CC BY
17
В статтi представлено результати дослиджень щодо оцтки характеристик систем DVB-T/ВУБ-Т2 при наявносmi квадратурних спотворень за рiзних умов приймання сигналiв цифрового телевiзiйно-го мовлення. Проведено детальний аналiз наслид-тв виникнення квадратурних спотворень, визначе-но припустимi рiвнi спотворень та запропоновано можливi техтчт ршення щодо зменшення гх негативного впливу
Ключовi слова: DVB-T/ DVB-T2, квадратур-ш спотворення, вимiрювання, техтчна ятсть, ЫайаЬ
□-□
В статье представлены результаты исследований по оценке характеристик систем DVB-T/ DVB-T2 при наличии квадратурных искажений для разных условий приема сигналов цифрового телевизионного вещания. Проведен детальный анализ последствий возникновения квадратурных искажений, определены допустимые уровни искажений и предложены возможные технические решения относительно уменьшения их негативного влияния Ключевые слова: DVB-T/ DVB-T2, квадратурные искажения, измерения, техническое качество, ЫайаЬ
-□ □-
УДК 691.397
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО МОВЛЕННЯ DVB-T/ DVB-T2 ПРИ ВПЛИВ1 КВАДРАТУРНИХ СПОТВОРЕНЬ
В. Б. Бал я р
Старший викладач Кафедра телебачення i радюмовлення 1нститут радю, телебачення та електронки Одеська нацюнальна академiя зв'язку iM. А.С. Попова вул. Ковальська, 1, м. Одеса, УкраТна, 65029 E-mail: balyar_vb@mail.ru; balyar.vb @ onat.edu.ua
1. Вступ
Системи DVB-T та DVB-T2 використовують для цифрового наземного (ефiрного) телевiзiйного мовлення в багатьох крашах свггу. В Укра1ш продовжу-еться розгортання мережi цифрового телевiзiйного мовлення в стандарт DVB-T2, а також джть переда-вачi стандарту DVB-T. Одшею з задач, що виршують тд час розгортання та експлуатацп цих мереж е перь одичний контроль для забезпечення своечасного ви-явлення несправностей, що можуть приводити до по-яви рiзних спотворень сигналу. Незважаючи на те, що системи DVB-T та DVB-T2 стандартизовано та вже впроваджено в багатьох крашах, в б^ьшосп випадюв 1х характеристики нормують для каналу з АБГШ та для багатопромшевого каналу. Однак iншi типи спотворень, таких як квадратурш спотворення, не нормо-вано. Наявнiсть такого типу спотворень призводить до суттевого попршення характеристик системи цифрового телевiзiйного мовлення, тому представляеться важливим визначити припустимi рiвнi квадратурних спотворень, особливо при наявноси АБГШ, з ураху-ванням особливостей та характеристик систем DVB-T та DVB-T2.
Безпосередньо стандарт на систему DVB-T [1], як i публжацп [2], та настанови щодо вимiрювань в системах DVB [3] мштять лише пороговi значення вщношення носiйне коливання/шум (CNR, Carrier-to-Noise Ratio) та не надають вiдповiдних залежно-стей в каналi з АБГШ, не кажучи вже й про iншi типи спотворень. Якщо ж говорити про систему цифрового наземного телевiзiйного мовлення другого поколш-ня (DVB-T2), то спостертеться така ж сама ситу-
ацiя - в базовому стандарт [4] приводяться лише пороговi значення вщношення CNR, а публiкацii в напрямку дослщження ii характеристик при впливi спотворень рiзних типiв взагалi практично вiдсутнi. Серед публiкацiй в напрямку аналiзу характеристик цифрових систем за впливу спотворень рiзного типу можливо вщзначити [5-7]. Цi стати висвилюють результати дослiджень щодо компенсацп нерiвномiр-ностi пiдсилення I/Q-сигналiв в передавачi та при-ймачi з застосуванням узагальненоi моделi системи з КАМ-М/ OFDM. При цьому аналiзують вплив ква-дратурних спотворень без урахування характеристик тдсистеми канального декодування/деперемеження та шших функцiональних блокiв приймача. Врахо-вуючи вищезазначене, метою цiеi статтi е отримання кiлькiсних та яюсних оцiнок характеристики систем DVB-T та DVB-T2 при наявноси квадратурних спотворень з визначенням можливих техшчних ршень, що дозволять '¿х зкомпенсувати або мiнiмiзувати '¿х негативний вплив.
2. Ощнка впливу квадратурних спотворень на характеристики траклв систем DVB-T та DVB-T2
Методику проведення вимiрювань з визначенням частин тракту систем DVB-T та DVB-T2, характеристики сигналу в яких тдлягають оцiнцi, наведено в [3]. Дослщження впливу квадратурних спотворень на характеристики наскрiзного тракту систем DVB-T та DVB-T2 будемо проводити за чотирьох випадюв, що ввдповвдають таким умовам:
© В.Б
Информационные технологии
Генератор Передавач
PRBS DVB
- вплив квадратурних спотворень типу нер1вномф-шсть тдсилення I / Ц-сигнал1в за значного ввдношення сигнал/шум (позначимо це спотворення А1);
- вплив квадратурних спотворень типу нер1вно-м1ршсть тдсилення 1/Ц-сигнал1в за вщношення сигнал/шум, що е б1льшим за 3 дБ за порогове значення (позначимо це спотворення AI+AWGN);
- вплив квадратурних спотворень типу фазова по-милка 1/Ц-сигнал1в за значного вщношення сигнал/ шум (позначимо це спотворення РЕ);
- вплив квадратурних спотворень типу фазова помилка 1/Ц-сигнал1в за вщношення сигнал/шум, що е б1льшим за 3 дБ за порогове значення (позначимо це спот-ворення PE+AWGN).
Для ощнки припустимого р1вня спотворення кожного типу будемо ви-користовувати параметр А, що харак-теризуватиме р1зницю м1ж пороговими р1внями спотворення, за яких системи DVB-T и DVB-T2 будуть працювати в режим1 ЦЕЕ
За анал1зу квадратурних спотворень будемо анал1зувати так1 вар1анти параметру А:
1) для нер1вном1рност1 тдсилення 1/Ц-сигнал1в:
АА1 = А1Т2пор - А1Тпор ,
де АА - р1зниця м1ж пороговими р1внями спотворення типу "нер1вном1ршсть тдсилення 1/Ц-сигнал1в" в системах DVB-T и DVB-T2;
А1т2пор - пороговий р1вень спотворення типу "не-р1вном1ршсть тдсилення 1/Ц-сигнал1в" в систем1 ОУВ-Т2;
А1Тпор - пороговий р1вень спотворення типу "нер1вном1ршсть тдсилення 1/Ц-сигна-л1в" в систем! DVB-T;
2) для фазово! по-милки 1/Ц-сигнал1в:
А = PF - PF
^PE 1 T2nop Tnop >
де АPE - рiзниця мiж пороговими рiвнями спотворення типу "фазова помилка I/Q-сигналiв" в системах DVB-T и DVB-T2;
PET2nop - пороговий рiвень спотворення типу " фазова помилка
обрано модулящю КАМ-16) за однакових швидкостях внутршнього коду (1/2, 2/3 та 5/6);
- конф^уращя при рiзних значеннях спектрально! ефективноси систем DVB-T и DVB-T2 (обрано КАМ-64 та КАМ-256 вiдповiдно) за однакових швид-костей внутрiшнього коду (1/2, 2/3 та 5/6).
Для ощнки використано схему випробувань (рис. 1), що 11 рекомендовано в стандарт ETSI TR 101 290 "На-станови до проведення вимiрювань у системi DVB" [3] з внесенням певно'1 модифiкацii для врахування специ-фжи реалiзацii моделi.
+
Генератор шуму АБГШ
РЧ тракт системи DVB
НЧ тракт системи DVB
Анализатор MER
Квадратурш спотворення
Анализатор BER
Приймач DVB
Рис. 1. Схема випробувань для оцшки впливу квадратурних спотворень на характеристики систем DVB-T та DVB-T2
Схема випробувань вщповщае випадку, коли ви-мiрювання проводилось для режиму "коли служба не працюе". На цш схемi тд передавачем та приймачем DVB розумжть передавач та приймач систем DVB-T та DVB-T2 з урахуванням того, що вимiрювання проводилось окремо для кожного з стандарпв. Аналiз впливу спотворень проводився окремо для кожного з титв спотворень, що 1х визначено вище.
За результатами дослiдження було побудовано за-лежностi, що 1х надано на рис. 2-3.
а) б)
Рис. 2. Залежнють рiзницi мiж пороговими рiвнями спотворення AI та AI+AWGN при рiзних швидкостях внутршнього коду та методах модуляцп: а) КАМ-16 (DVB-T/DVB-T2) б) КАМ-64
(DVB-T) та КАМ-256 (DVB-T2)
I/Q-сигналiв" в системi DVB-T2;
PETnop - пороговий рiвень спотворення типу " фазова помилка I/Q-сигналiв" в системi DVB-T.
Вiд'eмнi значення АAI та APE вказують на те, що вщповщне порогове значення в системi DVB-T2 е мен-шим за значення в DVB-T.
Ощнку будемо проводити для двох конф^ура-цiй:
- конфiгурацiя при однаковш спектральнiй ефек-тивностi систем DVB-T и DVB-T2 (в обох випадках
З рис. 2а видно, що за умов незначного р1вню шуму в систем! DVB-T2 при КАМ-16 е припустимим б1льший р1вень спотворень типу "нер1вном1ршсть тдсилення 1/Ц-сигнал1в", шж в систем1 DVB-T.
Це може бути пояснено використанням б1льш по-тужних метод1в корегувального кодування (код1в LDPC та ВСН), а також застосуванням багатьох ета-тв перемеження, при яких, зокрема, здшснюеться перестановка синфазно! та квадратурно! складово! КАМ-сигналу.
Восточно-Европейский журнал передовым технологий ЕЗМ 1729-3774
Все це в щлому при застосуванш КАМ-16 дозволяе отримати виграш за пороговим рiвнем спотворення типу "нерiвномiрнiсть пiдсилення I/Q-сигналiв" вiд 0.83 дБ до 2.82 дБ в залежносп ввд швидкостi внутрш-нього коду.
На рис. 2б приведено результат моделювання для конфiгурацiй систем цифрового наземного телевiзшно-го мовлення, за яких використовують КАМ-64 (DVB-T) та КАМ-256 (DVB-T2). За цих конфiгурацiй значення АД1 за швидкосп внутрiшнього коду 1/2 дорiвнюе 0,25. Зi збiльшенням швидкостi внутрiшнього коду ця величина е вщ'емною та досягае -1,8 дБ. Це може бути пояснено тим, що коригувально'! здатност кодiв LDPC/BCH не достатньо для виправлення вах помилок, що виника-ють за нерiвномiрностi пiдсилення I/Q-сигналiв.
Однак збiльшення ввдношення сигнал/шум в каналi мовлення дозволить отримати виграш при цш конфь гурацп за спектральною ефективнiстю приблизно в 4 рази порiвняно з конф^уращею DVB-T (КАМ-64 5/6). За використання конф^урацп системи DVB-T2, що ввд-повiдае КАМ-256 1/2, зб^ьшення вiдношення сигнал/ шум не е необхщним - припустимi рiвнi спотворення е приблизно однаковими ^зниця становить 0,25 дБ).
На вщмшу вщ випадку, коли рiвень АБГШ е не-значним, рiзниця мiж пороговими рiвнями спотворення AI+AWGN при рiзних швидкостях внутрiшнього коду та КАМ-16 в системах DVB-T та DVB-T2 становить вiд 0,72 до 1,82 дБ.
При конф^уращях з КАМ-64 та КАМ-256 рiзниця мiж пороговими рiвнями практично не е ввд'емною та дорiвнюе величинi вiд 0,18 до -0,006 дБ. За тако'! рiз-ницi при незначному збшьшенш потужностi сигналу системи DVB-T буде спостер^атись необхiдний рiвень завадостiйкостi навггь за наявностi квадратурних спот-ворень. Залежшсть коефiцiенту ВЕЯ на виходi вну-трiшнього декодера при рiзних конфiгурацiях систем DVB-T та DVB-T2 вiд фазово'! помилки I/Q-сигналiв надано на рис. 3.
З рис. 3 видно, що рiзниця мiж пороговими рiвня-ми спотворення типу "фазова помилка I/Q-сигналiв" дорiвнюе вiд -0,250 до 160 для випадку з КАМ-16 та вщ -5,940 до 5,250 для випадку КАМ-64 ^В^) та КАМ-256 (DVB-T2). Таким чином, при незначному рiвнi АБГШ спостерiгаеться аналогiчна ситуацiя, як й з спотворенням типу "нерiвномiрнiсть тдсилення I/Q-сигналiв".
Аналiз рiзницi мiж пороговими рiвнями спотворення PE+AWGN для цього випадку надано на рис. 3а, з якого видно, що и величина дорiвнюе вщ 7,20 до 13,20. Для шшого випадку (рис. 3б) ця рiзниця дорiв-нюе величинi вiд -0,820 до 1,150. З цих рисунюв видно, що при рiзних рiвнях АБГШ внаслiдок дисперсп точок сигнального сузiр'я КАМ-М рiзниця мiж пороговими рiвнями в бiльшостi випадкiв спостертеться виграш вiд використання системи DVB-T2 порiвняно з DVB-T. Це говорить про бшьшу стiйкiсть системи DVB-T2 до обох типiв квадратурних спотворень. На базi аналiзу рис. 23, а також попереднiх результапв, побудовано табл. 1-2, що мктить пороговi величини квадратурних спотворень за двох умов - незначного рiвню АБГШ та за рiвню АБГШ, що трохи бшьшим за припустимий рiвень.
Таблиця 1
Пороговi рiвнi спотворень в системах DVB-T та DVB-T2 для КАМ-16
Параметр Значення
Швндкють коду 1/2 2/3 5/6
Спотворення А1 та РЕ
Д1т„„„ , дБ 7,05
Д,Т2пор , дБ 9,87 7,7 6,997
А д, , дБ 2,82 0,65 -0,053
РЕтпор , 0 34
РЕТ,п„р , 0 50 41,54 33,75
А РЕ , 0 16 7,54 -0,25
Спотворення AI+AWGN та PE+AWGN
Д1тп„р , дБ 5 4 3,5
Д,Т2пор , дБ 6,82 5,7 4,22
Ад , дБ 1,82 1,7 0,72
РЕТпор , 0 23 18,5 15,05
РЕТ,п„р , 0 36,2 28,3 22,25
А РЕ , 0 13,2 9,8 7,2
Конфггурац1я систем 0\/В-Тта 0\/В-Т2: КАМ-16
Конфггурацгя систем: КАМ-64 РУВ-Т) та КАМ-256 РУВ-Т2)
0.65 0.7 0.75 Швидкгсть внугргшнього коду
а)
Рис. 3. Залежшсть рiзницi мiж пороговими рiвнями спотворення РЕ та PE+AWGN при рiзних швидкостях внутрiшнього коду та методах модуляци: а) КАМ-16 (DVB-T/DVB-T2) б) КАМ-64 (DVB-T) та КАМ-256 ^В-Т2)
З таблиць видно, що припустимi рiвнi спотворень кожного з титв в системi DVB-T практично не залежать ввд швидкостi внутршнього коду та збiльшуються приблизно в 2 рази при переходi вщ КАМ-16 до КАМ-64.
В систем! ОУВ-Т2 припустимий р1вень спотворень залежить вiд швидкостi внутршнього коду та вiд обраного методу модуля-цil. Так, при збшьшенш швидкостi внутрiшнього коду припустима величина спотворень зменшуеть-ся приблизно в 1,5 рази, в той час як при змш методу модуляци (ввд КАМ-16 до КАМ-256) при фжсованш швидкостi внутрiшнього коду припустимий рiвень спотворень зменшуеться на величину ввд 2,5 до 5,5 разiв.
0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Швидпсть вн^риинього коду
б)
Таблиця 2
noporoBi piBHi спотворень в системах DVB-T (КАМ-64) та DVB-T2 (КАМ-256)
3. Висновки
Окрiм завад та шумiв в системi можуть виникати й iншi спотворення сигналу (квадратурш спотворен-ня, фазовий шум, нелшшш спотворення, тощо), що будуть призводити до суттевого погiршення характеристик наскрiзного тракту цифрового телевiзiйного мовлення, навiть в разi дотримання необхщного рiв-ню сигналу. Також при сумшному впливi спотворень рiзного типу причину погiршення характеристик си-стеми не завжди вдаеться оперативно виявити, тому важливим е визначення норм на рiвень кожного з спотворень як окремо, так й при сумшному 1х впливу. Шд час дослщження, результати якого приведено в цш статтi, проаналiзовано вплив спотворень за окре-мого впливу квадратурних спотворень рiзного типу за наявностi АБГШ та визначено 1х пороговий рiвень. Отриманi результати можуть бути використаш пiд час сертифiкацiйних, пуско-налагоджувальних роби та при проведеннi поточних вимiрювань в процесi технiчноi експлуатацii, а також шд час наукових до-слiджень в напрямку пiдвищення ефективносп систем DVB-T та DVB-T2 за наявностi квадратурних та шших спотворень.
Параметр Значення
Швидкють коду 1/2 2/3 5/6
Спотворення AI та PE
^Tnop , дБ 3,3
AIT2nop , дБ 3,55 2,368 1,5
AAI , дБ 0,25 -0,93 -1,8
PETnop , 0 15,4
PET2nop , 0 20,65 14,35 9,46
A PE , 0 5,25 -1,05 -5,94
Спотворення AI+AWGN та PE+AWGN
AITnop , дБ 1,87 1,62 1,1
AIT2nop , дБ 2,05 1,65 1,094
AAI , дБ 0,18 0,03 -0,006
PETnop , 0 11,5 8,8 7,5
PET2nop , 0 11,9 9,95 6,68
A PE , 0 0,4 1,15 -0,82
Лiтература
1. Цифрове телев!зшне мовлення. Структура кадр!в, канальне кодування та методи модуляцй в систем! цифрового наземного телебачення (ETSI EN 300 744: 2001, MOD): ДСТУ ETSI EN 300 744: 2004. - [Чинний вщ 2005-04-01]. - К. : Держспоживстан-дарт Украши, 2004. - 67 с. - (Нацюнальний стандарт Украши).
2. Frescura P. DSP Based OFDM Demodulator and Equalizer for Professional DVB-T Receivers/ P. Frescura // IEEE Transactions on Broadcasting. - 1999. - vol. 45, №. 3. - pp. 323-332.
3. Цифрове телев!зшне мовлення. Характеристики системи передавання. Настанови щодо виконання вим!рювань (ETSI TR 101 290: 2001, IDT): ДСТУ ETSI TR 101 290: 2006. - [Чинний вщ 2006-04-01]. - К. : Держспоживстандарт Укра!ни, 2006. - 166 с. - (Нацюнальний стандарт Украши).
4. Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2): ETSI EN 302 755. - Sophia, France: ETSI, 2009. - 164 p.
5. Tandur D. Joint compensation of OFDM transmitter and receiver IQ imbalance in the presence of carrier frequency offset/ D. Tandur, M. Moonen// Proc. of 14th EUSIPCO conference, Florence, Italy, Sep. 2006. - 5 p.
6. Chen Ying Frequency Offset Estimation for OFDM Systems in the Presence of I/Q Mismatch/ Chen Ying, Jayalath Dhammika, Zhang Jian, Pollock Tony// 18th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC 2007)., Athens, 3-7 Sept. 2007.
7. Nguyen Thanh Hieu Derivation and analysis of the BER Closed Form in the OFDM Communication System with IQ Imbalance/ Nguyen Thanh Hieu, Byung-Su Kang, Kwangchun Lee, Heung-Gyoon Ryu// Journal of The Korea Electromagnetic Engineering Society. - 2006. - Vol.6 №.3. - p. 182-188.
Abstract
In this article author's study results in direction of performance analysis of digital terrestrial television broadcasting system in DVB-T and DVB-T2 standards in combined influence of quadrature impairments and AWGN. Main purpose of studies is estimation of technical operational quality degradation in such systems in different conditions of performance non-ideality of quadrature modulator/ demodulator with different relationship between impairments for combined influence. For this the simulation model of DVB-T2 system path providing possibility of quantitative and qualitative estimation of technical operational quality in condition of quadrature impairments and AWGN is implemented in Matlab/ Simulink mathematical modelling environment. As a result quantitative and qualitative estimations of DVB-T rand DVB-T2 performance in condition of combined influence of quadrature impairments, i.e. I/Q amplitude and phase imbalance, and AWGN, with definition of threshold levels of impairments are provided for the first time. Moreover in-depth analysis of influence of configuration choice of DVB-T/DVB-T2 systems on acceptable impairment level during appearing of I/Q amplitude and phase imbalance and AWGN are carried out. Derived values can be used for such impairment level fixing and control during technical maintenance, certification tests and starting-up/adjustment work
Keywords: DVB-T/DVB-T2, quadrature distortion measurements, technical quality, Matlab
