7 Digitales Fernsehen

Digitales Fernsehen (Digital TeleVision Broadcasting DTVB oder Digital Video Broadcasting DVB) bezeichnet die Ausstrahlung von Bild-, Ton- und Zusatzinformationen als digitale Datensignale. Trotzdem findet die eigentliche Übertragung analog statt, da die digitalen Datensignale zur Kanalanpassung analogen Trägern aufmoduliert werden. Im folgenden wird auf die verschiedenen DVB Standards eingegangen.

7.1 Der DVB-S Standard

Der im DVB-Projekt entwickelte Satellitenstandard (DVB-S) wurde durch ETSI als europäische Norm ETS 300 421 mit Wirkung zum 1.1.1995 in Kraft gesetzt.

7.1.1 Anforderungen an den DVB-Satellitenstandard

Die Merkmale des DVB-S Standards leiten sich aus den technischen Anforderungen der Übertragungsstrecke und denen der Nutzer ab.

Technische Anforderungen der Übertragungsstrecke:

- hohe Sendeleistung und damit nichtlinearen Betrieb der Wanderfeldröhren   --> keine AM oder höherwertige QAM möglich - Leistungsdichte soll gleichmässig über den Transponder verteilt sein   --> Energieverwischung notwendig - niedrige Empfangsleistung und somit geringer Störabstand am Receiver   --> ein hochwertiger Fehlerschutz ist erforderlich mit einer BER von 10-10 bis      10-11 (Quasi-Error-Free [QEF] -Übertragung)

Benutzeranforderungen:

- hohe Übertragungsraten für möglichst viele und hochwertige Dienste   --> hohe Kompressionsraten notwendig - verschiedene Dienste mit unterschiedlichen Datenraten - den Erfordernissen angepasster Fehlerschutz   --> flexibles Systemkonzept - Das Empfangssystem muss günstig und die Antenne möglichst klein und unauffällig sein   --> Möglichst einfache Decodertechnik, günstiger Herstellungsprozess

Grundlegende Merkmale des DVB-Standards:

- Quellencodierung nach MPEG2-Standard   --> effiziente Datenkompression und flexibles Systemkonzept - Energieverwischung auf Codeebene mit Scrambling durch Pseudozufallsfolge   --> gleichmässige Leistungsdichteverteilung - QPSK-Modulation   --> Amplitudenverzerrungen durch nichtlineare Verstärkung ohne Störeffekt - pro Transponder nur ein Träger   --> keine Intermodulationen -Zusammenführung verschiedener Dienste in einem Datencontainer im Zeitmultiplex  auf Grundlage des MPEG2-Transport Streams   --> flexible Datenraten

7.1.2 Signalverarbeitung im DVB-Encoder

Bild 7.1 Codierung und Modulation von MPEG2-Daten auf Senderseite

7.1.2.1 Übersicht

Um den MPEG2-Transport Stream (TS) an den Satellitenübertragungskanal anzupassen, werden im Sender folgende Codierungsschritte durchgeführt:

• die Energieverwischung durch Scrambling
• ein verketteter Fehlerschutz mit Interleaving
• die QPSK-Modulation

Dabei spielen insbesondere folgende beiden Eigenschaften des MPEG2-TS eine Rolle:

• Er gliedert sich in einzelne Pakete (Frames) der Länge 188 Bytes, wovon die ersten vier den Header bilden und das erste Headerbyte das Synchronisationsbyte (Sync Byte) ist.
• Im Header ist das Transport Error Indication Bit definiert, das gesetzt wird, wenn ein Paket aufgrund zu vieler Kanalfehler nicht mehr decodiert werden kann.

Es folgt eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Anpassungsschritte.

7.1.2.2 Energieverwischung (Energy Dispersal Scrambling)

Um möglichst gleichverteilte Leistungsdichtespektren zu erhalten, wird der Transport Stream bitweise mit dem Ausgang eines rückgekoppelten Schieberegisters verknüpft (Bild 7.2). Zu Beginn jedes achten TS-Pakets wird das Register mit einem festgelegten Bitmuster neu initialisiert. Um dem Empfänger die Synchronisation zu ermöglichen, bleibt das Sync Byte unverschlüsselt. Zusätzlich wird ebenfalls bei jedem achten Paket das Sync Byte invertiert, was der Synchronisierung der Einheit im Empfänger dient, die die Energieverwischung wieder rückgängig machen muss (Energie Dispersal Remover).

Bild 7.2 Schaltung der Energieverwischer-Stufe

7.1.2.3 Fehlerschutzcodierung

Der Fehlerschutz besteht aus einer Verkettung von Blockcode, Interleaver und Faltungscode (vgl. Kapitel 3). Als Blockcode wurde ein verkürzter RS(255,239)-Code gewählt, da ein MPEG2-TS-Paket nur 188 Bytes lang ist. Dabei werden die letzten 51 Stellen zu Null gesetzt und nicht übertragen. Somit ergibt sich ein RS(204,188)-Code, der bis zu acht Bytes korrigieren kann. Der nachfolgende Faltungsinterleaver mit einer Interleavingtiefe I = 12, der Basisverzögerung M = 17 und der Blocklänge N = I mal M = 204 Bytes (204 Bytes = komplettes RS-codiertes Paket) sorgt dafür, dass die im ursprünglichen Datenstrom benachbarten Bytes mindestens um 204 Bytes auseinanderliegen. An den Interleaver schliesst sich der Faltungscoder mit der Basiscoderate R = 1/2 und den Generatorpolynomen G1 = 171(okt.) und G2 = 133(okt.) an (Bild 7.3). Um die Codierung möglichst flexibel an die bestehenden Bedingungen des jeweiligen Kanals und die Anforderungen an die Übertragung anpassen zu können, sind verschiedene Möglichkeiten der Punktierung vorgesehen: Es sind die Coderaten 1/2 (keine Punktierung), 2/3, 3/4, 5/6 und 7/8 möglich.

Bild 7.3 Struktur des Faltungsencoders

Nach dem Punktieren der Datenströme X und Y müssen letztere so angeordnet werden, dass beide Pfade gleichviel Bits erhalten, um später den QPSK-Modulator (I- und Q-Komponenten) zu versorgen (für die genaue Umsortierung bei verschiedenen Punktierungen siehe Anhang A).

7.1.2.4 Filterung

Die Filterung, die nach der Fehlerschutzcodierung vorgenommen wird, dient einerseits zur Bandbegrenzung der einzelnen Kanäle (um Übersprechen zwischen den Kanälen zu verhindern). Andererseits erfüllt das gefilterte Signal die Anforderungen des ersten Nyquisttheorems (Verhinderung von Symbolübersprechen, siehe auch Kap. 4.1). Die Filtercharakteristik des gesamten Übertragungskanals ist laut Standard ein Nyquist-Filter mit Raised-Cosine-Flanke (alpha = 0.35), wobei im Sender und Empfänger die gleichen Filter verwendet werden sollen. Da die IMUX- und OMUX-Filter im Satellit leicht breitbandiger sind, besitzen das Vorfilter im Sender und das Eingangsfilter im Empfänger im wesentlichen die Quadratwurzel aus der Gesamtcharakteristik, weshalb man auch von Square-Root-Raised-Cosine-Filtern spricht.

7.1.2.5 Modulation

Die gefilterten Signale beider Pfade werden als Inphasen (I)- und Quadratur (Q)-Komponenten einem QPSK-Modulator zugeführt. Die Zuordnung der Bits zu den Zuständen im Phasenraum geschieht durch die Graycodierung, was dazu führt, dass nur ein Bit verfälscht wird, wenn infolge einer Übertragungsstörung eine Entscheidungsschwelle überschritten wird.
Das modulierte hochfrequente Signal wird anschliessend an den Sender weitergeleitet.
Bei der QPSK-Modulation werden 2 bit pro Symbol übertragen, die Bandbreitenausnutzung beträgt im Idealfall

  (7.1)

Die Nichtidealität der Übertragungsfunktion (Roll-Off-Faktor alpha=0.35 bei DVB-S) führt zu einer verringerten effektiven Bandbreiteneffizienz (siehe Bild 7.4):

  (7.2)

Der Wert für das Verhältnis von B3dB zu B0dB liegt bei 1.27 (1.2 bei Astra). Damit ergibt sich:

  (7.3)

Bild 7.4 Nutzbare Bandbreite und Transponderbandbreite

7.1.3 Signalverarbeitung im DVB-MPEG2-Decoder

Bild 7.5 Demodulation und Decodierung von MPEG2-Daten auf Empfängerseite

Nach dem Empfang der vom Satelliten abgestrahlten Signale müssen die Verarbeitungsschritte zur Kanalanpassung, die im Encoder stattgefunden haben, wieder rückgängig gemacht werden. Zwei wichtige Schritte sind dabei die Fehlerkorrektur und Rückgewinnung der Synchronisationsinformationen. Die in Bild 7.5 schematisch dargestellten Verarbeitungsblöcke werden unten im einzelnen beschrieben.

7.1.3.1 Demodulator

Der QPSK-Demodulator gewinnt aus dem Eingangssignal die Trägerfrequenz zurück. Da die richtige Phasenlage unbekannt ist, wählt er eine der vier möglichen Lagen aus. Eine Korrektur der möglicherweise falschen Phasenlage kann im Demodulator nicht durchgeführt werden und wird je nach Phasenfehler in einem der nachfolgenden Verarbeitungsblöcke korrigiert (bei einem Fehler von ±90 Grad im Viterbi-Decoder, bei 180 Grad im Sync Byte Detector).

7.1.3.2 Filterung und Taktrückgewinnung

Nach der Demodulation werden die Basisbandsignale der zweiten Filterung mit Square-Root Raised-Cosine-Charakteristik unterzogen (vgl. Kapitel 7.1.2.4). Damit wird das Übersprechen zwischen benachbarten Symbolen im Abtastzeitpunkt minimiert. Die Taktrückgewinnung erfolgt mit einer PLL-Schaltung.

7.1.3.3 Viterbi-Decoder

Die erste Stufe der Fehlerschutzdecodierung erfolgt in einem Viterbi-Decoder mit vorgeschaltetem Depunktierer. Der Decoder sollte über eine 3 bit Softdecision verfügen, die mit einem 2 dB geringeren Mindest-Rauschabstand gegenüber einer Harddecision auskommt (siehe Bild 7.6).

Bild 7.6 Einfluss der Quantisierung auf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (Simulation mit DVB-Faltungscode bei Coderate 1/2)

Der Decoder ermittelt alle noch nicht bekannten Parameter, indem er alle möglichen Kombinationen durchspielt und die kleinste Restbitfehlerwahrscheinlichkeit feststellt. Ist die Signalqualität ausreichend für eine Decodierung, so sind danach

• die Referenzphasenlage für die Demodulation auf 180 Grad genau
• das Punktierungsschema
• die Synchronisation der Depunktierung

7.1.3.4 Sync Byte Detector

Der Sync Byte Detector muss aus dem Bitstrom das regelmässig vorkommende Sync Byte (bzw. das invertierte nach jedem achten Paket) ermitteln, da für die weitere Verarbeitung die einzelnen MPEG2-TS Pakete sowie die 8-Paket-Struktur gebraucht werden. Gleichzeitig kann noch die letzte Unsicherheit - ein Phasenfehler des Trägers von 180 Grad - erkannt und korrigiert werden. Treten sieben invertierte und ein nichtinvertiertes Sync Byte auf, wird der ganze Bitstrom invertiert; damit sind alle Parameter richtig gewählt. Da die nachfolgenden Operationen byteweise erfolgen, findet noch eine 8 bit seriell-parallel Wandlung statt.

7.1.3.5 Deinterleaver und RS-Decoder

Vereinzelte Bitfehler im Datenstrom, verursacht durch Rauschen im Übertragungskanal, können vom Faltungsdecoder korrigiert werden. Treten jedoch zuviele Fehler auf, versagt die Decodierung und es entstehen selbsterzeugte Fehlerbursts. Der Deinterleaver sortiert die Burstfehler zu einzelnen Bitfehlern um, und der Reed-Solomon-Decoder ist in der Lage, bei weniger als acht fehlerhaften Bytes pro Paket alle Fehler zu korrigieren. Treten mehr Fehler auf als korrigierbar sind und wird dies vom RS-Decoder erkannt, setzt er das Transport Error Indicator Bit und signalisiert den nachfolgenden Komponenten, dass eine Decodierung unmöglich ist.

7.1.3.6 Energy Dispersal Remover

Im Energy Dispersal Remover wird die Energieverwischung rückgängig gemacht. Dazu wird das gleiche Schieberegister wie im Sender verwendet, das durch das invertierte Sync Byte initialisiert wird.

7.1.3.7 Basisband-Schnittstelle

Nun liegt der reine MPEG2-Datenstrom ohne Fehlerschutz und invertierten Sync-Bytes vor und kann in der Basisband-Schnittstelle einem Transport Stream Demultiplexer zugeführt werden, der die einzelnen Komponenten aus dem Datenstrom den entsprechenden Quellendecodern weitergibt.