnějšímu nalezení hlavičky se může vysílat i tzv. pilot signál, který je nemodulovaný, 36 symbolů dlouhý, odpovídající symbolu 00 u QPSK. Ten sice lehce zhoršuje plochost využívaného pásma, ale pomůže rychlejšímu nalezení PL rámce při zhoršených příjmových podmínkách.
Hlavička s celkem 90ti symboly obsahuje pouze dvě informace:
- SOF - Start Of Frame - 26 přesně daných symbolů, které definují začátek rámce
- PLS - Physical Layer Signalling - 64 symbolů, které přenáší 5 bitů identifikujících vysílanou modulaci zakódovaných Reed-Müllerovým kódem
Následuje 16 slotů s celkem X symboly, kde X se mění podle použité modulace pro přenos 720 bitů.
X=720/n pro dlouhý rámec nebo X=180/n pro krátký rámec
kde n je počet bitů pro modulaci 2-5. Jde již o přenášená data mapovaná podle stavového diagramu. Tato data jsou dále scramblována, aby se stejné symboly neopakovaly často po sobě a využití pásma bylo plošší.
