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11. Übertragung des DVB-Signals im Satelliten-, Kabel- und terrestrischen Funkkanal

Nach den Vorarbeiten der am europäischen DVB-Projekt beteiligten Institutionen wurden die Ergebnisse von der ETSI (European Telecommunications Standards Institute) als Standards des Digitalen Fernsehens in Europa festgeschrieben in den European Telecommunication Standards

• ETS300 421: Digital broadcasting systems for television, sound and data
services; Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services (Januar 1995).

• ETS 300 429: Digital broadcasting systems for television, sound and data
services; Framing structure, channel coding and modulation for cable systems (November 1994).

• ETS 300 744: Digital broadcasting systems for television, sound and data
services; Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television (März 1997) [2, 54].

Im Folgenden werden die Übertragungssysteme unter Bezugnahme auf die bereits in den Abschnitten 9 und 10 beschriebenen Funktionseinheiten mit ihren Leistungsmerkmalen ausführlicher erläutert.

11.1 Satellitenkanal (DVB-S)

Für die großflächige Verteilung von Fernsehsignalen werden „Relaisstellen im AH“ eingesetzt. Die Satelliten befinden sich im geostationären Orbit, d. h. auf einer Umlaufbahn etwa 36.000 km über dem Äquator. Über eine Up-Link-Strecke werden die Signale dem Transponder im Satelliten zugeführt, in eine andere Frequenzlage umgesetzt und in dem für Rundfunksatelliten zugewiesenen Frequenzbereich von 10,7 bis 12,75 GHz zur Erde abgestrahlt. Betreibergesellschaften wie ASTRA oder EUTELSAT stellen die Transponderkanäle den Rundfunkanstalten für die Ausstrahlung von analogen oder digitalen Fernsehsignalen zur Verfügung. Der gesamte Frequenzbereich ist in Teilbänder aufgespaltet. Für die ASTRA-Transponder zur Übertragung von digitalen Fernsehsignalen im so genannten „High Band“ gilt folgende Zuordnung [55]:

• E-Band 11,7 bis 12,1 GHz, Belegung mit 20 Transponderkanälen

• F-Band 12,1 bis 12,5 GHz, Belegung mit 20 Transponderkanälen

• G-Band 12,5 bis 12,75 GHz, Belegung mit 16 Transponderkanälen

Die Transponderkanäle weisen im E- und F-Band eine Bandbreite des Satellitenkanals von 33 MHz auf und eine Bandbreite von 26 MHz im G-Band, bezogen auf einen 1-dB-Abfall [46]. Es wird auf der Frequenzachse abwechselnd mit horizontaler (H) und vertikaler (V) Polarisation abgestrahlt, so dass sich die Transponderkanäle überlappen können. Bild 11.1 zeigt dies am Beispiel der Frequenzbelegung im E-Band [55, 56]. Siehe dazu auch Bild 3.13 mit der Frequenzbänder- und Transponder-Zuordnung im 10/12-GHz-Satellitenband für die Fernsehsignalverteilung.

 

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Es werden zusätzlich auch noch Transponderkanäle im B-Band für die Übertragung von digitalen Fernsehsignalen benutzt. Die Bandbreite der Transponder im A-, B-, C- und D-Band beträgt gemäß den früheren Festlegungen zur Übertragung von analogen Fernsehsignalen nur 26 MHz gegenüber 33 MHz im E- und F- Band. Die übertragbare Datenrate ist bei einem 26-MHz-Transponder gegenüber einem 33-MHz-Transponder entsprechend geringer.

Die übertragbare Datenrate berechnet sich bei einem 33 MHz Transponder mit einer resultierenden Modulator-Demodulator-Übertragungsfunktion (Betrag) nach Bild 11.2, mit einer HF-NYQUIST-Bandbreite von bhfn_formel.png  = 27,5 MHz und Roll-Off-Filterung mit einem Roll-Off-Faktor r-0,35, bei 4-PSK-Übertragung als Symbolrate zu

 

11.0.png

 

bzw. als Bitrate zu

 

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Bei einem 26-MHz-Transponder wäre dies mit bhfn_formel.png = 22 MHz eine übertragbare Datenrate von rsymb_formel.png  = 22 MSymb/s bzw. rbit_formel.png = 44 Mbit/s.


Mit Berücksichtigung des REED-SOLOMON-Fehlerschutzes RS (204,188) und einer Coderate der Faltungscodierung R = 3/4 über den 33-MHz-Transponder bzw. R = 5/6 über den 26-MHz-Transponder ergibt das eine Nutz-Bitrate von

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Die Up-Link-Verbindung zu den Satelliten erfolgt in den dafür zugewiesenen RF-Frequenzbändern von 14,0 bis 14,8 GHz und von 17,3 bis 18,3 GHz. Die Aufbereitung des Up-Link-Signals wird zunächst in einem ZF-Modulator bei einer Zwischenfrequenz von 70 MHz oder 140 MHz vorgenommen. Dann folgt die Umsetzung des ZF-Signals in den RF-Bereich. Bild 11.3 gibt das Blockschaltbild der senderseitigen Aufbereitung des digitalen Satellitensignals wieder [56].

 

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Der ankommende MPEG-2-Transportstrom wird über eine Basisbandschnittstelle mit SYNC-Gewinnung dem Funktionsblock Energieverwischung und SYNC-1-Invertierung zugeführt. Es folgt das Einbringen des äußeren Fehlerschutzes über REED-SOLOMON-Codierung RS (204,188) und anschließend das Byte-Interleaving. Der innere Fehlerschutz wird mit einer Faltungscodierung vorgenommen, wobei durch Punktierung eine Coderate von R= 3/4 bzw. 5/6 eingestellt wird. Die I- und Q-Signale werden über eine Basisbandfilterung mit Wurzel-cos2-Charakteristik und einem Roll-Off-Faktor von r= 0,35 auf die 1,35-fache NYQUIST-Bandbreite begrenzt und dem 4-PSK-Modulator zugeführt. Das Modulationsprodukt wird schließlich über einen ZF-RF-Umsetzer in die Frequenzlage des Up-Link-Kanals gebracht.

Es erfolgt eine Absolutphasencodierung bei der 4-PSK mit dem SYNC-Byte als Referenzsymbol. Das Phasenzustandsdiagramm zeigt Bild 11.4 mit den vier den Dibit-Kombinationen aus dem SYNC-Byte zugeordneten Vektorzuständen. Auf der Empfangsseite wird über Synchrondemodulation das SYNC-Byte zurückgewonnen und mit dem bekannten Wert der Bitfolge 01000111 verglichen. Das SYNC-Byte wird nur dann richtig demoduliert, wenn die Referenzträgerphase identisch ist mit der Phase des Sendesignals. Bei einer Phasenabweichung des zurückgewonnenen Trägers von

 

11.5.png

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Beim Empfänger wird schrittweise die Phase des Referenzträgers verändert, bis das SYNC-Byte richtig demoduliert wird. Die empfängerseitige Signalverarbeitung zeigt Bild 11.5 im Blockschaltbild [57, 58]. Es läuft im Wesentlichen die Umkehrung der sendeseitigen Signalverarbeitung ab. Das Empfangssignal wird von einem LNC (Low Noise Converter) im Frequenzbereich von 950 bis 2150 MHz dem Satellitenreceiver zugeführt, wo eine weitere Frequenzumsetzung des ausgewählten Kanals auf eine Zwischenfrequenz von 480 MHz erfolgt. Auf dieser Frequenz erfolgt die Synchrondemodulation der I- und Q-Komponenten, wobei die frequenz- und phasenrichtige Referenzträgerschwingung wie oben beschrieben unter Bezugnahme auf das korrekt demodulierte SYNC-Byte gewonnen wird. Am Demodulator muss für den Fall einer Coderate von R- 3/4 des punktierten Faltungscodes ein Träger-zu-Rausch-Abstand von mindestens 7 dB vorliegen.

 

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Es folgt das Aufheben der Punktierung und die Auswertung des inneren Fehlerschutzes mittels VITERBI-Decoder. Im Weiteren wird das De-Interleaving und die REED-SOLOMON-Fehlerkorrektur vorgenommen und das SYNC-1-Byte wieder zurückinvertiert. Von der Basisband-Schnittstelle wird der MPEG-2-Transportstrom dem MPEG-Decoder zugeführt [59]. Die Übertragung von digitalen Fernsehsignalen nach dem DVB-S-Standard ist weit verbreitet und hat sich vielfach bewährt. Es liegt nun seit 2003 ein Entwurf für ein neues, verbessertes System DVB-S2 vor, das auf dem bewährten DVB-S-System aufbaut und einen wesentlich erweiterten Anwendungsbereich bietet. DVB-S2 wurde nach dem Entwurf ETSI EN 302 307 entwickelt, um mit Einbeziehung von fortschrittlichen Techniken den höheren Anforderungen des heutigen Satelliten-Fernsehens zu genügen. So ermöglicht DVB-S2 neben Breitband-Übertragungen für Rundfunk-Fernsehdienste mit SDTV und HDTV auch interaktive Dienste einschließlich Internetzugang sowie die kommerzielle Contribution (Verbindungen zwischen Fernsehstudios) und Satellite News Gathering (SNG). Durch die Anwendung von höherstufiger Modulation, 8-PSK, 16- und 32-QAPSK, in Verbindung mit einem wirksameren Fehlerschutz durch eine Verkettung von BCH (BOSE-CHAUDHURI-HOCQUENGHEM)-Code mit LDPC (Low Density Parity Check) erreicht man eine um etwa 30 % höhere Effizienz gegenüber DVB-S.

In Verbindung mit einer effizienteren Videosignalcodierung nach MPEG-4/H.264 bietet DVB-S2 zukünftig die Möglichkeit, über einen herkömmlichen Satellitenkanal zwei bis drei HDTV-Programme zu übertragen. Set-Top-Boxen zum Empfang von HDTV-Signalen sind mittlerweile verfügbar. Neben Test-Ausstrahlungen werden einige verschlüsselte und auch frei empfangbare HDTV-Programme angeboten. Zumindest während einer Übergangsphase von mehreren Jahren werden HDTV-Programme aber auch mit MPEG-2-Codierung übertragen [94].

Die Aufbereitung des DVB-S2-Signals erfolgt in ähnlicher Weise wie bei DVB-S. Bezogen auf das Blockschaltbild in Bild 11.3 tritt beim äußeren Fehlerschutz an Stelle des RS-Codes nun eine BCH-Codierung. Es folgt die innere Codierung mit LDCP Das Byte-Interleaving wird ersetzt durch ein Bit-Interleaving. Überdas Bit- Mapping wird ein I-Q-Datenstrom für das gewählte Modulationsverfahren, QPSK, 8-PSK, 16-QAPSK oder 32-QAPSK, konfiguriert. Die Basisband-Filterung sieht neben einem von DVB-S festgelegten Roll-Off-Faktor des Wurzel-cos2-Filters von r = 0,35 auch noch die Werte von 0,25 oder 0,20 vor.

Die Wahl der FEC (Forward Error Correction)-Parameter hängt von den System-Anforderungen ab. Für Rundfunk-Fernsehdienste kann sowohl mit CCM (Constant Coding and Modulation) als auch mit VCM (Variable Coding and Modulation) gearbeitet werden, um zum Beispiel für SDTV-Programme einen robusten Fehlerschutz und für zusätzlich übertragene HDTV-Programme einen weniger robusten Fehlerschutz zu gewährleisten.

Der nichtlinearen Transponder-Übertragungskennlinie, mit Betrieb nahe der Sättigung, passt man sich bei mehrstufiger Modulation durch Verteilung der Vektor-Endpunkte bei einem Amplitudenwert auf acht Phasenzustände (8-PSK), auf zwei Amplitudenwerte mit darauf 4 bzw. 12 gleichmäßig verteilten Phasenwerten (16-QAPSK) oder auf drei Amplitudenwerte mit 4, 12 und 16 gleichmäßig verteilten Phasenwerten bei der 32-QAPSK an. Das Verhältnis der Amplitudenwerte hängt von der Coderate nach den Vorgaben in der DVB-S2-Spezifikation ab. Bild 11.6 zeigt die Zustandsdiagramme für die 8-PSK und die 16-QAPSK, wie sie bei DVB-S2 definiert sind, mit den zugeordneten Bit-Kombinationen. Die 32-QAPSK ist nur für spezielle Anwendungen vorgesehen [80].

 

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11.2 Kabelkanal (DVB-C)

Zur Übertragung von digitalen Fernsehsignalen im Breitbandkabelnetz werden 8-MHz-Kanäle im UHF-Band ausgenutzt. Der Träger-zu-Rausch-Abstand an der Kabelanschlussdose beim TV-Teilnehmer weist bei analogen Fernsehsignalen üblicherweise einen Wert von etwa 40 dB auf. Wegen möglicher Störungen von analogen Kabelkanälen wird die Trägerleistung des digitalen Fernsehsignals abgesenkt. Mit einem Träger-zu-Rausch-Abstand von 30 dB ist trotzdem noch genügend Sicherheit für die Anwendung der 64-QAPSK vorhanden.

Wie schon früher erwähnt, kommen beim Kabelverteilsystem zu dem Rauscheinfluss noch Störungen durch Reflexionen auf der Kabelstrecke in den Abzweigern hinzu. Für die im Breitband-Kabelnetz verwendeten Komponenten ist eine Rückflussdämpfung frequenzabhängig von 15 bis 20 dB vorgeschrieben. Die durch Reflexionen bedingten Echosignale bleiben so im Wesentlichen mindestens 30 dB unter dem Nutzsignal, was bei 64-QAPSK noch tolerierbar ist. Bei stärkeren Interferenzstörungen müssten diese beim Kabel-Receiver durch einen adaptiven Entzerrer beseitigt werden [2].

Die sendeseitige Aufbereitung des 64-QAPSK-Signals für die Kabeleinspeisung ist in den ersten Stufen identisch mit der beim Satellitenkanal (Bild 11.7). Es entfällt allerdings dann die Faltungscodierung, weil auf Grund des günstigeren Träger-zu-Rausch-Abstandes der äußere Fehlerschutz alleine ausreichend ist.

 

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Das byte-weise ausgerichtete Signal aus dem Interleaver wird in einer Byte-Symbol-Umsetzung bei 64-QAPSK auf 6-bit-Symbole aufgeteilt (Bild 11.8), mit jeweils 3 bit im I- und Q-Kanal. Die beiden höchstwertigen Bits werden einer Differenzcodierung unterzogen. Nach Basisbandfilterung über einen Wurzel-cos2-Tiefpass mit dem Roll-Off-Faktor von r= 0,15 gelangen die I- und Q-Signale an den 64-QAPSK-Modulator, wo das Modulationsprodukt wieder in einem Zwischenfrequenzbereich bei 36 MHz aufbereitet wird [2, 59].

 

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Für das Basisband-Filter gibt der Kabel-Standard nach ETS 300 429 [53] eine sehr geringe Schwankung von nur maximal 0,4 dB und eine Mindestsperrdämpfung wegen der Trennung zum Nachbarkanal von 43 dB vor. Bei voller Ausnutzung eines 8-MHz-Übertragungskanals berechnet sich über

 

11.11.png

Tatsächlich sieht die ETSI-Empfehlung vor, eine Brutto-Bitrate von 41,34 Mbit/s zu übertragen, womit im 8-MHz-Kanal ein Bereich von bhfü_formel.png = 7,92 MHz belegt wird. Nach Entfernung des REED-SOLOMON-Fehlerschutzes verbleibt eine Nutz-Bitrate von 38,1 Mbit/s, also nahezu der gleiche Wert wie beim Satellitenkanal mit 38,015 Mbit/s. Damit wird es möglich, das im Satellitenkanal übertragene Programm-Bouquet in das Kabelverteilsystem einzuspeisen. Vielfach findet aber eine Rekonfiguration statt, das heißt ein Neuzusammenstellen des Programmpakets. Dann ist allerdings, wie im Abschnitt 8.2.2 beschrieben, ein Restamping, ein Erneuern der PCR-Zeitmarken erforderlich.

 

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Das vereinfachte Blockschaltbild eines Kabel-Receivers gibt Bild 11.9 wieder. Das Eingangssignal aus dem Hyperband (302 bis 446 MHz) oder aus dem UHF-Band-IV-Bereich (470 bis 606 MHz) wird im Tuner auf eine Zwischenfrequenz um 36,15 MHz gebracht. Es folgt dann eine Umsetzung in den Symbolfrequenz-Bereich über eine Oszillatorfrequenz von 36,15 MHz + 6,89 MHz = 43,04 MHz. Die Symbolfrequenz von 6,89 MHz ergibt sich aus der übertragenen Bitrate von 41,34 Mbit/s und 6 bit/Symbol bei 64-QAPSK. Das analoge 64-QAPSK-Signal um 6,89 MHz wird mit der vierfachen Symbolfrequenz aus einer Taktrückgewinnungsschaltung abgetastet und mit 8 bit pro Codewort analog-digital-gewandelt. Es erfolgt eine digitale Synchrondemodulation und Tiefpass-Filterung. Weiterhin wird eine Echo-Entzerrung bei den I- und Q-Signalen vorgenommen, bevor die Signale dann an die Fehlerkorrektur und die Entfernung der Energieverwischung gelangen [2, 8, 81].

Durch die Anwendung der 64-QAPSK sind DVB-C-Signale sehr empfindlich gegenüber Amplituden- und Gruppenlaufzeitänderungen. Bei 64-QAPSK wird am Demodulatoreingang mindestens ein Träger-zu-Rausch-Abstand von C/N > 26 dB gefordert, um mit der Fehlerkorrektur durch Auswertung des REED-SOLO-MON-Fehlerschutzes eine Bitfehlerhäufigkeit von BER < 10'11 zu erreichen. Siehe dazu auch Bild 9.14. Kritisch sind vor allem Unterbrechungen oder Fehlanpassungen in der Zuführung von der Kabelanschlussdose zum Kabel-Receiver.  Die in den digitalen Kabelkanälen übertragenen Programmsignale werden vielfach als ganze „Programmpakete” aus der digitalen Satellitenübertragung übernommen. So z. B. die beiden „ARD-Digital”-Programmpakete über die Transponder 71 und 85 sowie das „ZDF-Vision”-Programmpaket über den Transponder 77, mit jeweils acht oder neun Fernsehprogrammen, auf dem Satelliten ASTRA 1-H.

Die Brutto-Bitrate des vom Satelliten empfangenen Sende-Transportstroms beträgt einschließlich Fehlerschutz 55 Mbit/s. Nach Auswertung des Fehlerschutzes verbleiben als Netto-Bitrate 38,015 Mbit/s. Die ETSI-Empfehlung für den Kabel-Standard sieht für einen 8-MHz-Kabelkanal bei 64-QAPSK die Übertragung einer Netto-Bitrate von 38,1 Mbit/s vor. Das bedeutet, dass eine Anpassung der Datenrate erfolgen muss. Dies geschieht über das Einbringen von so genannten „Stopf-Bits" (als Null-Bits). Der damit verursachte mögliche Jitter im Datenstrom muss innerhalb sehr enger Grenzen bleiben, um eine sichere Taktrückgewinnung auf der Empfängerseite zu gewährleisten. Siehe dazu auch 8.2.2, Seite 134.

Bei der Einspeisung von Satellitensignalen in das Kabelverteilnetz werden zunächst aus dem MPEG-2-Transportstrom vom Satelliten-Receiver die gewünschten Programme über deren PCR ausgewählt. Dann erfolgt ein Re-Multiplexing mit den Programmströmen bei gleichzeitiger Neubildung der jeweiligen Program Clock Reference. Siehe dazu auch die Zusammensetzung des Sende-MPEG-2-Transportstroms nach Bild 8.5. Der DVB-Kabel-Standard nach EN 300 429 sieht neben der 64-stufigen Quadratur-Amplitudenmodulation (64-QAPSK) auch eine 16- oder 32-stufige Modulation vor sowie die höherstufigen Varianten 128-QAPSK oder 256-QAPSK. Bei der 128-QAPSK werden 7 Bits zu einem Symbol und bei der 256-QAPSK werden 8 Bits zu einem Symbol zusammengefasst. Je höherstufiger das Modulationsverfahren ist, umso höher werden die Anforderungen an die Störsicherheit im Übertragungskanal. Die 256-QAPSK könnte später auch in Europa für die Übertragung von HDTV-Signalen im Kabelnetz zur Anwendung kommen mit einem entsprechend wirksameren Fehlerschutz. In den USA findet die Übertragung von digitalen Fernsehsignalen im Kabelnetz bereits mit 256-QAPSK statt.

11.3 Terrestrischer Funkkanal (DVB-T)

Die Umstellung der terrestrischen Fernsehsignalverteilung von analogem auf digitales Fernsehen vollzieht sich in Europa und weltweit mit unterschiedlichem Fortschritt. Während in Großbritannien schon seit dem Jahr 2000 und seit 2002 auch in Spanien flächendeckend digitales terrestrisches Fernsehen in Gleichwellennetzen eingeführt ist, vollzog sich in Deutschland ab 2003 eine inselweise Einführung von DVB-T, oder wie werbewirksam als „Das Überall Fernsehen“ bezeichnet, ausgehend von Berlin und Potsdam über weitere Ballungszentren in Nord- und Westdeutschland bis zum DVB-T-Start Ende Mai 2005 in den Räumen München und Nürnberg sowie in Südbayern. Nach und nach werden weitere Regionen von Analog-TV auf DVB-T umgestellt. Es kommt weitgehend 8k-OFDM mit 16-QAPSK zur Anwendung mit einer Coderate des Faltungscodes von R= 2/3. Die Dauer des Schutzintervalls wird abhängig von der Netz-Struktur in den Versorgungsgebieten mit 1/4 oder 1/8 der Symboldauer gewählt.

Bei der 8k-Transformation werden theoretisch 8192 Einzelträger generiert. Mit einer Symboldauer von tsymbol_formel.png = 896 mikrosek_formel.png, die sich aus der Abtastperiodendauer von ta_formel.png = 7/64 mikrosek_formel.png = 0,109375 mikrosek_formel.png (Abtastfrequenz fa_formel.png = 9,143 MHz) und den 8192 Abtastwerten pro Zeitfenster der FOURIER-Transformation ergibt, folgt für den Frequenzabstand der Einzelträger ein Wert von af_formel.png = 1,116 kHz. Das gesamte Spektrum der 8192 Einzelträger würde nun einen Frequenzbereich von 9,142... MHz belegen. Für die Übertragung des DVB-T-Signals in 8-MHz-UHF-Kanälen wird die Anzahl der ausgenutzten Träger auf 6817 begrenzt, womit ein Frequenzband von 7,611 MHz belegt wird. Die außerhalb der Bandgrenzen liegenden Träger werden unterdrückt.

Bei der Übertragung des DVB-T-Signals in 7-MHz-VHF-Kanälen wird die Abtastfrequenz auf fa_formel.png= 8,000 MHz geändert. Bei weiterhin 8192 Abtastwerten pro Zeitfenster erhält man eine Symboldauer von tsymbol_formel.png = 1024 mikrosek_formel.png und damit einen Abstand der Einzelträger von af_formel.png= 0,976... kHz. Mit den auch im 7-MHz-Kanal verwendeten 6817 Nutzträgern wird damit ein Frequenzband von 6,657... MHz belegt. Der größte Teil der Subträger, nämlich 6048, dient zur Übertragung der eigentlichen Nutzinformation. Die restlichen 769 Subträger übernehmen die Funktion von Pilotträgem zur Übertragung von Synchronisierungs- und Signalisierungsinformationen. Wie schon im Abschnitt 10.4.2 erläutert, wird zur Unterdrückung von Effekten eines ungewollten oder gewollten Mehrfachempfangs bei der Auswertung der empfangenen Datensymbole in deren Anfangsbereich ein Schutzintervall eingefügt. Die Dauer des Schutzintervalls beträgt üblicherweise 1/4 oder 1/8 der Symboldauer, wie eingangs schon beschrieben.

Die technische Realisierung des digitalen terrestrischen Fernsehens sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite ist im Vergleich zu dem digitalen Fernsehen im Satellitenkanal und im Kabelkanal wesentlich komplexer. Der Aufwand an Hardware und Software ist beachtlich, schon alleine durch die implementierte FOURIER-Transformation mit z. B. 8k Transformationslänge, die in weniger als einer Millisekunde ablaufen muss. Die sendeseitige Signalverarbeitung ist im Blockschaltbild in Bild 11.10 dargestellt [2, 24, 58], Zugrunde liegt eine nichthierarchische Modulation. In den ersten Funktionsstufen ist die Signalverarbeitung wieder identisch mit der beim Satellitenkanal.

 

11.13.png

Neben dem Byte-Interleaving kommt jetzt, nach dem inneren Fehlerschutz, noch ein Bit-Interleaving und ein Symbol-Interleaving hinzu. Im Bit-Interleaver werden jeweils Blöcke von 126 Bits systematisch umsortiert und dann, bei Anwendung der 16-QAPSK, auf vier parallele Ausgänge verteilt, die mit dem Symbol-Interleaver verbunden sind. Sinn des Bit-Interleaving ist es, zeitlich aufeinanderfolgende Nutzbits auf weit auseinanderliegende Träger zu verteilen, so dass selbst bei einer Störung mehrerer nebeneinander liegender Träger (siehe dazu Bild 10.19) eine Korrektur von Bitfehlern über den VITERBI-Decoder möglich ist. Durch das Symbol-Interleaving erfolgt eine Umsortierung innerhalb von neu gebildeten Blöcken. Außerdem wird dabei der ausgehende Nutz-Datenstrom immer dann unterbrochen, wenn ein Pilot eingefügt werden soll [72].

In dem nachfolgenden Mapping erfolgt die Zuordnung der einzelnen Bits auf die I- bzw. Q-Achse im Konstellationsdiagramm. Es wird nach einer GRAY-Codierung vorgenommen, wobei direkt benachbarte Konstellationspunkte sich jeweils in nur einem Bit unterscheiden. Nach dem Mapping werden Daten-Rahmen gebildet, in denen die Pilotträger eingebracht werden, die zur Kanalschätzung und -korrektur sowie zur Übermittlung von Übertragungsparametern dienen. Es folgen dann die eigentliche OFDM, mit der Inverse Fast FOURIER Transformation (IFFT), die Einfügung des Schutzintervalls und nach einer Filterung die Digital-Analog-Wandlung sowie die Aufbereitung im Zwischenfrequenzbereich.

Das OFDM-Signal wird in den Rahmen (frames) organisiert. Jeder Rahmen enthält 68 OFDM-Symbole (siehe dazu Bild 10.21,68-mal  tsymbol_formel.png  auf der Zeitachse) und jedes OFDM-Symbol wieder 6817 Träger (siehe dazu in Bild 10.21, Träger auf der Frequenzachse) im 8k-Modus bzw. 1705 Träger im 2k-Modus. Für die Symboldauer ist nun der Wert  11.14.png einschließlich des Schutzintervalls einzusetzen.

Die Pilotträger weisen eine definierte Amplitude und eine Phasenlage von 0° oder 180° auf. Sie werden unterschieden in Continual Pilots, notwendig zur Frequenzsynchronisation beim Empfänger, und Scattered Pilots zur Kanalschätzung, das heißt zur Ermittlung der aktuellen Übertragungsfunktion H(f) des Kanals. Dazu kommen die Transmission Parameter Signalling (TPS)-Träger zur Übermittlung verschiedener Übertragungsparameter.

Die „ständigen Piloten“, die Continual Pilots, sind festen Trägerpositionen zugeordnet und damit auch dem Empfänger bekannt. Ihre Verteilung ist so gewählt, dass keine Periodizitäten vorliegen. Der Empfänger sucht das Spektrum nach den Continual Pilots ab und stellt sich dann über die Automatic Frequency Control (AFC) auf die ausgewählte Senderfrequenz ein. Voraussetzung ist allerdings, dass sich der Empfänger mit Hilfe eines Autokorrelations-Algorithmus bereits auf die richtige Position des FFT-Abtastfensters, also nach dem Schutzintervall, innerhalb der übertragenen Symbole eingestellt hat.

Die „verstreuten Piloten“, Scattered Pilots, wechseln ihre Position über drei Träger hinweg im Symboltakt über den gesamten Bereich der Einzelträger. Somit wird jeder dritte Träger in gewissem Rhythmus vom Nutzträger zum Pilotträger. Innerhalb eines Symbols hat jeder zwölfte Träger die Funktion eines Scattered Pilot (Bild 11.11). Die Amplitude und Phase der Scattered Pilots sind fest definiert. Ihre Auswertung liefert dem Empfänger Kriterien für eine auf jeden Unterträger bezogene Korrektur, über eine komplexe Multiplikation desselben mit dem Korrekturwert. Man könnte diesen Vorgang mit einer frequenzselektiven automatischen Verstärkungs- und Phasenregelung mittels eines schrittweisen Wobbelsignals vergleichen.

 

 11.15.png

 

Continual Pilots und Scattered Pilots sind im Pegel um 2,5 dB gegenüber dem Maximalpegel auf der I-Achse (bei 16- oder 64-QAPSK) angehoben.


In Bild 11.12 sind im Konstellationsdiagramm der 16-QAPSK die Vektorpositionen der Continual oder Scattered Pilots sowie der TPS-Träger zu erkennen [61 ].

11.16.png

Mittels der Träger für Transmission Parameter Signalling (TPS) werden an den Empfänger die relevanten Eigenschaften des Übertragungsverfahrens weitergegeben, wie
• Modulationsverfahren (QPSK, 16-QAPSK, 64-QAPSK)

• nichthierarchische oder hierarchische Modulation (a = 1,2, 4)

• Coderate des Faltungscoders (R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)

• Schutzintervall (1/32, 1/16, 1/8, 1/4) 

• Transformationslänge (2k oder 8k).

Die TPS-lnformation besteht aus 68 Bits. Das erste Bit („0“) dient zur Initialisierung. Es folgt ein 16-bit-Synchronisationswort. Die letzten 16 bit beinhalten einen Fehlerschutz. Die Signalübertragung auf den TPS-Trägern erfolgt mittels einer störsicheren 2-PSK und Phasendifferenzcodierung (DBPSK). Der Empfänger kann sich damit auch bei ungünstigen Empfangsbedingungen auf die richtigen Übertragungsparameter einstellen [24]. Ausschnittsweise werden im Folgenden die Positionen der Continual Pilots und der Transmission Parameter Signalling-Trägertür den 8k-Modus im Bereich der Einzelträger von k = 0 bis k = 6816 angegeben [60]. 

Tab. 11.1: Continual Pilots, insgesamt 177

0 48 54 87 141 156 192 201 255 279 282 333 432 ...
        6249 6252 6258 6318 6381 6435 6489 6603 6795 6816

Tab. 11.2: TPS - Träger, insgesamt 68

34 50 209 346 413 569 595 688 790 901 1073 1219 ...
         5800 5902 6013 6185 6331 6374 6398 6581 6706 6799

 

Tabelle 11.3 zeigt abschließend eine Zusammenstellung der wesentlichen Parameter und der übertragbaren Bitraten bei der Anwendung des OFDM-Verfahrens beim digitalen terrestrischen Fernsehen DVB-T [60].

Tab. 11.3: Parameter und Bitraten bei DVB-T nach ETS 300 744 für einen 8-MHz-Kanal [60], Bei DVB-T in Deutschland übertragene Werte für Brutto-Bitrate und Netto- Bitrate sind unterstrichen.

 

11.17.png

 

Für einen 7-MHz-Kanal (VHF) ändert sich die Symbol-Nutzdauer auf  tsymbol_formel.png = 256 liS im 2k-Modus bzw.  tsymbol_formel.png= 1024 jus im 8k-Modus. Die mit 16-QAPSK übertragbare Nettobitrate beträgt abhängig vom Schutzintervall nun 9,95 ... 12,06 Mbit/s im Vergleich zu 13,24 ... 16,07 Mbit/s in einem 8-MHz-Kanal (UFIF).

Unter üblichen Bedingungen können damit in einem VHF-Kanal mindesten 3 SDTV-Programme und in einem UHF-Kanal mindestens 4 SDTV-Programme übertragen werden. Wegen der geringeren Störempfindlichkeit im VHF-Bereich gegenüber dem UHF-Bereich wird in den 7-MHz-Kanälen der Faltungscode mit einer Coderate von R = 3/4 eingebracht, was wiederum die Übertragung einer Nettobitrate von mindestens 13,06 Mbit/s für 4 SDTV-Programme erlaubt. Ergänzend dazu ist es möglich, Datendienste oder spezielle Service-Angebote im Rahmen von DVB-H zu übertragen.

11.4 Versorgung von tragbaren Empfangsgeräten (DVB-H)

Der geschaffene Standard DVB-H (Digital Video Broadcasting-Transmission System for Handheld Terminals) [82] ist ein Ableger des DVB-T Standards mit Berücksichtigung der speziellen Situation bei kleinen batteriebetriebenen Geräten zum Empfang von Rundfunk-Fernseh-Diensten. Der Systemstart erfolgte in einigen europäischen Ländern, so auch in Deutschland, in den Jahren 2005 und 2006 in den regulären UHF-Kanälen (theoretisch möglich auch in VHF-Kanälen). Interessiert sind neben den Fernsehprogrammanbietern vor allem die Mobilfunkbetreiber wegen der möglichen hohen Übertragungskapazität. Die vorgesehenen Datenraten sind bei DVB-H mit bis zu 15 Mbit/s deutlich höher als bei den Mobilfunksystemen. Wegen der geringen Abmessung der Geräteantennen ist das Empfangssignal sehr störanfällig. Zu dem Mehrwegeempfang kommen Störungen von analogen und digitalen Fernsehsendern sowie vom Mobilfunk im benachbarten GSM-Band, wie auch Störspektren von Elektrogeräten und Kfz-Zündanlagen hinzu.

Mit der Vorgabe, dass bei DVB-H dieselbe Schnittstelle für den Transportstrom gilt wie bei DVB-T, kann die Ausstrahlung über bereits bestehende DVB-T-Sender erfolgen. Die Unterscheidung des DVB-H-Transportstroms vom DVB-T-Transport-strom wird durch eine zusätzliche Signalisierung von bestimmten Parametern der DVB-H-Elementarströme vorgenommen. Wesentlich neu beim DVB-H-Transport- strom sind das Zeitschlitzverfahren (Time Slicing) und der erweiterte Fehlerschutz (Multi Protocol Encapsulation Forward Error Correction MPE-FEC). Das Hauptproblem bei den Handheld-Empfangsgeräten liegt in der begrenzten Energie der Stromversorgung. Ein portabler DVB-T-Empfänger mit HF-Tuner, Demodulator und Decoder für höhere Datenraten benötigt bisher eine Leistung von etwa 500 bis 600 mW aus den Akkus. Für einen DVB-H-Empfänger werden maximal 100 mW zugestanden.

Bei einem DVB-T-Empfänger muss zunächst der gesamte Datenstrom decodiert werden, bevor der Zugriff zu einem bestimmten Programm oder Dienst möglich ist. Weniger Leistung wird verbraucht, wenn nur der Teil des gesamten Datenstroms im Empfangsteil und Decoder verarbeitet werden muss, der die Daten des gewünschten Dienstes enthält. Dies ist möglich durch eine Umstrukturierung des Datenstroms, indem nach dem Zeitschlitzverfahren die Daten eines jeden Dienstes periodisch in komprimierten Datenpaketen, den Bursts, gesendet werden.

Ein einzelner Dienst wird zeitweise mit hoher Datenrate übertragen, zwischenzeitlich überhaupt nicht (Time Slicing). Durch den Zeitmultiplex von mehreren Diensten entsteht ein kontinuierlicher Datenstrom mit konstanter Datenrate. Das ausgestrahlte Sendesignal kann vom Empfänger zeitselektiv empfangen und decodiert werden, wenn die genaue Lage des zum ausgewählten Dienst gehörigen Bursts bekannt ist. Lediglich beim Erstzugriff muss der Empfänger noch einige Sekunden den gesamten kontinuierlichen Datenstrom auswerten. Nach der Synchronisierung auf den gewünschten Dienst kann der Empfangsteil zwischendurch abgeschaltet werden. Die ausgewählten Datenbursts werden in einen Speicher eingelesen und mit der eigentlichen konstanten Datenrate des betreffenden Dienstes ausgelesen. Die Dauer eines Datenbursts beträgt einige 100 ms. Für Einschaltverzögerung und Synchronisation kann von etwa 250 ms ausgegangen werden. Bei einer Abschaltzeit von mehreren Sekunden ergibt sich je nach dem Verhältnis von Einschalt-zu-Ausschaltzeit eine Reduzierung des mittleren Leistungsverbrauchs aus den Akkus auf etwa 10 %.

Der aus den Bursts von verschiedenen Diensten zusammengesetzte DVB-H-Datenstrom kann wiederum mit anderen zeitkontinuierlichen Datenströmen z. B. von DVB-T-Transportströmen gemultiplext werden. Nach einem Beispiel in [83] werden in einem DVB-T-Kanal mit einer Nutzbitrate von 13,27 Mbit/s drei Fernsehprogramme mit je 3,35 Mbit/s und an Stelle eines vierten TV-Programms in den verbleibenden 3,2 Mbit/s acht DVB-H-Dienste mit je 400 kbit/s übertragen. Mit einer Burstdauer von etwa 600 ms bei einer Zykluszeit von 5 s enthält jeder Burst eine Datenmenge von 2 Mbit. Siehe dazu Bild 11.13.

 

11.18.png

Die relativ lange Zykluszeit von 5 s erweist sich auch als vorteilhaft beim so genannten „Handover“, wo am Übergang in eine neue Funkzelle bei der Suche nach einem Burst mit dem gleichen Dienst ein für den Benutzer unmerklicher Kanalwechsel erfolgt. Im DVB-H-System werden die Daten der einzelnen Dienste auf der Basis des Internet Protocol (IP) übertragen. Das Einbringen der IP-Daten in den MPEG-2 Sende-Transportstrom wird mit Hilfe eines Anpassungsprotokolls, der Multi Protocol Encapsulation (MPE) vorgenommen. Im DVB-T-Transportstrom ist der zweistufige Fehlerschutz mit dem äußeren RS-Code und dem inneren Faltungscode implementiert. Wegen der Vorgabe von Mobilempfang mit sehr kleinen Antennen ist bei DVB-H ein zusätzlicher Fehlerschutz auf der Ebene des IP-Datenstroms vor dem Transportstrom-Multiplexer notwendig. Man spricht in diesem Fall von der Multi Protocol Encapsulation Forward Error Correction (MPE-FEC).

Der zusätzliche Fehlerschutz besteht aus einem REED-SOLOMON-Code (RS 255,191) in Verbindung mit einem umfangreichen Block-Interleaving. Der MPE-FEC wird getrennt für jeden IP-Elementarstrom berechnet und den eigentlichen Nutzdaten hinzugefügt. In der Multi Protocol Encapsulation (MPE) werden die Datenströme der einzelnen Dienste in einem Multiplex zusammengefasst und anschließend im Time Slicing den periodisch sich wiederholenden Bursts zugeordnet. Im DVB-Transportstrom-Multiplexer wird der resultierende DVB-T-Transportstrom gebildet und dem OFDM-Modulator zugeführt. Bild 11.14 zeigt dies in einem Blockschema [83].

 

11.19.png

Die Übermittlung von Übertragungsparametern der im kombinierten Multiplex enthaltenen DVB-H-Elementarströme erfolgt im TPS-Kanal (Transmission Parameter Signalling). Darin werden bei DVB-T zunächst nur Informationen übertragen, die der Empfänger für die Kanalabstimmung und die Einstellung des Demodulators benötigt. Die nun ergänzenden Informationen teilen dem Empfänger das Vorhandensein von IP-Elementarströmen in Time-Slicing-Betrieb und eines MPE-FEC sowie weitere notwendige Informationen über neu definierte Übertragungsmodi mit. Dazu zählt insbesondere ein weiterer OFDM-Modus. Neben den im DVB-T-Standard festgelegten 2k- und 8k-Modi lässt der DVB-H-Standard auch einen 4k-Modus zu. Der 4k-Modus ist allerdings nur bei reinem DVB-H-Betrieb zulässig. Er stellt einen Kompromiss dar zwischen dem nur für kleinen Senderabstand in Gleichwellennetzen geeigneten 2k-Modus und dem beim Mobilempfang störanfälligen DOPPLER-Spektrum beim 8k-Modus mit gegenüber dem 2k-Modus vierfachem möglichen Senderabstand.

Die Spezifikation des DVB-H-Standards lässt neben den bislang weltweit genutzten Kanal-Bandbreiten im VHF- und UHF-Bereich mit 6, 7 und 8 MHz auch eine Kanalbandbreite von 5 MHz zu. Damit wird der Einsatz von DVB-H auch außerhalb der für terrestrische Fernsehsignalverteilung zugewiesenen Frequenzbänder möglich [83].

11.5 Digital Multimedia Broadcasting (DMB)

Im Gegensatz zu DVB-H ist Digital Multimedia Broadcasting (DMB) eine auf dem DAB-System (Digital Audio Broadcasting) basierende Technologie. DMB ist speziell für den mobilen Empfang von Videodiensten auf Handhelds oder Mobiltelefonen ausgelegt. Ein Vorteil von DMB gegenüber DVB-T und DVB-H ist die Möglichkeit des mobilen Empfangs auch bei hohen Geschwindigkeiten. Während DVB-T- Empfang schon bei etwas mehr als 100 km/h starke Aussetzer aufweist, soll DMB auch bei Geschwindigkeiten von 200 km/h noch einwandfrei funktionieren.

Die Aufbereitung des zu übertragenden MPEG-4-Videosignals mit AVC-Codierung erfolgt mit einem speziellen DMB-Prozessor, der zur Zeit von zwei koreanischen Firmen hergestellt wird. In Südkorea ist das DMB-System bereits fest eingeführt, wobei die Übertragung über den Satellitenkanal (S-DMB) erfolgt. Das terrestrische System (T-DMB) ist in Korea bereits als digitales Rundfunksystem in Betrieb. Ein DMB-fähiges Gerät kann auch die in Europa übertragenen DAB-Programme empfangen, so wie auch der Ton von DMB-Ausstrahlungen mit normalen DAB-Radios empfangen werden kann. DMB-Videoübertragungen benötigen nur eine Datenrate von einigen hundert kbit/s. Dies ist mit der hohen Datenreduktion durch AVC und der für kleine Bildschirme geringeren Anzahl von Pixeln möglich. Vom Institut für Rundfunktechnik (IRT) wird ein DMB-Dienst mit der Datenrate von 496 kbit/s über zwei Sender in München ausgestrahlt. Neben Programmübernahmen von ARD-EinsExtra und ZDF-Infokanal werden Videoclips von weiteren Programmen eingefügt. Die Inhalte sind dem Konzept des Mobiltelefons, wie kleiner Bildschirm und kurze Nutzungsdauer, angepasst [95].

Die Übertragung von DAB- und damit auch DMB-Programmen erfolgt über HF- Kanäle mit 1,5 MHz Bandbreite im VHF-Bereich, Band III im ursprünglichen Fernsehkanal 12 sowie zukünftig auch im Fernsehkanal 11 (siehe dazu Bild 3.12) mit jeweils 4 Blöcken (11 A - D und 12 A - D) und im UFIF-Bereich im L-Band mit 9 Blöcken (L A -1). Beim DAB-System kommt OFDM mit 1536 aktiven Trägern (Mode I) mit 4-PSK zur Anwendung. Ein Schutzintervall mit einem Viertel der Symboldauer von tsymbol_formel.png - 1024 mikrosek_formel.png wird eingefügt. Die übertragbare Brutto-Datenrate beträgt 2,4 Mbit/s. Bei einem hohen Fehlerschutz beträgt die Netto-Datenrate etwa 1,2 Mbit/s [96].

 

 

11Fernsehtechnik.pdf


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