iptv: základné technologické riešenie
DESCRIPTION
prof. Ing. Stanislav Marchevský , CSc. Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií. Fakulta elektrotechniky a informatiky. Technická univerzita v Košiciach. Park Komenskeho 13, Košice. Stanislav.Marchevský @tuke.sk. IPTV: základné technologické riešenie. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
fc : frekvencia vysielaného harmonického signálu
fc1 : frekvencia prijímaného harmonického signálu
vT : rýchlosť mobilnej stanice
vp : fázová rýchlosť širenia sa elektromagnetického vlnenia
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:
fc : frekvencia vysielaného harmonického signálu
fc1 : frekvencia prijímaného harmonického signálu
vT : rýchlosť mobilnej stanice
vp : fázová rýchlosť širenia sa elektromagnetického vlnenia
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
Signál prenesený cez 2. cestu
Signál prenesený cez 3. cestu
Signál prenesený cez 4. cestu
Signál prenesený cez 5. cestu
Signál prenesený cez 6. cestu
Prijatý signál
Základná myšlienka použitia ochranného intervalu (Guard Interval, GI)
Data 1 Data 2 Data 3
Data 1 Data 2 Data 3
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.
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.
( , ) ( , ) ( , )
( , )
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
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.
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.
ˆ ˆ( , ) ( , )p pl k INTERP mkH f t F H f t
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.
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.
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
Estimácia prenosového
kanála
DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Prenosový kanál
ADCQPSK
demodulátor
Výkonový zosilňovač
Tvarovací filter
Obvody synchronizácie
OFDM prenosový systém v preloženom pásme (2)
vysielač
IFFT CPP->SS->P Mapovanie pilotných symbolov
prijímač
S<-P P<-SFFTEkvalizér CP
Estimácia prenosového
kanála
DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Prenosový kanál
ADCQPSK
demodulátor
Výkonový zosilňovač
Tvarovací filter
Obvody synchronizácie
Znižovanie možnosti vzniku medzisymbolovej interferencie
OFDM prenosový systém v preloženom pásme (3)
vysielač
IFFT CPP->SS->P Mapovanie pilotných symbolov
prijímač
S<-P P<-SFFTEkvalizér CP
Estimácia prenosového
kanála
DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Prenosový kanál
ADCQPSK
demodulátor
Výkonový zosilňovač
Tvarovací filter
Obvody synchronizácie
Modulácia / demodulácia komplexnej postupnosti symbolov do preloženého pásma
OFDM prenosový systém v preloženom pásme (4)
vysielač
IFFT CPP->SS->P Mapovanie pilotných symbolov
prijímač
S<-P P<-SFFTEkvalizér CP
Estimácia prenosového
kanála
DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Prenosový kanál
ADCQPSK
demodulátor
Výkonový zosilňovač
Tvarovací filter
Obvody synchronizácie
Výkonové zosilnenie vysielaného signálu
OFDM prenosový systém v preloženom pásme (5)
vysielač
IFFT CPP->SS->P Mapovanie
prijímač
S<-P P<-SFFTEkvalizér CP
Estimácia prenosového
kanála
DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Prenosový kanál
ADCQPSK
demodulátor
Výkonový zosilňovač
Tvarovací filter
Obvody synchronizácie
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
Výkonový zosilňovač
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
P->SS->P FFT Ekvalizér
Estimácia prenosového
kanála
Obvody synchronizácie
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.
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
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
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
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.
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
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.
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
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.
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
Interleaving (prekladanie):
Určenie: V kombinácii s kanálovým kódovaním umožňuje korekcia zhlukov chýb, ktoré vznikli pri pri prenose a spracovaní údajov.
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
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.
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie 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
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
Aplikácia metódód kryptografie
Určenie: Ochrana a utajenie prenášaných údajov pre ich zneužitím neoprávneným príjemcom.
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
Vysielač OFDM prenosového systému
IFFT P->SS->P
Mapovanie pilotných symbolov
Modulácia v
základnom pásme
CP DAC QPSK modulátor
Tvarovací filter
Výkonový zosilňovač
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.
Zdrojové kódovanie Šifrovanie
Kanálové kódovanie Interleaving
Modulácia M-QAM: konštelačné diagramy
Hierarchické modulácie: príklady konštelačných diagramov
Ďakujem za
pozornosť