Parabola.czAbeceda satelitního příjmu
Rychlost v digitálním satelitním příjmu - DVB-S
Chtěl bych tímto přispět k vysvětlení některých základních pojmů. Zejména přenosová a symbolová rychlost. Čtenářská veřejnost, mající zkušenosti s digitálním satelitním příjmem, možná s neznalosti zaměňuje tyto dva termíny. Odborníci mi prominou určité sjednodušení výkladů pojmů z důvodu snadnějšího pochopení jednotlivých funkcí přenosového řetězce laickou veřejností.
Vysvětlím obecný princip vysíláni DVB prostřednictvím satelitu, ze kterého bude určitým způsobem vyplývat rozdíl ve zmiňovaných pojmech a ukážeme si, že přenosová rychlost není v tomto kontextu správné označení. Budu se snažit jednoduchým způsobem popsat některé základní parametry DVB signálu.
DVB-S (Digital Video Broadcasting for 11/12 GHz Satellite Services) je otevřený standard pro vysílání a příjem digitalizovaného audia, videa a dat prostřednictvím satelitu, s využitím technologie MPEG-2 (Motion Picture Expert Group). DVB-S je specifikován jako norma ETSI v dokumentu EN 300 421, který byl poprvé zveřejněn v roce 1994 a pak revidován v roce 1998. Z tohoto dokumentu jsem také čerpal základní informace pro tento článek.
Na začátku přenosového řetězce jsou zdrojové signály obsahující audio, video a data, které tvoří jeden programový kanál. Tyto komponenty se prostřednictvím vzorkování a kódování převádí do komprimovaného formátu MPEG-2. Proces zpracování do tohoto formátu není předmětem mého příspěvku. Digitalizované signály se sdružují v programovém multiplexu a jako jeden datový tok společně s dalšími programy vstupují do transportního multiplexu.
Na výstupu transportního multiplexu je paketizovaný datový tok s určitou bitovou rychlostí. Ta je dána úrovní komprese v rámci formátu MPEG-2 a použitým kódováním. Můžeme říct, že tato fáze zpracování signálů v základním pásmu je rozhodující pro celkovou kvalitu vysílaných programů.
Signál, s danou bitovou rychlostí, z transportního multiplexu vstupuje do satelitního kanálu k dalšímu zpracování. Satelitním kanálem rozumíme soustavu o dvou základních blocích. V prvním bloku probíhá adaptace signálu z transportního multiplexu na přenos satelitem, zatímco druhý blok představuje radiovou část - pozemskou stanici.
Obsahem adaptace v satelitním kanálu je úprava signálu do takové podoby, která zajistí příjem ze satelitu se zaručenou kvalitou. Celý systém DVB-S je navržen tak, aby zohledňoval zvláštnosti satelitního přenosu, to znamená vzdálenost, kterou musí daný signál překonávat (72 až 74 tis. km), velice nízkou úroveň signálu na přijímací straně, různé podmínky příjmu atd. Z tohoto důvodu se uplatňuje několik metod sloužících na ochranu proti chybám při přenosu a k optimalizaci šířky pásma modulovaného signálu.
Paketizovaný signál z transportního multiplexu, který má konstatní délku 188 bytů, je nejdříve "rozptylován" pomocí psedudonáhodné binární sekvence. Účelem je dosáhnout plynulý datový tok, z důvodu rovnoměrnosti rádiového spektra na satelitním transpondéru. Tato součást je trvale aktivní, aby nedocházelo k vysíláni nemodulované nosné při výpadku signálu z transportního multiplexu.
Takto upravený signál je po celých paketech kódován tzv. vnějším kódem Reed-Solomon (204/188). Výsledkem jsou pakety chráněné proti chybám s konstantní délkou 204 bytů. Bitová rychlost se úměrně zvyšuje (o 8,5%) v závislosti na rychlosti datového toku z transportního multiplexu.
Dalším krokem je prokládání rámců, kterým se dociluje optimalizace signálu a vnitřní konvoluční kódování (FEC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8), u kterého se vhodná kódová rychlost stanovuje na základě dané přenášené aplikace (TV, IP atd.) Bitová rychlost se opět zvyšuje v závislosti na kódové rychlosti. Je zřejmé, že systém DVB-S má poměrně velký overhead, od 24% do 117%.
Signál, který je takto upraven, vstupuje do modulátoru QPSK (čtyřstavové klíčování fázovým posuvem). Úkolem modulátoru je převézt signál na vstupu, který je ve formě logických nul a jedniček, do rádiového spektra s určitým nosným kmitočtem a s odpovídající šířkou pásma. Stručně řečeno, bitový tok nejprve vstupuje do sériovo-paralelního převodníku, který rozděluje a poté združuje bity do dvojic (dibitů nebo taky symbolů). Každý dibit může nabývat čtyři hodnoty (01, 11, 10 a 00), to znamená čtyři různé stavy fáze modulovaného nosného kmitočtu.
Na výstupu modulátoru je modulovaný rádiový signál s daným kmitočtem o dané symbolové rychlosti. Ten je přiváděn na vstup konvertora, který signál převádí do pásma Ku, tedy 14 GHz. Odtuď putuje signál do výkonového zesilovače a parabolickou anténou je vysílán na družici.
Signál z pozemské stanice je satelitním transpondérem převáděn do pásma 11/12 GHz a vysílán zpět na Zem. Přijímaný signál je v LNB (Low Noise Block) zesílen a dál převáděn do pásma L (950 - 2000 MHz). Vzhledem k tomu, že v předcházející části jsem podrobněji rozebral cestu vysílaného signálu a proces zpracování na přijímací straně je v podstatě v opačném pořadí, popíšu proces jeho zpracování ve stručnosti.
Signál s danou symbolovou rychlostí je přiváděn na vstup demodulátora QPSK, kde je demodulován, prochází obvodem obnovy synchronizace časování (důležité pro dekódování) a postupuje do dekodéru Viterbi. Tady jsou ze signálu odebrány ochranné kódy a po dekódování synchronizačnách bytů MPEG-2 vstupují pakety do vnějšího dekodéru Reed-Solomon, kde jsou "odfiltrovány" další ochranné kódy. Z takto zpracovaného datového toku je ještě odebrána pseudonáhodná posloupnost, po které už dostáváme čistá data s danou bitovou rychlostí MPEG-2. Pakety MPEG-2 jsou pak na základě dalších podmínek zpracovávána a převáděna do potřebného zobrazení (TV, Audio, IP).
Jak tedy má být správně pojmenovaná rychlost přenosu při digitálním satelitním příjmu? Z předchozího je doufám zřejmé, že z hlediska trasy signálu můžeme rozlišit bitovou rychlost, která je veličinou pro základní pásmo a symbolovou rychlost, která je vlastní modulovanému signálu.
Téma DVB je poměrně rozsáhlá oblast a jen velmi obtížně se dá vměstnat do pár stránek. Každý pojem nebo parametr v sobě ukrývá řadu matematických vztahů a dalších souvislostí. A samozřejmě taky edukovaného čtenáře. Tímto článkem, s heslem "Trocha teorie nikoho nezabije", jsem chtěl přispět k vysvětlení obecných principů DVB-S a přinést trochu světla do dané problematiky.
ing. Dušan Sloboda, Parabola.cz
Vysvětlím obecný princip vysíláni DVB prostřednictvím satelitu, ze kterého bude určitým způsobem vyplývat rozdíl ve zmiňovaných pojmech a ukážeme si, že přenosová rychlost není v tomto kontextu správné označení. Budu se snažit jednoduchým způsobem popsat některé základní parametry DVB signálu.
DVB-S (Digital Video Broadcasting for 11/12 GHz Satellite Services) je otevřený standard pro vysílání a příjem digitalizovaného audia, videa a dat prostřednictvím satelitu, s využitím technologie MPEG-2 (Motion Picture Expert Group). DVB-S je specifikován jako norma ETSI v dokumentu EN 300 421, který byl poprvé zveřejněn v roce 1994 a pak revidován v roce 1998. Z tohoto dokumentu jsem také čerpal základní informace pro tento článek.
 Obr.č.1 - Obecné schéma přenosového řetězce |
Na začátku přenosového řetězce jsou zdrojové signály obsahující audio, video a data, které tvoří jeden programový kanál. Tyto komponenty se prostřednictvím vzorkování a kódování převádí do komprimovaného formátu MPEG-2. Proces zpracování do tohoto formátu není předmětem mého příspěvku. Digitalizované signály se sdružují v programovém multiplexu a jako jeden datový tok společně s dalšími programy vstupují do transportního multiplexu.
Na výstupu transportního multiplexu je paketizovaný datový tok s určitou bitovou rychlostí. Ta je dána úrovní komprese v rámci formátu MPEG-2 a použitým kódováním. Můžeme říct, že tato fáze zpracování signálů v základním pásmu je rozhodující pro celkovou kvalitu vysílaných programů.
 Obr.č.2 - MPEG-2 Kódování a multiplex zdrojové informace |
Signál, s danou bitovou rychlostí, z transportního multiplexu vstupuje do satelitního kanálu k dalšímu zpracování. Satelitním kanálem rozumíme soustavu o dvou základních blocích. V prvním bloku probíhá adaptace signálu z transportního multiplexu na přenos satelitem, zatímco druhý blok představuje radiovou část - pozemskou stanici.
Obsahem adaptace v satelitním kanálu je úprava signálu do takové podoby, která zajistí příjem ze satelitu se zaručenou kvalitou. Celý systém DVB-S je navržen tak, aby zohledňoval zvláštnosti satelitního přenosu, to znamená vzdálenost, kterou musí daný signál překonávat (72 až 74 tis. km), velice nízkou úroveň signálu na přijímací straně, různé podmínky příjmu atd. Z tohoto důvodu se uplatňuje několik metod sloužících na ochranu proti chybám při přenosu a k optimalizaci šířky pásma modulovaného signálu.
 Obr.č.3 - Adaptace satelitního kanálu |
Paketizovaný signál z transportního multiplexu, který má konstatní délku 188 bytů, je nejdříve "rozptylován" pomocí psedudonáhodné binární sekvence. Účelem je dosáhnout plynulý datový tok, z důvodu rovnoměrnosti rádiového spektra na satelitním transpondéru. Tato součást je trvale aktivní, aby nedocházelo k vysíláni nemodulované nosné při výpadku signálu z transportního multiplexu.
Takto upravený signál je po celých paketech kódován tzv. vnějším kódem Reed-Solomon (204/188). Výsledkem jsou pakety chráněné proti chybám s konstantní délkou 204 bytů. Bitová rychlost se úměrně zvyšuje (o 8,5%) v závislosti na rychlosti datového toku z transportního multiplexu.
Dalším krokem je prokládání rámců, kterým se dociluje optimalizace signálu a vnitřní konvoluční kódování (FEC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8), u kterého se vhodná kódová rychlost stanovuje na základě dané přenášené aplikace (TV, IP atd.) Bitová rychlost se opět zvyšuje v závislosti na kódové rychlosti. Je zřejmé, že systém DVB-S má poměrně velký overhead, od 24% do 117%.
Signál, který je takto upraven, vstupuje do modulátoru QPSK (čtyřstavové klíčování fázovým posuvem). Úkolem modulátoru je převézt signál na vstupu, který je ve formě logických nul a jedniček, do rádiového spektra s určitým nosným kmitočtem a s odpovídající šířkou pásma. Stručně řečeno, bitový tok nejprve vstupuje do sériovo-paralelního převodníku, který rozděluje a poté združuje bity do dvojic (dibitů nebo taky symbolů). Každý dibit může nabývat čtyři hodnoty (01, 11, 10 a 00), to znamená čtyři různé stavy fáze modulovaného nosného kmitočtu.
Na výstupu modulátoru je modulovaný rádiový signál s daným kmitočtem o dané symbolové rychlosti. Ten je přiváděn na vstup konvertora, který signál převádí do pásma Ku, tedy 14 GHz. Odtuď putuje signál do výkonového zesilovače a parabolickou anténou je vysílán na družici.
Signál z pozemské stanice je satelitním transpondérem převáděn do pásma 11/12 GHz a vysílán zpět na Zem. Přijímaný signál je v LNB (Low Noise Block) zesílen a dál převáděn do pásma L (950 - 2000 MHz). Vzhledem k tomu, že v předcházející části jsem podrobněji rozebral cestu vysílaného signálu a proces zpracování na přijímací straně je v podstatě v opačném pořadí, popíšu proces jeho zpracování ve stručnosti.
 Obr.č.4 - Příjem satelitního DVB signálu |
Signál s danou symbolovou rychlostí je přiváděn na vstup demodulátora QPSK, kde je demodulován, prochází obvodem obnovy synchronizace časování (důležité pro dekódování) a postupuje do dekodéru Viterbi. Tady jsou ze signálu odebrány ochranné kódy a po dekódování synchronizačnách bytů MPEG-2 vstupují pakety do vnějšího dekodéru Reed-Solomon, kde jsou "odfiltrovány" další ochranné kódy. Z takto zpracovaného datového toku je ještě odebrána pseudonáhodná posloupnost, po které už dostáváme čistá data s danou bitovou rychlostí MPEG-2. Pakety MPEG-2 jsou pak na základě dalších podmínek zpracovávána a převáděna do potřebného zobrazení (TV, Audio, IP).
Jak tedy má být správně pojmenovaná rychlost přenosu při digitálním satelitním příjmu? Z předchozího je doufám zřejmé, že z hlediska trasy signálu můžeme rozlišit bitovou rychlost, která je veličinou pro základní pásmo a symbolovou rychlost, která je vlastní modulovanému signálu.
Téma DVB je poměrně rozsáhlá oblast a jen velmi obtížně se dá vměstnat do pár stránek. Každý pojem nebo parametr v sobě ukrývá řadu matematických vztahů a dalších souvislostí. A samozřejmě taky edukovaného čtenáře. Tímto článkem, s heslem "Trocha teorie nikoho nezabije", jsem chtěl přispět k vysvětlení obecných principů DVB-S a přinést trochu světla do dané problematiky.
ing. Dušan Sloboda, Parabola.cz