Erhöhung der Datenkapazität bei DAB durch hierarchische Modulation

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1 Erhöhung er Datenkapazität bei DAB urch hierarchische Moulation Michael J. Ruf Robert Bosch GmbH, FV/SLM, P.O. Box Hilesheim, Germany Übersicht Der mobile Multimeiaempfang wir in Zukunft an Beeutung gewinnen. Zur Datenübertragung in schnellfahrene Fahrzeuge (Zug, Pkw) muß ein zuverlässiges igitales Übertragungsverfahren wie DAB/DMB (Digital Auio/Multimeia Broacasting) mit einer Banbreite von 2 MHz verwenet weren. Um ie Datenrate für portable oer stationäre Empfänger zu erhöhen (Einsparen er Frequenzen, Leistung, etc.) kann eine hierarchische Übertragung verwenet weren. Dabei wir, zusammen mit em ausgestrahlten Multimeia- Signal für en mobilen Empfänger, ein portabler oer stationärer Empfänger mit einem zusätzlichen Daten- Signal versorgt. Dieses Papier stellt ein mit em bisherigen DAB/DMB-System kompatibles Verfahren vor, mit em ein mobiler Empfänger ie konventionelle Datenkapazität (low layer, LL), er stationäre Empfänger jeoch ein zusätzliches Signal (high layer, HL) empfangen kann. Ein portabler Empfänger kann je nach Empfangsbeingungen ein LL- oer as HL-Signal zusätzlich empfangen. Das System basiert auf DAB/DMB mit einer zusätzlichen Amplituen-Moulation (AM) er einzelnen DQPSK-Symbole, welche nur eine geringfügige Erhöhung er Komplexität beeutet. Durch ie hierarchische Übertragung erhält man eine hohe Flexibilität in er Auslegung es Versorgungsgebietes (mobil, portabel, stationär) un eine Empfängerkomplexität entsprechen er Empfangsqualität. Dieser Systemvorschlag erlaubt ie Übertragung eines 1209 kbit/s-netto-datenstroms an einen mobilen Teilnehmer (LL: R c =4/7) un eines 2890 kbit/s-netto-datenstroms an einen stationären Teilnehmer (HL: R c =4/5). Diese Arbeit entstan innerhalb es BMBF- Forschungsprojektes "DAB: Erweiterung es Systems für Mehrwertienste" (Kennzeichen 01 BK 504/0). 1 Einleitung Der DAB-Stanar [1] bietet ie Möglichkeit, 5 bis 6 Stereoprogramme in CD-Qualität mobil empfangbar zu übertragen. Dies ist aber nur eine Möglichkeit von vielen: DAB/DMB (Digital Auio/Multimeia Broacasting) kann als transparentes Transportmeium für beliebige Datenkanäle angesehen weren [2]. Die Gesamtkapazität ist hinreichen groß, so aß auch anere Datenienste wie Text, Sprache, Bil oer eine Vieoübertragung möglich wir [3]. Die Empfinlichkeit es Datenstroms gegenüber Bitfehlern macht es erforerlich, zusätzlich zu em bei DAB/DMB vorgesehenen Faltungscoe einen Henrik Schulze Universität-Gesamthochschule Paerborn Abteilung Meschee Linenstr. 53, Meschee, Germany Schulze@meschee.uni-paerborn.e Ree-Solomon-Coe zu verwenen. Die bei DAB maximal mögliche Nettoatenrate liegt bei ca. 1,8 Mbit/s. Hierfür ist jeoch er Fehlerschutz so schwach, aß ein Mobilempfang nicht oer nur unter besoneren Voraussetzungen (z.b. bei Sicht zum Sener) möglich ist. Realistischer sin Datenraten von etwa Mbit/s, bei enen mehr Kapazität für einen effizienteren Fehlerschutz zur Verfügung steht. Bei schnellem Mobilempfang (Zug, privater Pkw), wo in er Regel Multimeia-Terminals nur relativ kleine -15 cm Displays verwenen, reicht iese Datenrate auch für Vieo-Anwenungen vollkommen aus. Weitere Verbesserungen bei er Vieokompression un -Coierung zeigen bei en bei MPEG-4 vorgesehenen Datenraten es Broacast-Profiles (1-6 Mbit/s) eine Halbierung er Datenrate bei gleichbleibener Qualität im Vergleich zu MPEG-2. Weiterhin wuren Vorschläge [4] bei MPEG-4 eingebracht, ie eine weitere Verringerung er Datenrate bei gleichbleibener Qualität erlauben. Für stationäre Empfänger (mit größeren Displays für Multimeia- Anwenungen), wäre ie Möglichkeit wünschenswert, insgesamt einen größeren Datenstrom zu übertragen. Davon sollen aber nur ca Mbit/s mobil empfangbar sein, währen er Rest es Datenstromes (zusätzliche Auio Programme, Daten oer ein Vieozusatzsignal für eine erhöhte Auflösung bei Anwenung von Scalability bei er Quellcoierung) einem stationären Gerät bei besseren Empfangsbeingungen (z.b. urch Richtantenne) zur Verfügung steht. Für ie Übertragung läßt sich ie gewünschte Eigenschaft urch hierarchische Moulation [5] erreichen: Für unterschieliche Teile es Datenstromes weren unterschieliche Abstäne in er Signalkonstellation implementiert. Bei DAB ist ies bisher nicht vorgesehen. Das vorgestellte Systemkonzept erlaubt eine zu em bisherigen DAB-System kompatible hierarchische Moulation, so aß ein konventioneller DAB/DMB-Empfänger weiter funktioniert. Dies wir urch eine zusätzliche Amplituenmoulation (AM) erreicht. Dieses Papier glieert sich wie folgt: In Kapitel 2 wir zunächst as Systemkonzept für ie hierarchische Übertragung vorgestellt. Kapitel 3 gibt eine generelle Betrachtung zu en bei mobilem Multimeiaempfang nötigen Bitfehlerwahrscheinlichkeiten un gibt ie für as beschriebene hierarchische Konzept gültigen Parametersätze (Datenraten, etc.) an. Kapitel 4 un 5 geben eine theoretische Beschreibung er Bitfehlerraten für en mobilen bzw. stationären Empfang sowie Simulationsergebnisse an. Abschließen gibt Kapitel 6 eine Zusammenfassung un einen Ausblick. 2. Systemkonzept für hierarchische Übertragung

2 2.1. Systemkonzept Das vorgestellte Systemkonzept basiert auf er bei DAB verweneten DQPSK, wobei für ie hierarchische Übertragung eine zusätzliche AM verwenet wir. Damit können wesentliche Teile es DAB-Systems beibehalten weren. Der von DAB übertragene Datenstrom soll urch einen äußeren Ree-Solomon- (RS-) Coe zusätzlich geschützt weren, um ie für Multimeia-Übertragung geforerte, sehr nierige Bitfehlerrate zu erreichen. In [6] wir z.b. für Vieo-Anwenungen, in Anlehnung an DVB-T [7], er t=8 Bytefehler korrigierene, von (255,239) auf (204,188) verkürzte RS-Coe mit relativ wenig Reunanz (R=0.92) vorgeschlagen. Damit ist es möglich, eine Restfehlerrate nach er Faltungsecoierung von z.b. 5-4, 3-4, 2-4 auf eine extrem nierige Fehlerrate von -8, - bzw zu reuzieren. Die zusätzlichen Daten (Auio, Vieo, Daten) urchlaufen en LL/HL Multiplexer, welcher 2 Datenströme (LL, HL) generiert. Diese 2 Datenströme urchlaufen ein optionales äußeres Energy Dispersal, einen RS-Encoer sowie einen äußeren Faltungs- Interleaver. Letzterer ient azu, ie beim Empfänger nach em inneren Faltungsecoer entstehenen Bünelfehler in Einzelfehler aufzuspalten. Der LD- Datenstrom urchläuft nun DAB/DMB konform ein weiteres Energy Dispersal, en Faltungsencoer sowie einen Zeitinterleaver. Nach Service Multiplexing un Frequenzinterleaving folgt ie DQPSK-Moulation. Der HL-Datenstrom urchläuft ie ientischen Funktionsblöcke. Die Daten weren anstatt mit er DQPSK, 4-AM mouliert un schließlich mit em DQPSK-Symbol kombiniert. Somit erfahren sämtliche DQPSK-Symbole (eines OFDM-Symbols) ie gleiche Degraation urch ie zusätzliche Faing bzw. Verstärkungs-Komponente er AM. Dieses Systemkonzept benötigt nur wenige zusätzliche Einheiten un hat en Vorteil, aß as herkömmliche DMB-Signal (LL) von er zusätzlichen Moulation (abgesehen von einer geringfügigen Moulation es DQPSK-Symbole) praktisch unabhängig ist. Für en Empfänger ergibt sich ein ähnliches Szenario, bei em ie entsprechenen inversen Funktionsblöcke in umgekehrter Reihenfolge urchlaufen weren. Die Bearbeitung es LL-Datenstroms erfolgt komplett DAB/DMB-konform, so aß konventionelle DMB- Empfänger keinen Unterschie zwischen em einstufigen un em hierarchischen Signal erkennen (abgesehen vom MSC (main service channel) un einer geringfügigen Verschlechterung es Signalgeräuschleistungsverhältnisses). Der HL- Datenstrom wir nach er DQPSK-Demoulation zusammen mit einer Kanalschätzung zunächst AMemouliert. Dabei kann man sich ie Entscheierschwellen als konzentrische Kreise um en Nullpunkt in er komplexen Ebene enken. Danach weren ie Daten, ientisch zu er Vorgehensweise beim LL-Datenstrom zurückgewonnen, um schließlich als Auio, Vieo oer reine Daten vorzuliegen Zusätzliche Amplituen-Moulation Es ist bekannt, aß sich urch eine zusätzliche, höherstufige Moulationsart, ie spektrale Effizienz eines QPSK- oer DQPSK-Systems an unterschieliche Empfangsbeingungen anpassen läßt. Um kompatibel zu DAB/DMB zu bleiben, wir eine zusätzliche Amplituenmoulation pro DQPSK-Symbol verwenet. Es hanelt sich abei um ein 4-ASK Symbol Mapping mit Gleichanteil, er vom jeweiligen Moulationsgra µ abhängt. Die Symbole sin auf ie mittlere Energie Eins normiert. Die abei für QPSK bzw. "konventionelle" DQPSK mit Phasenifferenzen von 0, 90, 180, 270 resultierenen Phasensterne sin in Abbilung 1 für zwei unterschieliche Moulationsgrae argestellt. Zusätzlich ist exemplarisch as verwenete Gray-Mapping (nur 1 Bitfehler bei Fehl-Detektion um eine Amplituenstufe) eingezeichnet: Moulationsgra µ=0.5 Moulationsgra µ= Abbilung 1: Phasensterne bei QPSK/4-AM. Generell treten folgene Amplituenstufen r l =A±,A± 3 auf, wobei ein Gray-Mapping verwenet wir. Weiterhin kann man en Faktor α=a/ efinieren, welcher en Gleichanteil bezogen auf ie halbe Distanz (zwischen zwei Symbolen) innerhalb er Signalkonstellation angibt. Schließlich ergibt sich er Moulationsgra zu µ=3/α. Wesentlich für ie Leistungsfähigkeit es Systems sowie für en Trae-Off von mobiler un stationärer Empfangsleistung ist er verwenete Moulationsgra µ. Für en Fall µ=0 ergibt sich ie konventionelle DQPSK ohne zusätzlich Kapazität für en HL-Datenstrom. Die LL-Daten erfahren jeoch keinerlei Verschlechterung (keine AM). Wenn er Moulationsgra µ von Null verschieen ist, steht eine zusätzliche Übertragungskapazität zur Verfügung, ie brutto genauso groß ist wie ie ursprünglich vorhanene, a ie Amplituenmoulation wie ie Phasenmoulation vierstufig ist. Nähert sich er Moulationsgra µ immer mehr em Maximum µ=1, so erreicht ie Verschlechterung er DQPSK urch ie zunehmene "Aufweitung" es Symbols ihr Maximum. Gleichzeitig weren ie Distanzen er verschieenen 2

3 Amplituenstufen größer,.h., er zusätzliche Datenstrom wir immer sicherer empfangen. Die Realität stellt jeoch anere Ansprüche an ie Festlegung es Moulationsinex. Die mobilen Empfangsmöglichkeiten sollen nicht oer nur geringfügig verschlechtert weren, bei gleichzeitig noch vertretbaren stationären Empfangseigenschaften,.h., er Moulationsinex wir so klein wie möglich gewählt weren. 3. Parametersätze für DAB Durch ein hierarchisches Moulationsverfahren ergibt sich in iesem Fall ie oppelte Übertragungskapazität. Dabei ist jeoch zu beachten, aß für ie unterschielichen Layer, je nach gewünschtem Versorgungsgebiet auch eine unterschieliche Kanalcoierung verwenet weren kann. So kann es z.b. sein, aß er untere Layer (für Mobilempfang) stärker geschützt sein muß als er obere Layer (für portablen bzw. stationären Empfang), womit sich für en Gesamtatenstrom eine mehr als oppelt so große Datenrate wie für en LL-Datenstrom ergibt. Tabelle 1 zeigt ie bei Multimeia-Übertragung prinzipiell möglichen Datenraten, falls man einen gleichgewichtigen Fehlerschutz (EEP, equal error protection) mit en bei DAB/DMB spezifizierten EEP-Profilen un einen äußeren RS-Coe (204,188) vorsieht. EEP wir bei er Multimeiaübertragung gewählt, a Daten oer z.b. nach MPEG coierte Vieoaten im Gegensatz zu en Auioaten keine sich in sehr kurzen Abstänen wieerholene, gleichbleibene Rahmenstruktur aufweisen, bei er sich wichtige un unwichtige Teile genau lokalisieren lassen, also UEP (unequal error protection) mit Vorteil verwenet weren kann. Max. Netto- Datenrate (kbit/s) Max. Datenrate vor Faltungscoierung (n 8 kbit/s bzw. m 32 kbit/s) Faltungs coerate (Profil P) Brutto Datenrate, kbit/s Gesamt- Coerate k (72 8k) 1/4 (1A) k (8 8k) 3/8 (2A) k (32 32k) 4/9 (1B) k (144 8k) 1/2 (3A) k (41 32k) 4/7 (2B) k (48 32k) 2/3 (3B) k (216 8k) 3/4 (4A) k (57 32k) 4/5 (4B) Tabelle 1: Bei DAB/DMB mögliche Datenraten [kbit/s] bei Verwenung er möglichen EEP-Profile un einem zusätzlichen äußeren Fehlerschutz, RS(204,188). 4 Bitfehlerraten er unteren Stufe bei Mobilempfang Um Aussagen zu en Bitfehlerraten er unteren Stufe bei Mobilemfang machen zu können, soll zunächst eine Auswahl an praktischen EEP-Profilen für ie Multimeia-Übertragung erfolgen. Für ie Fehlerraten er RCPC-Coes mit ifferentieller 4- PSK im nicht-frequenzselektiven Rayleigh-Kanal sin analytische obere Schranken bekannt [8], ie für Bitfehlerraten unterhalb von etwa -2 gute Näherungen arstellen. Solange keine Echos auftreten, ie länger sin als as OFDM-Schutzintervall, sin ies auch gute Näherungen für as DAB-System [9]. Abbilung 2 zeigt für ie Symbolauer es DAB Transmission Moe II un en nicht-frequenzselektiven Rayleigh-Kanal bei 40 Hz Dopplerfrequenz ie Bitfehlerkurven für ie 8 EEP Protection Profiles. Bei Ban III/L-Ban-Übertragung bei 215 MHz/1.5 GHz entsprechen iese Dopplerfrequenzen Geschwinigkeiten von 201/29 km/h. Als Dopplerspektrum wure as mit er isotropen Leistungsverteilung angenommen DAB Protection Error Protection Profiles (tight upper bouns) 2A (3/8) 1A (1/4) 1B (4/9) 3B (8/12) 2B (8/14) 4B (8/) 3A (1/2) 4A (3/4) (uncoiert) 4O Hz Doppler, TM II SNR [B] Abbilung 2: Bitfehlerraten (analytische obere Schranken) für ie EEP Protection Profiles im Rayleigh- Kanal für DAB Transmission Moe II (Ts=312 µs). An iesem Diagramm zeigt sich eutlich, aß man für ie Multimeiaübertragung as Protection Profile 3A (1/2) oer auch 2B (4/7) wählen sollte, wenn man eine von 6-4 nach Viterbi-Decoierung verlangt. Alle Protection Profiles mit Coeraten <1/2 ergeben auf Kosten einer geringeren Datenkapazität einen eutlich besseren Schutz als zur Zeit für as Auio- Versorgungsgebiet benötigt wir (SNR ca B []). Im Gegensatz azu erlauben ie Protection Profiles mit R>4/7 zwar eine höhere übertragbare Datenrate, jeoch wir afür as Versorgungsgebiet mehr oer weniger stark eingeschränkt. Im übrigen weren bei DAB alle Bitfehlerkurven wegen es Schutzintervalles um 1 B im Es/No bzw. Eb/No schlechter. Die Es/No-Kurven bleiben jeoch richtig, wenn man Es/No urch C/N ersetzt [11]. Zur Ermittlung er bei einer hierarchischen Übertragung eintretenen Degraationen er DQPSK-Performance urch ie zusätzliche Amplituenmoulation ist as DAB-System im Rayleigh-Kanal simuliert woren. Es wure Protection Profile 3A für Daten, (.h. R=1/2) verwenet (Simulationen zu aneren Protection Profiles (2B (R=4/7) un 2C (R=2/3)) zeigten Degraationen in 3

4 ähnlichen Größenornungen). Simuliert wure Transmission Moe II bei 40 Hz Dopplerfrequenz un em Echoprofil DAB Hilly Terrain 2. Abbilung 3 zeigt ie Resultate für ie Moulationsgrae µ=0, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6. Mit einem geringen Moulationsgra fallen ie Verluste urch ie zusätzliche AM sehr moerat aus. So ergibt sich für µ=0.3 (0.5) nur ein Verlust von 1 B (2.5 B) Simulation DAB mit zusätzlicher AM Moulationsgra µ= Doppler/Hz=40 Echomuster:../ECHOS/ab_ht2.at Es/No [B] Abbilung 3: Bitfehlerkurven es DAB-Systems (DQPSK, R c =1/2) mit zusätzlicher AM. Um ie Verschlechterung für en mobilen Empfang so gering wie möglich zu halten (bei gleichzeitig akzeptablen portablen/stationären Empfangseigenschaften, siehe Abschnitt 5), wir im folgenen nur noch er Moulationsgra µ=0.3 betrachtet. Ganz allgemein ist ie Degraationen urch ie zusätzliche AM sehr gering. Anschaulich läßt sich ies aurch verstehen, aß ie Amplituenmoulation eine Art zusätzliches Faing bewirkt. Man kann sich ebenso vorstellen, aß ein gewisser Teil er Daten (kleine Amplituen) teilweise punktiert wir. All ies trägt azu bei, aß bei einem coierten System geringere Verluste auftreten als im uncoierten Fall. 5 Bitfehlerraten er oberen Stufe bei stationärem Empfang In iesem Abschnitt sollen für unterschieliche Kanäle (AWGN, Rice un Rayleigh), ie Bitfehlerwahrscheinlichkeiten für ie obere Stufe (amplituenmoulierte Bits) betrachtet weren Bitfehlerraten für ie Amplituenmoulation im Gaußkanal Die Bitfehlerraten P b sollen anhan einer "Union Boun" P b = c P, (1) = free abgeschätzt weren. Dabei ist free ie freie Distanz es Faltungscoes. Die Fehlerkoeffizienten c hängen nur vom Coe ab un sin für ie bei DAB verweneten Coes tabelliert. Sie berücksichtigen, wieviele Coewörter es bei er Distanz zum geseneten Coewort gibt un in wievielen Nutzbits sich iese avon unterscheien. P ist ie Fehlerereigniswahrscheinlichkeit für eine Fehlentscheiung auf ein Coewort bei er Distanz zum Geseneten. Diese Größe hängt vom Moulationsverfahren un em Übertragungskanal ab. P ist ientisch mit er Bitfehlerwahrscheinlichkeit für - fach Diversity. Zur weitere Betrachtung wir avon ausgegangen, aß MSB un LSB in einen gemeinsamen Datenstrom übertragen weren. Um iesen Fall exakt zu behaneln, müßten ie eukliischen Distanzen bei jeem möglichen Fehlerereignis berücksichtigt weren,.h. ie Beziehung zwischen Coestruktur un Symbol Mapping. Aners als bei Ungerböck-Coes ist hier nichts optimiert un es kann eine mehr oer weniger günstige oer ungünstige Kombination vorliegen. Es soll hier nicht versucht weren, erartige Analysen vorzunehmen. Es wir so getan, als wäre ie Beziehung zwischen Coierung un Symbol Mapping völlig zufällig. Dies könnte man sich urch einen zwischengeschalteten Pseuozufalls- Interleaver realisiert enken. Die folgenen Überlegungen nehmen einen solchen Interleaver an. Intuitiv ist zu vermuten, aß sich nicht viel änert, wenn man ihn wegläßt. Aufgrun er Annahme wir jees coierte Bit gleichwahrscheinlich un statistisch unabhängig von allen aneren auf ein MSB oer LSB abgebilet un für as MSB treten beie Amplituenstufen gleich wahrscheinlich auf. Die jeweilige Abbilung für ein coiertes Bit ist statistisch unabhängig von allen aneren. Dann tritt ie kleinere Distanz insgesamt mit Wahrscheinlichkeit 3/4 auf un ie größere mit er Wahrscheinlichkeit 1/4. Mit elementaren Überlegungen er Wahrscheinlichkeitsrechnung gelangt man ann zu er Formel e e ( e) P = e e erfc. (2) N = Simulationsergebnisse für en Gaußkanal Um ie berechneten Union-Boun-Kurven mit er Simulation zu vergleichen, muß ie urch en Gleichanteil bewirkte Verschiebung es Störabstanes urchgeführt weren. Der Vergleich er Theorie mit er Simulation ist für Coerate 8/12 un 8/ in Abbilung 4 gezeigt. Die Übereinstimmung ist gut. Die Genauigkeit ist für ie beien simulierten Coeraten unterschielich. Dies läßt sich arauf zurückführen, aß ie Voraussetzungen er obigen Moellannahme für verschieene Coes unterschielich gut erfüllt sin. Insgesamt ergibt sich amit in etwa ein Einsatzpunkt von 21 B (R c =8/12) un 22.5 B (R c =8/), wenn man eine Bitfehlerrate von ca. 6-4 vor RS-Decoierung annimmt. 4

5 a.at 70408a.at c.at Uncoiert (Chernoff Boun) uncoiert -2 Uncoiert -3 R=8/12 R=8/ -3 R=8/ µ= C/N [B] Abbilung 4: Vergleich er simulierten Kurven mit en theoretischen für µ=0.3 un R c =8/12 bzw. 8/ im Gaußkanal. 5.3 Bitfehlerraten für ie Amplituenmoulation im Faing-Kanal Mit ähnlichen Überlegungen wie bei [5] gelangt man für ie 4-ASK zu 3 1 e P A B e AB e + = 1 ( ) 3 e, (3) e= 0 wobei gilt 1+ K K A = exp( ), (4a) bzw. 1+ K K 9 B = exp( ). (4b) 9 9 K ist er Rice-Faktor,.h. er gibt as Leistungsverhältnis von irekter zur Streukomponente an. Für K=0 erhält man aus (4) ie Formeln für en Rayleigh-Kanal, für K ie Formeln für en Gaußkanal. Chernoff-Bouns sin relativ grob. Der Unterschie bei 2-ASK zwischen em Chernoff-Boun un er exakten Bitfehlerrate beträgt asymptotisch 6 B. Für coierte Übertragung ist ie Genauigkeit besser. Verwenet man ie exakte Formel für ie DAB-Coes un vergleicht mit en Chernoff-Bouns, liegen ie Fehler bei etwa 1-2 B. Die Übereinstimmung ist bei starken Coes besser als bei schwachen Simulationsergebnisse für en Rayleigh-Faing Kanal Abbilung 5 zeigt ie Chernoff-Bouns für en Rayleigh- Kanal im Vergleich zu en simulierten Kurven. Die Abweichungen liegen in er Größenornung von 1-2 B. Die Chernoff-Bouns sin zwar relativ grob, ennoch existiert hiermit bei ungefährer Kenntnis es Fehlers er Analyse neben er Simulation ein effektives Hilfsmittel, um ie Leistungsfähigkeit bei coierter Übertragung im Rayleigh un Rice-Kanal abzuschätzen un somit as Gesamtsystem auf ie gegebenen Empfangsbeingungen hin auszulegen. -5 µ= C/N [B] Abbilung 5: Chernoff-Bouns im Vergleich mit en simulierten Bitfehlerraten für en Rayleigh-Kanal un Rc=8/12. In Tabelle 2 sin schließlich ie mit en theoretischen Bitfehlerkurven (Chernoff Bouns) ermittelten erforerlichen Rauschabstäne (Arbeitspunkt bei = -4 ) für verschieene Ricefaktoren K un festen Moulationsgra µ=0.3 un Rc=8/12 tabelliert. Anstelle es Ricefaktors, er zwischen Null un Unenlich liegt, kann man auch en Anteil ρ 2 er Streuleistung an er gesamten Empfangsleistung angeben. KK [B] ρ ρ 2 SNR [B] (Rayleigh) 0-1,000 1,000 26,8 0,25-6,02 0,894 0,800 26,7 0,5-3,01 0,816 0,667 26,5 1 0,00 0,707 0,500 26,0 2 3,01 0,577 0,333 25,1 4 6,02 0,447 0,200 24,0 8 9,03 0,333 0,111 23,3 (AWGN) 0,000 0,000 22,4 Tabelle 2: Erforerlicher Störabstan als Funktion es Rice-Faktors (Rc=8/12, µ=0.3). In iesen Zahlen stecken zwei pessimistische Annahmen: Zum einen sin ie aus Chernoff Bouns ermittelten Störabstäne ca. 1-2 B zu schlecht. Zum aneren wir als erforerliche Bitfehlerrate er Einfachheit halber -4 angenommen. Bei en untersuchten Datenraten reicht für en äußeren RS-Coe eine Eingangsbitfehlerrate von etwa 6-4. Dies entspricht einer Ausgangsbitfehlerrate von ca. -7 un korresponiert mit etwa einem Fehlerereignis pro Minuten. Der Unterschie beträgt noch einmal etwa ein Dezibel. Insgesamt kann man also von ca. 2.5 B günstigeren Werten gegenüber Tabelle 3 ausgehen. Für Rice-Faktoren oberhalb von etwa 3 B reichen auch bei einem kleinen Moulationsgra von µ=0.3 un Coerate R c =8/12, Störabstäne von weniger als 25 B aus. Mit einer Richtantenne ürfte ies zu erreichen sein. 5

6 Dieser kleine Moulationsgra kann aber nur verwenet weren, wenn er Fehlerschutz nicht zu schwach ist. 6 Zusammenfassung un Ausblick Mit em vorgestellten hierarchischen Systemkonzept läßt sich eine mobile un stationäre Versorgung mit unterschielichen Datenraten (LL, HL) realisieren. Dabei weren ie unterschielichen Empfangsbeingungen (LL: mobil, Rayleigh-Kanal, geringes SNR, bzw. HL: portabel/stationär, Rice-/AWGN-Kanal, hohes SNR) ebenso wie ie unterschieliche Empfängerkomplexität (LL: mobil, gering, HL: portabel/stationär, höher) beim Design berücksichtigt. Ferner ergibt sich im Fall einer hierarchischen Quellcoierung zusätzlich er Vorteil, aß ein Fehlerereignis im HL-Datenstrom (AM-mouliert) nicht zum Ausfall es Biles führt, sonern (falls er Fehler überhaupt erkennbar ist) zu einer temporären Verringerung er Signalqualität (Graceful Degraation)). Für en mobilen Empfang scheinen ie Protection Profiles 3A (R c =1/2) un 2B (R c =8/14) vollkommen ausreichen zu sein. Sie garantieren einen Multimeia- Empfang es LL-Signals bei einem SNR von.5 bzw B (Transmission Moe 2, 40Hz Dopplerfrequenz, DAB HT II). Für en Moulationsinex µ=0.3 ergibt sich für en Empfang es HL-Signals bei Verwenung er Protection Profiles 3B (R c =8/12) un 4B (R c =8/) für einen Rice-Kanal mit K=6 B ein benötigtes SNR von 24.0 B bzw B. Die simulierten Coeraten für ie Amplituenmoulation ürften im Bereich essen liegen, was realistisch ist. Der Coe er Rate 8/12 bzw. 8/ ürfte ausreichen sein. Stärkere Coes sin wahrscheinlich nicht nötig un würen auch zu einer geringeren übertragbaren Datenrate führen. Bei schwächeren Coes wäre ie Leistungsfähigkeit zu schlecht. Die übertragbaren Netto-Datenraten (inkl. RS-Coe) für ie sinnvollen Kombinationen er Kanalcoeraten sin in Tabelle 3 aufgelistet. Coeraten (DQPSK, 4-AM) Datenrate total (DQPSK + 4-AM) (kbit/s) Datenrate mobil (DQPSK) (kbit/s) benötigtes SNR (stationär) (Rice- Kanal) benötigtes SNR (mobil) (Rayleigh- Kanal) 1/2, 8/ /2, 8/ /14, 8/ /14, 8/ Tabelle 3: Kombinationen er Kanalcoeraten, er Nettoatenraten sowie es benötigten SNRs. realisieren läßt. Der portable/stationäre Empfang bei 26.8 B kann sogar über eine Datenrate von bis zu 2890 kbit/s verfügen. Hier ließen sich z.b. zusätzliche Auio- Programme, Daten oer im Fall einer hierarchischen Vieo-Quellcoierung, ie für ein höherauflösenes TV- Signal nötigen Zusatzaten übertragen, womit in iesem Fall selbst auf großen Heimempfängern eine gute Bilqualität ermöglicht wir. 7 Literatur [1] Raio broacasting systems; Digital Auio Broacasting (DAB) to mobile, portable an fixe receivers, Final Draft, prets , January 1997, European Telecommunications Stanars Institute [2] Th. Lauterbach (Hrsg.): Digital Auio Boacasting, Franzis Verlag 1996 [3] J. Hallier, Th. Lauterbach, M. Unbehaun: Bilun Vieoübertragung über DAB - Ein erster Schritt zum Multimeia-Runfunk, ITG- Fachbericht 133 (Fachtagung Hörrunfunk) S , Mannheim 1995 [4] Muller, J. (MPEG Vieo Group), Descriptions of sprite an preiction core experiments on coing efficiency in MPEG-4 Vieo, ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 MPEG97/M2257, July 1997 [5] K. Fazel, M. J. Ruf: A Hierarchical Digital HTDV-Transmission Scheme for Terrestrial Broacasting, Globecom '93 IEEE Mini- Conference Proc., Huston, Dec [6] TF MPEG-TS transmission via DAB, Doc19rev1, internes Dokument es EUREKA DAB-Projektes [7] Digital broacasting systems for television, soun an ata services; Framing structure, channel coing an moulation for igital terrestrial television, Draft, prets , September 1996, European Telecommunications Stanars Institute [8] J. Hagenauer, N. Seshari, C.-E. W. Sunberg: The Performance of Rate Compatible Puncture Convolutional Coes for Mobile Raio, IEEE Transactions on Communications, COM-38, pp [9] P. Höher, J. Hagenauer, E. Offer, Ch. Rapp, H. Schulze: Performance of an RCPC-Coe OFDM-base Digital Auio Broacasting (DAB) System, Proc. Globecom '91, Vol.1, pp [] K. Davi, T. Benkner: Digitale Mobilfunksysteme, Teubner Verlag 1996 [11] H. Schulze, "Digital Auio Broacasting: Das Übertragungssystem im Mobilfunkkanal", Meschee Seminar, Mit em vorgestellten Systemkonzept läßt sich somit er LL-Datenstrom (1209 kbit/s) mobil bei 12 B übertragen, womit sich z.b. im Fall einer Vieoübertragung mit gebräuchlichen Quellcoierverfahren (MPEG-2) un bei mittleren Displaygrößen eine sehr gute Bilqualität 6

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