4 Modulationsverfahren des DVB Standards

In diesem Kapitel werden die für die DVB-S und DVB-C Standards relevanten digitalen Modulationsverfahren beschrieben und deren Leistungsmerkmale hinsichtlich Bandbreiteneffizienz und Bitfehlerwahrscheinlichkeit angegeben. Zur Herleitung verweisen wir auf [1].

4.1 Basisbandsignal und Nyquistbedingung

Nach dem Multiplex der MPEG Teildatenströme zu einem Transportstrom und dem Fehlerschutz liegt ein Non-Return-to-Zero (NRZ) Signal vor, das ein unbegrenztes Leistungsdichtespektrum (sinc(x) hoch 2) aufweist. Die bandbegrenzte Übertragungsfunktion des Kanals verformt das Basisbandsignal und es kommt zu Intersymbol Interference (ISI). Wenn jedoch zu den Abtastzeitpunkten die Nachbarsymbole den Wert Null annehmen, wie in Bild 4.1 gezeigt, wirkt sich die Impulsverformung nicht nachteilig aus (erste Nyquistbedingung). Dies wird z.B durch eine Übertragungsfunktion mit Raised Cosine - Charakteristik erfüllt, die in der Praxis durch zwei Teilfilter erreicht wird. Ein Matched Filter am Empfängereingang dient zur SNR Maximierung im Abtastzeitpunkt.

Bild 4.1 Impulsverformung wegen Kanalbandbegrenzung, erste Nyquistbedingung wird jedoch erfüllt

Bild 4.2 Raised Cosine Charakteristik der Übertragungsfunktion mit =0.35 (DVB-S)

4.2 DVB-S: QPSK

Der DVB-Satellitenstandard verwendet aus folgenden Gründen eine Vierphasen-PSK:

• Wegen der geringen Leistung im Satellitenkanal arbeiten die Verstärker des Satelliten im nichtlinearen Bereich, so dass Amplitudenmodulation (QAM) nicht in Frage kommt.
• Der geringe Störabstand auf Empfängerseite fordert bei gegebener maximaler Bitfehlerrate von 2 . 10 - 4 (nach Viterbi) ein sicheres Modulations- verfahren. Das bedeutet, dass die Symbolzustände im Signalraum (Bild 4.3) einen genügend grossen Abstand d aufweisen müssen. Eine höherwertige PSK oder QAM mit einer besseren Bandbreiteneffizienz kann diese Anforderung nicht erfüllen. Da der Satellitenkanal eine grosse Bandbreite zur Verfügung stellt, kann jedoch eine schlechtere Bandbreiteneffizienz in Kauf genommen werden.

Bild 4.3 QPSK - Signalraum

Die Bitfehlerrate als Funktion des Quotienten der mittleren Bitenergie Eb und der Rauschleistungsdichte N0 ergibt sich bei QPSK zu

  (4.1)

  (4.2)

und ist in Bild 4.5 dargestellt. Die Bandbreiteneffizienz wird in Tabelle 5 angegeben. Die Vierphasen-PSK wird mittels orthogonaler Modulation (Quadraturmodulation, QPSK) erreicht, wobei ein Cosinus konstanter Amplitude resultiert:

  (4.3)

4.3 DVB-C: 64-QAM

Auf Grund von besseren Störabständen im Kabel einerseits und der geringeren Bandbreite anderseits kommt beim DVB-C Standard die 64-QAM zum Zuge, die bei den gegebenen Störabständen die Forderung nach einer maximalen Bitfehlerrate von 2 10 hoch -4 erfüllt, jedoch eine bessere Bandbreiteneffizienz aufweist (Tabelle 5). Bei besseren Störabständen kann in Zukunft an eine 256-QAM gedacht werden. Ein M-QAM Signal kommt durch die Addition zweier orthogonaler Träger zustande, die jeweils mit Wurzel M Stufen amplitudenmoduliert werden (siehe Bild 4.4).

Bild 4.4 Blockschaltbild eines 64-QAM Modulators

Die allgemeine Formel der Bitfehlerrate einer M-QAM lautet:

  (4.4)

Eine QPSK kann auch als 4-QAM interpretiert werden. In diesem Fall vereinfacht sich (4.4) zu der Formel (4.1). Bei der 64-QAM ergibt sich nach Umformung aus (4.4):

  (4.5)

Im folgenden werden die Leistungsmerkmale der beiden Modulationsverfahren vergleichend dargestellt. Bild 4.5 zeigt die Überlegenheit der QPSK über der 64-QAM hinsichtlich der Bitfehlerrate. Die geringere Bandbreiteneffizienz der QPSK geht aus Tabelle 5 hervor. Es handelt sich hierbei um Bruttobitraten der die neben den Nutzbits auch die Fehlerkorrekturbits enthalten. Nichtidealitäten der Kanäle (endliche Filterflankensteilheiten, Roll-Off-Faktor) sind hier nicht berücksichtigt. Je nach Wert des Roll-Off-Faktors und Übertragungsmedium (Kabel oder Satellit) ergibt sich eine geringere Bandbreiteneffizienz. Die effektiven Werte der beiden Übertragungssysteme werden in Kapitel 7 (DVB-S und DVB-C) bestimmt.

Bild 4.5 Bitfehlerraten von M- QAM und QPSK

Tabelle 5 Modulationsverfahren und Bandbreiteneffizienz