DVB-T2 vs DVB-T: Η εξέλιξη της Επίγειας ψηφιακής TV

Του Περικλή Παντολέων

 Με την έλευση του εξελιγμένου πρότυπου μετάδοσης DVB–T2, οι δυνατότητες της μετάδοσης Επίγειας Ψηφιακής TV έχουν αυξηθεί ιδιαίτερα και καλύπτουν τις σύγχρονες απαιτήσεις σε χωρητικότητα και σταθερότητα.

Αμέσως παρακάτω, αναφερόμαστε τόσο στο DVB-T, όσο και στο DVB-T2, με διάθεση σύγκρισης των δύο συστημάτων.

DVB-T

Το DVB-T για την επίγεια ψηφιακή μετάδοση, εγκρίθηκε από την ETSI το Φεβρουάριο του 1997 και περιέχει βεβαίως, την κωδικοποίηση εικόνας & ήχου σε MPEG-2/4, καθώς και άλλα σημαντικά στοιχεία, όπως το σύστημα μετάδοσης COFDM – Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, το οποίο επιτρέπει τη χρήση 1705 φερουσών (2k) ή 6817 φερουσών(8k). To σύστημα 2k, είναι κατάλληλο για λειτουργία ενός πομπού σε μικρά τοπικά δίκτυα με περιορισμένη ισχύ εκπομπής, ενώ το σύστημα 8k, μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μικρά τοπικά δίκτυα, όσο και σε μεγάλης έκτασης δίκτυα μιας συχνότητας (SFN), διατηρώντας συμβατότητα με το 2k.

Το όλο σύστημα διαμόρφωσης, συνδυάζει το OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), με τις ψηφιακές διαμορφώσεις QPSK/QAM. Το ΟFDM χρησιμοποιεί έναν μεγάλο αριθμό φερουσών, στις οποίες «σκορπίζεται» η πληροφορία, ενώ χρησιμοποιήθηκε με μεγάλη επιτυχία στην ψηφιακή εκπομπή ραδιοφώνου, το λεγόμενο Digital Audio Broadcasting. Το πλεονέκτημα του OFDM, είναι η αντοχή του σε έντονο περιβάλλον ανακλάσεων, όπως είναι αυτό της μετάδοσης πολλαπλών διαδρομών ή διεθνώς Multipath Effect, που συμβαίνει κατά κόρον στις επίγειες εκπομπές.

Λόγω της παραπάνω αντοχής του OFDM, είναι δυνατό να λειτουργήσει ένα δίκτυο αλληλοκαλυπτόμενων πομπών, σε μία και μόνη συχνότητα! Στις περιοχές αλληλοκάλυψης, το λιγότερο ισχυρό σήμα αντιμετωπίζεται σαν « ηχώ».

Στην επίγεια ψηφιακή TV, υπάρχουν 3 είδη λειτουργίας: 1) Εκπομπή σε ένα αχρησιμοποίητο κανάλι 2) Εκπομπή σε δίκτυο μικρής έκτασης σε μία συχνότητα 3) Εκπομπή σε δίκτυο μεγάλης έκτασης σε μία συχνότητα.

Η αρχή λειτουργίας της μετάδοσης COFDM

Ο βασικός σκοπός του συστήματος, είναι η προσαρμογή των δεδομένων που πρόκειται να εκπεμφθούν, στα χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου καναλιού. Η διαμόρφωση αυτή, είναι ένα σύστημα παράλληλης εκπομπής, που σημαίνει ότι πολλές ομάδες δεδομένων, εκπέμπονται την ίδια χρονική στιγμή με τέτοιο τρόπο, ώστε να διατηρούνται ορθογώνιες μεταξύ τους, κάτι που επιτυγχάνεται, όσο δεν συμβαίνει παρεμβολή μεταξύ τους(Ιntersymbol Interference). Δυστυχώς, αυτό δεν είναι συνήθως εφικτό σε μια επίγεια εκπομπή, γι’ αυτό εφαρμόζεται και μια πρόσθετη λειτουργία, αυτή της «απόστασης ασφαλείας» μεταξύ των φερουσών.

Μπορούμε πλέον να αναφέρουμε την εξαιρετική ιδέα της χρήσης του αντίστροφου γρήγορου μετασχηματισμού Fourier (IFFT) κατά την εκπομπή, η οποία είναι και η αιτία της επιτυχημένης υλοποίησης του συστήματος στη πράξη.

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια σειρά από σύμβολα που θέλουμε να μεταδώσουμε. Αυτά τα σύμβολα, αντιμετωπίζονται σαν «σημεία» στο πεδίο της συχνότητας ενός σήματος και ομαδοποιούνται σε Ν ομάδες Ν συμβόλων, όπου η κάθε ομάδα, αποκαλείται «υπερσύμβολο», οπότε πλέον μπορεί να εφαρμοστεί ο αλγόριθμος IFFT. Ο αριθμός των φερουσών που πρόκειται να μεταδοθούν, αντιστοιχούν με τον αριθμό των σημείων που επεξεργάζεται ο IFFT. Στη λήψη, δεν έχουμε παρά να εφαρμόσουμε τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier (FFT), έτσι ώστε να πάρουμε την αλληλουχία των δεδομένων που μεταδόθηκαν.

Στο standard αυτού του συστήματος, υπάρχουν δύο τρόποι μετάδοσης 2k και 8k. Στη πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιείται FFT 2048 σημείων, ενώ στην δεύτερη, χρησιμοποιείται FFT 8192 σημείων. Έτσι κι αλλιώς, η χρήσιμη πληροφορία που εκπέμπεται το δευτερόλεπτο, είναι η ίδια και στα δύο συστήματα, απλώς στα 2k, επιβάλλεται περισσότερος διαχωρισμός μεταξύ των φερουσών, που ελαττώνει τις παρεμβολές μεταξύ τους, ενώ στα 8k, εμπλέκεται μεγαλύτερος αριθμός φερουσών, με αποτέλεσμα, η υλοποίηση εξισορρόπησης να είναι πιο εύκολη.

Γιατί όχι OFDM;

Παραπάνω, αναφέραμε ότι στην επίγεια μετάδοση, είναι πολύ συχνό το φαινόμενο των πολλαπλών διαδρομών του σήματος. Συνεπώς, υπάρχει η περίπτωση τα σήματα από δύο διαφορετικές διαδρομές, να «συμπέσουν», οπότε θα έχουμε ενίσχυση, ή να φτάσουν σε τέτοιες χρονικές στιγμές που να έχουμε ακυρώσεις. Το γεγονός αυτό, μπορεί να συμβαίνει σε διάφορες συχνότητες μέσα στο εύρος ζώνης του σήματος εκπομπής και τα πράγματα γίνονται χειρότερα, όταν παρατηρείται ισχυρός θόρυβος, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται καταιγισμοί λαθών κατά τη αποδιαμόρφωση.

Σ’ αυτό το σημείο, έρχεται το COFDM, να συμπληρώσει το OFDM, με μια έξτρα κωδικοποίηση καναλιού, που περιλαμβάνει δύο βασικές διεργασίες: έναν συγκεραστικό κώδικα και ένα «ανακάτεμα» των δεδομένων. Ο συγκεραστικός κώδικας, προσφέρει στο σύστημα, έναν πλεονασμό δεδομένων, που θα χρησιμοποιηθεί για την διόρθωση σφαλμάτων. Ωστόσο, εάν εμφανιστούν συνεχείς σειρές λαθών, δεν θα είναι δυνατή η διόρθωσή τους, γι’ αυτό πραγματοποιείται κι ένα «ανακάτεμα» των δεδομένων, ώστε οι παρακείμενες φέρουσες, να μη διαμορφώνονται από διαδοχικά δεδομένα. Σε περίπτωση απώλειας πληροφορίας από διαδοχικές φέρουσες, το λάθος απομονώνεται και κατά την επαναφορά των δεδομένων στη κανονική τους σειρά, έχουμε πολύ λιγότερο πρόβλημα. Από αυτά τα χαρακτηριστικά, προστέθηκε η λέξη “Coded”, στην ονομασία της διαμόρφωσης OFDM.

Εύρος Ζώνης

Η απόσταση των διαδοχικών φερουσών στο σύστημα 2k, είναι 4464 Hz ενώ στο 8k, είναι 1116 Hz. Επειδή όμως στο 2k, έχουμε 1705 φέρουσες, βλέπουμε ότι το συνολικό εύρος ζώνης, φθάνει τα 7,61 MHz, κάτι που συμβαδίζει απόλυτα με ένα εύρος καναλιού 8 MHz, όπως στα UHF. Από την άλλη πλευρά, στο σύστημα 8k, έχουμε 6817 φέρουσες, που σημαίνει ότι το συνολικό εύρος ζώνης, είναι και πάλι 7,61 MHz.

Δίκτυα μίας συχνότητας – SFN

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, με τη διαμόρφωση COFDM, είναι δυνατή η λειτουργία δικτύου πομπών, οι οποίοι θα εκπέμπουν σε μία και μόνη συχνότητα, λόγω της ειδικής αντιμετώπισης των πολλαπλών διαδρομών. Εκτός από το συγκεκριμένο πλεονέκτημα, δημιουργείται κι ένα κέρδος (gain), που κυριαρχεί σαν χαρακτηριστικό στο όλο δίκτυο. Αποτέλεσμα αυτού του κέρδους, είναι ότι το κόστος εγκατάστασης του δικτύου, είναι χαμηλότερο, εφόσον απαιτείται λιγότερη ισχύ εκπομπής. Από την άλλη μεριά, υπάρχει κι ένα μειονέκτημα: Δεν είναι δυνατός, ο διαχωρισμός του δικτύου, που σημαίνει ότι στη περίπτωση τοπικής μετάδοσης, θα απαιτηθεί η κατασκευή δικτύου broadcast.

Να κλείσουμε την αναφορά μας στο COFDM, αναφέροντας ότι πρόκειται για ένα ιδιαίτερα έξυπνο σύστημα, που μετατρέπει το ελάττωμα των πολλαπλών διαδρομών σε προτέρημα, ενώ η πρακτική του εφαρμογή, επιτρέπεται χάριν στην υλοποίηση του αλγόριθμου FFT σε chip, τόσο για την κωδικοποίηση (IFFT), όσο και για την κατασκευή κατάλληλων δεκτών (set top box), με ανεκτό κόστος για τον καταναλωτή.

Μειονεκτήματα DVB–T

Σαφώς έχει υπάρξει πλέον η ανάγκη για μεγαλύτερη χωρητικότητα με μεγαλύτερα bit rates – κυρίως λόγω των καναλιών HD – την οποία το DVB-T δεν μπορούσε να προσφέρει. Επιπροσθέτως, το DVB-T παρουσιάζει κακή συμπεριφορά σε κινητή ή φορητή λήψη, ενώ και στα δίκτυα SFN (Single Frequency Network), η απόδοση δεν είναι η βέλτιστη, ειδικά σε περιοχές με πολύ καλή λήψη περισσότερων αναμεταδοτών.
Λόγω των παραπάνω, δημιουργήθηκε ένα νέο σύστημα μετάδοσης, το λεγόμενο DVB-T2, του οποίου τα χαρακτηριστικά δημοσιεύτηκαν για πρώτη φορά το 2008 από το DVB Project και στη συνέχεια έγινε standard από την ETSI (European Telecommunication Standardisations Institute) τον Σεπτέμβριο του 2009.

DVB–T2

Το DVB-T2 είναι ένα εξαιρετικά σταθερό και αξιόπιστο σύστημα μετάδοσης, το οποίο προορίζεται για σταθερή λήψη, ωστόσο παρέχει δυνατότητα και για κινητή λήψη. Οι διαφορές από το DVB-T είναι πολλές και σημαντικές, ωστόσο εδώ θα αναφέρουμε τις κυριότερες, καθώς μία πλήρη ανάλυση, θα απαιτούσε αρκετές σελίδες.  Οι τεχνολογίες που εμπλέκονται, αφορούν τόσο στην επεξεργασία σημάτων, όσο και στην εκπομπή τους. Στο DVB-T2 εφαρμόζονται εξελιγμένοι κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων, εμπλουτισμένος αστερισμός με περιστροφή, νέα πρότυπα διάσπαρτων πιλότων, εμβόλιμες προσθήκες δεδομένων στα data frames, ενώ είναι εφικτή η εκπομπή από 2 κεραίες, όπου η δεύτερη εκπέμπει συμπληρωματικό σήμα ως προς τη πρώτη, καθώς και η εκπομπή ξεχωριστών σημάτων για κινητή και σταθερή λήψη, στο ίδιο stream. Το αποτέλεσμα όλων των παραπάνω τεχνικών, είναι – μεταξύ άλλων – η αύξηση της χωρητικότητας κατά 30 – 50 %, η μεγαλύτερη αντοχή σε περιβάλλον ισχυρού θορύβου και η σαφώς καλύτερη συμπεριφορά σε δίκτυα SFN, ακόμη και σε περιοχές που λαμβάνουν περισσότερους ισχυρούς αναμεταδότες που εκπέμπουν τα ίδια δεδομένα στην ίδια συχνότητα. Να αναφέρουμε επίσης, ότι το DVB-T2 έχει «δανειστεί» 2 βασικές τεχνολογίες από το DVB-S2, οι οποίες είναι η αρχιτεκτονική system-layer και συγκεκριμένα το πακετάρισμα των δεδομένων σε “Baseband Frames” (BBFrames) και οι κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων.

FEC

Ο κώδικας διόρθωσης σφαλμάτων Reed-Solomon, καθώς και ο συγκεραστικός κώδικας, έχει αντικατασταθεί στο DVB-T2 από τον LDPC (Low Density Parity Checking) σε συνδυασμό με  τον BCH (Bose Chauhuri Houquenohem), όπως ισχύει και στο DVB-S2. Πρόκειται για μία ιδιαίτερα αξιόλογη βελτίωση στη λήψη των σημάτων DVB-T2, τα οποία για ίδιο BER παρουσιάζουν βελτιωμένο περιθώριο λήψης.

256 QAM

Η προσθήκη της διαμόρφωσης 256 QAM, έναντι των 16 QAM/64QAM και QPSK του DVB-T, επέτρεψε την αύξηση των δεδομένων που εκπέμπονται με κάθε block, ωστόσο απαιτεί καλύτερη διόρθωση σφαλμάτων, κάτι που επίσης έχει προβλεφθεί, με αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της χωρητικότητας.

Περιστροφή αστερισμού για καλύτερη διάδοση

Μία έξυπνη τεχνική για αποφυγή απώλειας δεδομένων κατά τη διάδοση, είναι η περιστροφή του αστερισμού με κυκλική καθυστέρηση της συνιστώσας Q (RQD). Με την εν λόγω τεχνική, αποφεύγεται η απώλεια δεδομένων και των δύο συνιστωσών (Ι & Q) για τον ίδιο λόγο, συνεπώς κάθε στιγμή τα δεδομένα της μίας, μπορούν να ανακτηθούν από τα δεδομένα της άλλης.

Εκπομπή από 2 κεραίες – Τεχνική MISO

Στα συστήματα WiFi – όπως το WLAN 802.11n – έχουν υλοποιηθεί οι τεχνικές MIMO (Multiple Input – Multiple Output) για πολλαπλές κεραίες εκπομπής αλλά και λήψης. Στο DVB-T2 έχουμε κυρίως την υλοποίηση της τεχνικής MISO (Multiple Input – Single Output), όπου χρησιμοποιούνται 2 κεραίες εκπομπής, οι οποίες εκπέμπουν συμπληρωματικά σήματα, επεξεργασμένα με έναν τροποποιημένο αλγόριθμο Alamouti. Ο εν λόγω αλγόριθμος επεξεργάζεται τα σύμβολα ανά ζεύγος, διοχετεύοντας τα αυθεντικά ζεύγη στη μία κεραία και τα τροποποιημένα αντίστοιχα ζεύγη στην άλλη κεραία εκπομπής, αυξάνοντας έτσι την αξιοπιστία της μετάδοσης και επιτυγχάνοντας καλύτερη σηματοθορυβική σχέση (αυξημένο S/N) για ίδιο BER, αλλά και καλύτερη κάλυψη σε δίκτυα SFN.

PAPR

Στη διαμόρφωση OFDM, παρουσιάζεται ένα σημαντικό μειονέκτημα, καθώς εμφανίζονται κορυφές υψηλής ισχύος, οι οποίες προκαλούν παραμόρφωση στους ενισχυτές, μειώνοντας την απόδοση και αυξάνοντας τον λόγο PAPR (Peak to Average Power Ratio). Στο DVB-T2 έχουμε ισχυρή βελτίωση του παραπάνω φαινομένου, κρατώντας κάποιες υπο-φέρουσες σαν δείγματα κανονικής κατάστασης, για διόρθωση του PAPR κατά την εκπομπή

Άλλες καινοτομίες του DVB–T2

Μεταξύ άλλων, στο DVB-T2 έχουμε τη προσθήκη των modes 16K & 32K, με στόχο την αύξηση του μήκους του Guard Interval, χωρίς μείωση της φασματικής απόδοσης, ενώ σημαντική τεχνική είναι και η χρήση 8 διαφορετικών και διάσπαρτων πιλότων, προκειμένου η διαμόρφωση να προσαρμόζεται ανάλογα με την εκάστοτε εκπομπή κι έτσι να επιτυγχάνεται η βέλτιστη διαχείριση του φάσματος.
Να αναφέρουμε επίσης, ότι με το DVB-T2 μπορούμε να επιτύχουμε μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος κατά 1 / 4 – 1 / 10 για ίδια κάλυψη ή αύξηση της κάλυψης κατά 5-10 dB για ίδια ισχύ εκπομπής.

T2-Lite για Mobile

Το DVB-T2 προβλέπει και εκπομπή προς κινητές συσκευές, είτε αυτόνομα είτε στο ίδιο κανάλι με άλλες υπηρεσίες DVB-T2. Η εν λόγω δυνατότητα υφίσταται λόγω του χαρακτηριστικού FEF (Future Extension Frame). Σε περίπτωση σύγχρονης εκπομπής κινητών και συμβατικών υπηρεσιών, οι υπηρεσίες για κινητά, αγνοούνται από έναν τυπικό δέκτη DVB-T2, ενώ οι κανονικές εκπομπές DVB-T2, αγνοούνται από έναν κινητό δέκτη.

HEVC

Άλλη μία καινοτομία, θα είναι η χρήση της συμπίεσης HEVC, η οποία χρησιμοποιείται ήδη στη δορυφορική μετάδοση καναλιών Ultra HD. Το DVB-T2 επιτυγχάνει περισσότερο εύρος ζώνης ανά multiplex, ενώ η χρήση HEVC μειώνει το εύρος ζώνης ανά κανάλι, συνεπώς γίνεται εύκολα αντιληπτός ο βαθμός βελτίωσης από τη χρήση DVB-T2 σε συνδυασμό με τη συμπίεση HEVC.
Τα παραπάνω, σημαίνουν ότι η επάρκεια χωρητικότητας και εύρους ζώνης για επίγεια εκπομπή καναλιών HD, είναι ήδη εξασφαλισμένη με την σύγχρονη τεχνολογία.

Υιοθέτηση DVB–T2

Σύμφωνα με τα πιο πρόσφατα στοιχεία, το πρότυπο DVB-T2 ήδη χρησιμοποιείται από 37 χώρες, έχει γίνει αποδεκτό και έχει υιοθετηθεί από άλλες 36 χώρες και βρίσκεται σε δοκιμαστική φάση σε 9 χώρες παγκοσμίως.
Μεταξύ των χωρών που αυτή τη στιγμή διαθέτουν ενεργό DVB-T2, είναι το Ηνωμένο Βασίλειο, η Φιλανδία, η Αυστρία, το Βέλγιο, η Κροατία, η Σερβία, η Δανία, η Ιταλία, η Ρωσία, τα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα, η Σαουδική Αραβία, αλλά και χώρες όπως η Ουγκάντα, η Ζάμπια, η Τανζανία, η Νιγηρία, η Ναμίμπια και αρκετές άλλες. Για την Ελλάδα δεν υπάρχει κάποια δραστηριότητα γύρω από το DVB-T2 και δεν διαφαίνεται για το άμεσο μέλλον.