DVB-T mit Hierarchischer Modulation

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1 Bericht Nr. B 178 / 2002 DVB-T mit Hierarchischer Modulation Inhaltsangabe Hierarchische Modulation ist eine Variante des digitalen terrestrischen Fernsehens DVB-T, die in der bisherigen Planung noch relativ wenig Beachtung gefunden hat. Sie erlaubt die Übertragung zweier unabhängiger DVB-T- Multiplexe auf einer Frequenz mit unterschiedlicher Übertragungsqualität (High Priority, Low Priority). Hierarchische Modulation ermöglicht höhere Gesamtversorgungspotentiale als Nicht-Hierarchische. Der High- Priority-Multiplex mit höherer Qualität kann besonders für Portable Indoor- und mobilen Empfang genutzt werden. Anhand von konkreten Beispielen wird gezeigt, dass Hierarchische Modulation in realistischen Fällen die bessere Alternative sein kann. München, den Verfasser Verteiler PTKO ARD/ZDF/DLR/ORF/SRG Arbeitsgruppe Rundfunkversorgung Leiter Hörfunkbetrieb Leiter Sendebetrieb AKO A. Schertz Dr. Ch. Weck INSTITUT FÜR RUNDFUNKTECHNIK GMBH Dr. H. Wilkens Direktor und Sprecher der Geschäftsleitung

2 1. Einleitung In der Spezifikation des terrestrischen digitalen Fernsehens DVB-T, die zahlreiche Varianten für unterschiedliche Anforderungen bereitstellt, ist neben den "konventionellen" Modulationsverfahren (QPSK, 16- oder 64-QAM) die Hierarchische Modulation als eine Alternative vorgesehen, die zusätzliche Möglichkeiten zur Realisierung von Versorgungskonzepten bietet. Es können zwei unabhängige DVB-T-Multiplexe auf einer Frequenz abgestrahlt werden. Und dieser Vorteil kostet wenig, nämlich nur den geringen Overhead, der für den zweiten MPEG-Transportstrom erforderlich ist. Dennoch wurde dieser Variante bisher noch verhältnismäßig wenig Aufmerksamkeit zuteil, vielleicht wegen der höheren Komplexität der DVB- T-Planung durch einen weiteren Freiheitsgrad bei der Parameterwahl. Deshalb soll im Folgenden nach einer Darstellung des Prinzips der Hierarchischen Modulation an einigen Beispielen gezeigt werden, welche Möglichkeiten das Verfahren bietet. Es wird diskutiert, welche Vor- und Nachteile bei der Versorgung durch Einzelsender für den portablen, mobilen und stationären Empfang zu erwarten sind, welche Möglichkeiten sich für lokale und flächendeckende DVB-T-Dienste ergeben und wie sich die Eigeninterferenz im Gleichwellennetz bei Hierarchischer Modulation auswirkt. 2. Prinzipien von DVB-T und Hierarchischer Modulation 2.1 Parameter von DVB-T Der DVB-T-Standard (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) definiert ein Verfahren zur terrestrischen Übertragung MPEG-2-kodierter Fernsehsignale, das den Eigenheiten des terrestrischen Übertragungskanals (z. B. Mehrwegeproblematik) angepasst ist. Grundlage ist die Modulationstechnik COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) mit Tausenden von schmalbandigen, zueinander orthogonalen Trägern. Zur Anpassung an die konkreten Bedingungen des Übertragungskanals sind mehrere Parameter wählbar: die Coderate (Verhältnis von Datenrate der Nutzbits zu der Gesamtdatenrate: 1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8). Je höher die Coderate gewählt wird, um so höher ist die zur Verfügung stehende Nutz-Datenrate, um so schlechter ist aber der Fehlerschutz, um so geringer somit der Versorgungsradius bzw. die Versorgungsqualität. das Verfahren zur Trägermodulation: 4-PSK (Quadratur-Phasenmodulation), 16-QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation mit zwei 4-stufigen Eingangssignalen) oder 64-QAM (QAM mit zwei 8-stufigen Eingangssignalen). Je höherstufig das Verfahren ist, um so höher ist die übertragbare Datenrate, um so störanfälliger ist aber auch die Übertragung (da der Abstand zwischen den zulässigen Zuständen im Phasenraum um so geringer ist), um so kleiner ist dementsprechend der Versorgungsradius. die Länge des Guard-Intervalls (zeitliche Verlängerung der Ausstrahlung eines COFDM-Symbols, um einen Sicherheitsabstand zu dem Folgesymbol zu gewährleisten); möglicher Anteil dieses Intervalls am Gesamtintervall pro Symbol: 1/4; 1/8; 1/16; 1/32). Je größer das Guard-Intervall ist, um so geringer sind Störungen durch Mehrwegeausbreitung und um so schwächer ist die Eigeninterferenz bei Verwendung mehrerer Sender in einem Gleichwellennetz, um so weniger Nutzbits können aber übertragen werden. die Zahl der Träger (2k-Modus: 1705, 8k-Modus: 6817 Nutz- Träger) Hierarchische oder Nicht-Hierarchische Modulation; falls Hierarchische Modulation gewählt wird, muss man sich noch für den Wert des Modulationsparameters α entscheiden (1: gleichförmige Modulation; 2 oder 4: ungleichförmige Modulation) (siehe 2.2). 2.2 Prinzip der Hierarchischen Modulation Das Prinzip der Hierarchischen Modulation soll hier am Beispiel der 64-QAM-Modulation erläutert werden. Bild 1 zeigt das sogenannte Konstellationsdiagramm dieses Modulationsverfahrens, in dem jeder zulässige digitale Zustand durch einen Punkt in der komplexen Ebene (Amplitude, Phase) wiedergegeben wird. Da 8 x 8 verschiedene Zustände definiert sind, können die 64 möglichen Werte von 6 Bit damit übertragen werden. Bild 1 zeigt die im DVB-T-System getroffene Zuordnung der binären Zahlenwerte zu den definierten Zuständen. Dementsprechend gibt es bei 16-QAM- Modulation nur 4 x 4 verschiedene Zustände (4 Bit), bei 4-PSK schließlich 2 x 2 Zustände (2 Bit). Bei Hierarchischer Modulation werden die möglichen Zustände anders interpretiert als im Nicht- Hierarchischen Fall. Die Lage eines Zustands innerhalb seines Quadranten wird als eine gesonderte Information angesehen. Die andere Information ist die Nummer des Quadranten, in dem sich der Zustand befindet (1, 2, 3 oder 4). Damit stehen zwei getrennte Datenströme zur Übertragung zur Verfügung. Formal hat man es Seite 2

3 immer noch mit 64-QAM-Modulation zu tun, in der hierarchischen Interpretation ist sie aber als Kombination einer 16-stufigen Modulation (wie bei 16-QAM nur vier mal vier Zustände innerhalb eines Quadranten) und einer 4-PSK- Modulation (zwei mal zwei mögliche Positionen des Quadranten) zu verstehen. Man spricht von "4-PSK in 64-QAM". Die Bitraten der beiden Teilströme ergeben zusammen die Bitrate des 64-QAM-Stroms. Das Blockdiagramm von Bild 2 zeigt, wie bei Hierarchischer Modulation, bei der die gestrichelt gezeichneten Blöcke hinzukommen, der ankommende Transportstrom in zwei vollständig getrennte MPEG-Transportströme gewandelt wird. Welchen Preis zahlt man nun für diese Aufspaltung? Würde man zwei Datenströme mit entsprechenden Bitraten getrennt realisieren, hätte man für die 16 Zustände des 16-QAM-Stroms alle vier Quadranten zur Verfügung. Der Abstand der Zustände wäre also größer, sie wären besser Bild 1: Konstellationsdiagramm für 64-QAM-Modulation (mit α = 2 für Hierarchische Modulation) unterscheidbar und daher wäre das erforderliche Signal-Rausch- Verhältnis für den Empfang geringer. Ebenso verhält es sich mit dem 4-PSK-Strom. Die Abstände der Zustände, die durch ihre Lage in einem der Quadranten die 4-PSK- Information angeben, variieren, so dass sie für 4-PSK in 64-QAM etwas schlechter zu unterscheiden sind als bei 4-PSK alleine. Der Vorteil des Verfahrens besteht aber darin, dass man innerhalb eines Frequenzkanals zwei Datenströme mit unterschiedlichen Modulationseigenschaften zur Ver- Bild 2: Blockdiagramm für DVB-T-System mit Hierarchischer Modulation Seite 3

4 fügung hat. Angemessen ist deshalb in diesem Fall der Vergleich der Hierarchischen Modulation mit einer 64-QAM bei der Nicht- Hierarchischen Modulation. Am Abstand der Zustände in dem 64- QAM-Schema von Bild 1 ändert sich ja nichts, wenn man die Zustände innerhalb eines Blocks als mögliche Zustände einer 16- stufigen Modulation interpretiert. Die Störempfindlichkeit ist bei der Hierarchischen Modulation für diesen Teilstrom deshalb nur unwesentlich größer (wegen des etwas geringeren Codierungsgewinns bei dem Fehlerschutz) als dies für die 64-QAM-Modulation der Fall ist. Die Störempfindlichkeit des 4-PSK-Datenstroms im Rahmen der Hierarchischen Modulation ist dagegen wesentlich geringer als diejenige des 64- QAM-Datenstroms bei Nicht-Hierarchischer (und auch bei Hierarchischer) Modulation, weil die Verwechslung der Zugehörigkeit eines Zustands zu einem Quadranten weniger wahrscheinlich ist als die Verwechslung zweier beliebiger Zustände. Wenn ein Zustand mit irgend einem anderen im selben Quadranten verwechselt wird, ist die Quadranten-Information ja immer noch korrekt. identisch mit der Datenrate bei Nicht-Hierarchischer Modulation. Die Netto-Datenrate wird aber etwas geringer ausfallen, weil wegen der beiden Multiplexe bei Hierarchischer Modulation zweimal der MPEG-TS-Overhead anfällt. 2.3 High und Low Priority Stream (Abkürzungen: HP, LP) Wie gerade dargestellt, sind die Datenströme der Hierarchischen Modulation unterschiedlich störanfällig. Anders ausgedrückt: die versorgten Sendegebiete sind unterschiedlich groß. Den besser geschützten Datenstrom bezeichnet man als High Priority (HP) Stream, den anderen als Low Priority (LP) Stream. Gegenüber der Nicht-Hierarchischen Modulation kann man mit dem Datenstrom mit niedrigerer Datenrate der Hierarchischen Modulation ein größeres Gebiet versorgen, während für den Datenstrom mit höherer Datenrate das Versorgungsgebiet nur unwesentlich kleiner wird als bei der entsprechenden nichthierarchischen Variante. Diese Aufteilung alleine kann schon von praktischem Nutzen sein. Man kann nun durch Änderung des Modulationsparameters α auch das Versorgungsgebiet des HP- auf Kosten des LP-Streams noch weiter ausdehnen. Dies ist bei dem durch Bild 1 beschriebenen Konstellationsdiagramm der Fall. Benachbarte Punkte, die in angrenzenden Quadranten liegen, haben hier nämlich den doppelten räumlichen Abstand wie Nachbarn innerhalb eines Quadranten (Modulationsparameter α=2). Sie können also bei gestörtem Empfang weniger leicht verwechselt werden. Die ersten beiden Bits kennzeichnen in dem Schema von Bild 1 den Quadranten. Somit werden diese Bits sicherer übertragen als die anderen vier. Mit α=4 wäre der Schutz der 2 vorderen Bits noch besser. Auf der anderen Seite nimmt durch die Verringerung des Abstands der Zustände innerhalb eines Quadranten die Sicherheit der Unterscheidung zwischen den Zuständen bei der Dekodierung ab. Die Verbesserung des Schutzes für jeweils 2 Bits geht also auf Kosten der 4 anderen. Bei α=4 ist der Abstand zwischen den Schutzniveaus entsprechend größer als bei α=2. Die in der angegebenen Man bekommt also bei der Hierarchischen Modulation im Vergleich zur Nicht-Hierarchischen Modulation für einen Kanal zusätzlich zur Aufspaltung in zwei unabhängige Datenströme in der Tat etwas "geschenkt": ein Datenstrom (der mit der geringeren Datenrate) ist weniger störanfällig als es der Datenstrom bei Nicht-Hierarchischer Modulation wäre, ohne dass dafür bei der Hierarchischen Modulation der Datenstrom mit der höheren Datenrate merklich weniger robust wäre als der Datenstrom des Nicht-Hierarchischen Falls. Dabei ist die Summe der Datenraten der beiden Datenströme der Hierarchischen Modulation Bild 3: Systemverhalten für Low- und High- Priority Streams bei Hierarchischer Modulation (α=2; High Priority: 4-PSK, Coderate: 2/3; Low Priority: 16 QAM, Coderate: 3/4) Seite 4

5 Weise besonders geschützten Bits des High Priority Streams können zusätzlich mit einem höheren Fehlerschutz als die des Low Priority Streams übertragen werden, also mit niedrigerer Coderate (z.b. 1/2 oder 2/3). Dies kann z. B. für mobilen Empfang erforderlich sein (siehe 3.3). Zusammen können diese Maßnahmen dazu führen, dass beim High Priority Stream ein wesentlich niedrigeres C/N (Carrier to Noise) -Verhältnis erforderlich ist als beim Low Priority Stream, um die gleiche Fehlerrate (BER = Bit Error Rate) zu erreichen, wie Bild 3 zeigt. Zur Beschreibung einer Hierarchischen Modulation sind also drei Parameter erforderlich: α und die Coderates für den HP (High Priority) - und den LP (Low Priority) Stream. 2.4 Nutzen der Hierarchischen Modulation Ursprünglich gab es Überlegungen, das Prinzip der Aufspaltung eines Datenstroms in zwei Teile mit unterschiedlicher Datenrate und unterschiedlicher Störempfindlichkeit auch auf die Quellenkodierung anzuwenden (Hierarchische Quellenkodierung). Man wollte damit einem Grundproblem der digitalen Übertragung begegnen, nämlich dem abrupten Ausfall des Empfangs, wenn eine kritische Feldstärke unterschritten wird. Wenn man bei der MPEG-Quellencodierung eine grobe und eine feine Auflösung in zwei Datenströme aufteilen würde (SNR- Scalability), würde bei entsprechender Hierarchischer Modulation bei abnehmender Feldstärke am Empfangsort der Empfang nicht mit einem Schlag ausfallen, sondern zunächst würde sich die Auflösung der Quellcodierung um eine Stufe verringern. Diese Möglichkeit wurde aber im DVB-T- Standard nicht realisiert, weil dies den Hardware-Aufwand für den Quellendecodierer im Empfänger erhöht hätte. Im Standard enthalten ist dagegen die übertragungsseitige Anwendung des Prinzips, eben die Hierarchische Modulation, die keinen zusätzlichen Hardware-Aufwand im Empfänger verursacht und bei der die unterschiedlich robusten Konstellationen zur Übertragung verschiedener Programm-Multiplexe mit ungleicher Priorität (High Priority, Low Priority ) über einen Frequenzkanal genutzt werden. Die Bilder 4 und 5 zeigen die entsprechenden Alternativen, die der DVB-T-Standard somit zur Verfügung stellt: 4-PSK und 16- QAM über zwei getrennte TV- Kanäle (bei Nicht-Hierarchischer Modulation) oder 4-PSK in 64- QAM über einen einzigen Kanal (bei Hierarchischer Modulation). Wie oben dargestellt, sind bei Hierarchischer Modulation die Versorgungsgebiete für die beiden Programm-Multiplexe wegen der verschiedenen Störanfälligkeit schon bei α=1 (gleichförmige Modulation) unterschiedlich groß: für den LP-Datenstrom etwa so groß wie bei Nicht-Hierarchischer Modulation, für den HP-Datenstrom dagegen größer. Das HP-Versorgungsgebiet lässt sich auf Kosten des LP-Gebiets noch vergrößern, wenn dies gewünscht wird. Natürlich sind unterschiedlich große Versorgungsgebiete für die von einem Sender abgestrahlten Programm-Multiplexe nicht immer wünschenswert. Aber ist dies ein prinzipieller Einwand gegen Hierarchische Modulation? Es ist zu bedenken, dass auch ohne Hierarchische Modulation unterschiedliche Reichweiten unumgänglich sein können, hängt doch die Reichweite von der Frequenz (wegen der nationalen und internationalen Frequenzkoordination können DVB-T-Multiplexe auf unterschiedlichen Kanälen meist nicht mit der gleichen Sendeleistung betrieben werden), von dem gewählten Modulationsverfahren und der Coderate ab. Es empfiehlt sich also, jeweils im konkreten Fall zu prüfen, ob Hierarchische Modulation unter den gegebenen Randbedingungen nicht eine bessere Alternative ist. 2.5 Definition von Vergleichsmaßstäben Wie kann man beurteilen, ob Hierarchische oder Nicht-Hierarchische Modulation für eine konkrete Anwendung günstiger ist? Mit Hierarchischer Modulation können zwei MPEG-Multiplexe mit unterschiedlicher Datenrate und Robustheit (d.h. Versorgungsradius) auf einem Frequenzkanal ausgestrahlt werden. Knappheit an Übertragungskanälen ist also ein Argument für Hierarchische Modulation. Ob unterschiedlich große Versorgungsgebiete akzeptabel oder sogar erwünscht sind, hängt vom Einzelfall ab. Im Folgenden werden für konkrete Anwendungsfälle die Versorgung für verschiedene Möglichkeiten der Hierarchischen Modulation mit einer wichtigen Variante der Nicht-Hierarchischen Modulation (16-QAM, Coderate: 2/3) verglichen. Dafür ist ein allgemein anwendbarer Vergleichsmaßstab erforderlich. Seite 5

6 MPEG-TS MUX A MPEG-TS MUX B MPEG-TS MUX HP MPEG-TS MUX LP 2 Bit/Träger COFDM COFDM 4 Bit/Träger COFDM COFDM 2+4 Bit/Träger 4-PSK F A, P A Ch A Ch B 16-QAM F B, P B Ch A 4-PSK in 64-QAM F A, P A Ein hier verwendeter Maßstab bezieht sich auf die Bevölkerung: Nach diesem Kriterium ist das maximale Verkehrsaufkommen erreicht, wenn alle erreichbaren Nutzer alle gesendeten Daten abrufen. Der zweite Maßstab ist flächenbezogen: 4-PSK CH A 16-QAM CH B Bild 4: 4-PSK und 16-QAM getrennt über zwei TV-Kanäle mit Nicht-Hierarchischer Modulation 2 Bit/Träger 4-PSK F A, P A 4-PSK CH A 64-QAM 64QAM CH A 4 Bit/Träger LP STB STB 2 Bit/Träger HP Bild 5: 4-PSK in 64-QAM über einen TV-Kanal mit Hierarchischer Modulation Datenversorgungspotential = versorgte Bevölkerung * Datenrate [Nutzer * Mbit/s] Datenversorgungsflächenpotential = versorgte Fläche * Datenrate [km 2 * Mbit/s] Maximales Verkehrsaufkommen ist danach gegeben, wenn pro versorgter Flächeneinheit alle gesen- 1 Bei DVB-T wird zur Fehlerkorrektur Block-und Faltungskodierung verwendet. Zur "Ent-Faltung" wird im Empfänger ein Viterbi-Dekoder benutzt, auf den hier nicht näher eingegangen wird tagte im britischen Chester eine europäische Konferenz von Post- und Telekommunikationsverwaltungen, die ein Abkommen zur Umstellung von analogem Fernsehen auf DVB-T verabschiedete. deten Daten abgerufen werden. Bei Hierarchischer Modulation sind die Beiträge des HP- und des LP-Datenstroms zu addieren. Die Ergebnisse eines Systemvergleichs mit diesen Maßstäben hängen natürlich von den geographischen und demographischen Gegebenheiten ab. 3. Fallbeispiele zur Hierarchischen Modulation 3.1Versorgung durch einen Sender Für diese Untersuchung wurde die Versorgung durch den Sender Alexanderplatz in Berlin auf Kanal 27 für ein Gebiet betrachtet, das von einem Quadrat mit 120 km Seitenlänge begrenzt wird. Es wurde eine Sendeleistung von 150 KW angenommen. Drei Möglichkeiten Hierarchischer Modulation wurden mit dem Fall 16-QAM, Coderate 2/3 bei Nicht- Hierarchischer Modulation verglichen. Die Größe der versorgten Gebiete hängt von dem C/N-Wert ab, der erreicht werden muss, um eine bestimmte Bitfehlerrate nicht zu überschreiten. Die DVB-T-Spezifikation geht von einer Bitfehlerrate von 2*10-4 nach dem Viterbi- Decoder 1 aus. Auf Simulationen beruhende C/N-Werte kann man aus Tabellen in der DVB-T-Spezifikation entnehmen. Dabei ist zwischen dem C/N-Wert für stationären Empfang mit einer gerichteten Dachantenne (Rice-Kanal) und dem Empfang mit einer kleinen Stabantenne ohne Richtungspräferenz (Rayleigh-Kanal) zu unterscheiden. Tabelle 1 zeigt die theoretischen Werte, die in der Spezifikation angegeben sind, für die betrachteten Fälle. Für die Planung nach Chester 2 wurden 3-4 db Implementierungsverluste angenommen. Messungen des IRT haben allerdings gezeigt, dass diese Werte trotzdem noch optimistisch sind. Es schien aber nicht sinnvoll, für die Versorgungsrechnungen einfach die gemessenen Werte einzusetzen. Vielmehr wurde für die Referenz der Planungswert von Chester belassen und für die drei betrachteten Fälle der Hierarchischen Modulation jeweils die Differenz zwischen den gemessenen Werten für den Hierarchischen und den Nicht- Hierarchischen Fall dazu addiert: Seite 6

7 Modulation Coderate Hierarchisch (4-PSK in 64- QAM) α Priorität C/N (db) Empfang mit Dachantenne Referenz 16-QAM 2/3 nein Fall 1 64-QAM 2/3 ja 1 HP QAM 2/3 ja 1 LP Fall 2 64-QAM 2/3 ja 2 HP QAM 2/3 ja 2 LP Fall 3 64-QAM 1/2 ja 2 HP QAM 1/2 ja 2 LP C/N (db) Portable Indoor-Empfang Tabelle 1: für den Empfang erforderliche C/N-Werte für die untersuchten Fälle Nicht-Hierarchischer und Hierarchischer Modulation (theoretische Werte nach DVB-T-Spezifikation ohne Implementierungsverluste) C/N Hierar. (Versorgung)= C/N Nicht-Hierar. (Chester)+{C/N Hierar. (gemessen)- C/N Nicht-Hierar. (gemessen)} Danach waren die in Tabelle 2 angegebenen Differenzen zwischen den gemessenen Werten zu den Planungswerten der Referenz zu addieren. Damit zeigen die Untersuchungsergebnisse, was sich durch hierarchische Modulation relativ zu der nicht-hierarchischen Referenz ändert, und behalten ihre Aussagekraft, auch wenn der Bezugswert für den nicht-hierarchischen Fall geändert wird. Fall 1 Fall 2 Fall 3 Modulation (Hierarch.) Coderate α Priorität C/N (db) Empfang mit Dachantenne C/N (db) Portable Indoor- Empfang 64-QAM 2/3 1 HP QAM 2/3 1 LP QAM 2/3 2 HP QAM 2/3 2 LP QAM 1/2 2 HP QAM 1/2 2 LP Tabelle 2: Differenzen der für den Empfang erforderlichen C/N-Werte zu den entsprechenden Werten der Referenz (Nicht-Hierarchisch, 16-QAM, Coderate: 2/3) Die versorgten Gebiete zeigt Bild 6. Tabelle 3 gibt einen Überblick über die jeweils erreichte Versorgung. Fall 1: Für den HP-Multiplex ist die Portable Indoor-Versorgung unverändert, da der C/N-Wert gleich geblieben ist. Für den LP-Multiplex ist dagegen das versorgte Gebiet deutlich kleiner, da der erforderliche C/N-Wert um 8 db höher liegt. Fall 2: Setzt man α von 1 auf 2, vergrößert sich der Unterschied zwischen zwischen den HP- und LP- Versorgungsgebieten. Das HP-Gebiet ist nun größer als das Referenzgebiet (-3 db), das LP-Gebiet wesentlich kleiner (+11 db). Fall 3: Verringert man zusätzlich noch die Coderate für HP und LP, erhöht also den Fehlerschutz, wachsen beide Versorgungsgebiete. Für HP ist der Effekt kleiner als für LP (2 db weniger in einem Fall, 6 db in dem anderen), so dass sich die Versorgungsgebiete wieder annähern. Allerdings ist die Datenrate geringer als in den beiden ersten Fällen. In allen drei Fällen ist die Bevölkerung bei stationärem Empfang fast vollständig mit dem LP-Multiplex versorgt. Referenz: 16-QAM, R=2/3 D=13,27 Mb/s Fall 1: 4-PSK in 64-QAM α=1, R HP =2/3, R LP =2/3 D HP =6,64 Mb/s D LP+HP =19,91 Mb/s Fall 2: 4-PSK in 64-QAM α=2, R HP =2/3, R LP =2/3 D HP =6,64 Mb/s D LP+HP =19,91 Mb/s Fall 3: 4-PSK in 64-QAM α=2, R HP =1/2, R LP =1/2 D HP =4,98 Mb/s D LP+HP =14,93 Mb/s Wegen der unterschiedlichen Datenraten der betrachteten MPEG-2- Multiplexe (Referenz, HP, LP) erlauben diese Feststellungen alleine noch keine Schlussfolgerung, welches die beste Alternative ist. Aus den Versorgungsdaten von Tabelle 3 können aber nun die Versorgungspotentiale abgeleitet werden, die als Vergleichsmaßstab oben eingeführt wurden (2.5). Die Gesamtfläche beträgt km 2, Fläche Bevölkerung Portable Indoor 51% 90% HP Portable Indoor 51% 90% LP Portable Indoor 29% 84% LP Stationär 95% 99% HP Portable Indoor 61% 92% LP Portable Indoor 22% 79% LP Stationär 94% 99% HP Portable Indoor 67% 94% LP Portable Indoor 37% 86% LP Stationär 96% 99% Tabelle 3: Versorgung des betrachteten Gebiets (Ortswahrscheinlichkeit: 95%) Seite 7

8 Referenz: 16-QAM R=2/3 13,3 Mbit/s Weiß: Port. Indoor HP Port. Ind. LP Port. Ind. LP Stationär Fall 1: 4-PSK in 16-QAM α=1 R HP =2/3 R LP =2/3 D HP =6,64 Mb/s D LP+HP =19,91 Mb/s Fall 2: 4-PSK in 16-QAM α=2 R HP =2/3 R LP =2/3 D HP =6,64 Mb/s D LP+HP =19,91 Mb/s Fall 3: 4-PSK in 16-QAM α=2 R HP =1/2 R LP =1/2 D HP =4,98 Mb/s D LP+HP =14,93 Mb/s Bild 6: Versorgung durch Sender Alexanderplatz für Nicht-Hierarchische und Hierarchische Modulation Seite 8

9 die Gesamtbevölkerung Personen. So ergibt sich für den Referenzfall: Berlin 16-QAM Datenversorgungspotential in N*Mb/s Datenversorgungspotential= versorgte Bevölkerung * Datenrate [Nutzer * Mbit/s] = 0,90* *13.27 [Nutzer*.Mbit/s] HM Fall 1 HM Fall 2 HM Fall 3 64-QAM HP LP = [Nutzer * Mbit/s] Bild 7 gibt einen Überblick über alle Ergebnisse. Alle Fälle Hierarchischer Modulation bringen gegenüber der Referenz höhere Gesamtversorgungspotentiale. Am größten ist die Zunahme des auf die Bevölkerung bezogenen Datenversorgungspotentials im Fall 1 mit 43%. Zum Vergleich wurden auch für die Modulationsarten QPSK und 64-QAM bei Nicht- Hierarchischer Modulation mit einer Coderate von 2/3 die Versorgungspotentiale berechnet (Bild 8 Berlin 16-QAM HM Fall 1 HM Fall 2 HM Fall 3 64-QAM Datenversorgungsflächenpotential in 1000 qkm*mb/s Bild 7: Versorgungspotentiale für Referenz (16-QAM), hierarchische Modulation und 64-QAM HP LP Referenz Fall 1 Fall 2 Fall3 16-QAM, R=2/3 D=13,27 Mb/s 4-PSK in 64-QAM α=1, R HP =2/3, R LP =2/3 D HP =6,64 Mb/s D LP+HP =19,91 Mb/s 4-PSK in 64-QAM α=2, R HP =2/3, R LP =2/3 D HP =6,64 Mb/s D LP+HP =19,91 Mb/s 4-PSK in 64-QAM α=2, R HP =1/2, R LP =1/2 D HP =4,98 Mb/s D LP+HP =14,93 Mb/s zeigt die Versorgungsgebiete). Dabei wurden wie bei den Berechnungen für die Hierarchische Modulation die gemessenen Abweichungen der für den Empfang erforderlichen C/N-Werte von den theoretischen Werten berücksichtigt. Für QPSK erhält man deutlich niedrigere Versorgungspotentiale als für die Referenz 16-QAM, für 64-QAM liegt das Datenversorgungsflächenpotential um etwa 6% niedriger als bei der Referenz, das auf die Bevölkerung bezogene Datenversorgungspotential aber 42% höher, also fast so hoch wie bei Fall 1 der Hierarchischen Modulation. 3.2 Single Frequency Network (SFN) mit ausgeprägter Eigeninterferenz Als Beispiel für ein SFN wurde die Versorgung durch 18 Sender des ZDF in Norddeutschland mit (entsprechend der Chester-Vereinbarung von 1997) um 7 db herabgesetzten Sendeleistungen bei Verwendung von Kanal 40 betrachtet. Referenz war wieder 16-QAM- Modulation mit Coderate 2/3. Als Hierarchische Modulation wurde der Fall 3 von Abschnitt 3.1 angenommen (4-PSK in 64-QAM, α=2, R HP =1/2, R LP =1/2). Bild 9 zeigt die Versorgung durch das Referenzsystem. In dem roten Rahmen sind große Flächen auf Grund von Eigeninterferenz (wie der Vergleich mit der entsprechenden Versorgung durch ein MFN-Netz zeigt) nicht versorgt. Die folgenden Berechnungen beziehen sich nur auf das Gebiet innerhalb dieses Rahmens. Tabelle 4 zeigt die berechneten Versorgungswerte, Bilder 10 und 11 zeigen die daraus abgeleiteten Versorgungspotentiale. Die Gesamtfläche des Testrechtecks beträgt 8058 km 2, die Bevölkerungszahl Personen. Seite 9

10 QPSK 16-QAM 64-QAM Bild 8: Varianten Nicht-Hierarchischer Modulation mit Coderate 2/3 (Weiß: Portable-Indor-Versorgung, 95%) Seite 10

11 Referenz: 16-QAM, R=2/3 D=13,27 Mb/s Fall 3: 4-PSK in 64-QAM α=2, R HP =1/2, R LP =1/2 D HP =4,98 Mb/s D LP+HP =14,93 Mb/s (für HP + LP) Fläche Bevölkerung Portable Indoor 17% 39% HP Portable Indoor (95% der Orte) LP Portable Indoor (95% der Orte) 42% 57% 7% 29% Tabelle 4: Versorgung des betrachteten Gebiets (Ortswahrscheinlichkeit: 95%) Auch in diesem Fall ergibt sich somit durch Hierarchische Modulation eine Erhöhung der Versorgungspotentiale im Vergleich zur Nicht-Hierarchischen Referenz. 3.3 Mobiler Empfang von HP- Multiplex In einem Feldversuch hat das IRT 1999 in München den mobilen Empfang des HP-Multiplex bei Hierarchischer Modulation mit 4-PSK in 64-QAM und α=1, R HP =1/2, R LP =2/3 getestet, sozusagen eine Variante von Fall 1 aus Abschnitt 3.1 mit robusterem HP-Multiplex (Coderate 1/2 statt 2/3). Mit drei verschiedenen Empfängern der ersten Generation (BBC, ITIS und NTL/DMV) wurde der mobile Empfang für den 8k-FFT-Fall erprobt, der damals für den mobilen Empfang als extrem kritisch angesehen wurde. Bild 12 zeigt die Mindestfeldstärken für den Empfang, die bei dieser Untersuchung ermittelt wurden. SFN 16-QAM SFN HM Fall 3 Datenversorgungspotential in N*Mb/s Bild 10: Datenversorgungspotential für Referenz und Hierarchische Modulation (Fall 3) SFN 16-QAM SFN HM Fall 3 Datenversorgungsflächenpotential in 1000 qkm*mb/s Portable Indoor 5% der Zeit für die Interferenzstörung 95% der Orte 70% der Orte Bild 9: Portable Indoor-Versorgung durch ein SFN von 18 Sendern mit 16-QAM- Modulation, Coderate=2/ Bild 11: Datenversorgungsflächenpotential für Referenz und Hierarchische Modulation (Fall 3) HP LP HP LP Die gesamte Darstellung bezieht sich auf den Outdoor-Empfang. A, B und C stehen für die drei getesteten Empfänger. Horizontale Linien zeigen die Mindestfeldstärken bei unbewegtem Empfang. Auf Grund der größeren Störempfindlichkeit liegen die Mindestfeldstärken für den LP-Multiplex je nach Empfänger bis zu 14 db über denen für den HP- Multiplex. Für den mobilen Empfang kommt nur der HP-Multiplex in Frage. Die Grafik zeigt, wie für die drei Empfänger mit zunehmender Geschwindigkeit die Mindestfeldstärke für den HP-Empfang zunimmt. Bei hohen Geschwindigkeiten ( km/h) erreicht sie den Wert, der für stationären Empfang des LP-Multiplex erforderlich ist. Mit anderen Worten: bei hohen Geschwindigkeiten ist die Versorgungsfläche für mobilen Empfang von HP etwa identisch mit der Versorgungsfläche für Portable Outdoor-Empfang von LP. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass die verwendeten Empfänger nicht für den mobilen Empfang optimiert wurden und die maximale Geschwindigkeit für die 16-QAM-Referenz nach damaligen Messungen des IRT nur bei ca. 55 km/h im 8k-Mode lag (bei Ausstrahlung über Kanal 43). Seite 11

12 4. Zusammenfassung und Anwendungen von Hierarchischer Modulation Es wurde für konkrete Beispiele nachgewiesen, dass Hierarchische Modulation höhere Gesamtversorgungspotentiale ermöglicht als Nicht-Hierarchische Modulation. Durch den Einsatz dieses Verfahrens verliert der Planer also unter dem Strich nichts sondern bekommt etwas "geschenkt". Andererseits kommt Hierarchische Modulation natürlich nur in Frage, wenn die Aufspaltung in zwei Multiplexe mit unterschiedlichen Störempfindlichkeiten den gegebenen Erfordernissen entspricht. Dies ist leicht vorstellbar. Es ist denkbar, den HP- Multiplex für die Ausstrahlung von Hauptprogrammen zu nutzen (z.b. ARD, ZDF...), den LP-Multiplex für Zusatzprogramme (wie Eins MuXx, ZDF INFObox, ARD online). Die HP- Programme können portabel und mobil bis ins Umland empfangen werden, die LP-Programme eignen sich für stationären Empfang im Umland und portablen Empfang in Sendernähe. Die höhere LP-Datenrate kann für mehr Programme oder in Zukunft für High-End-Bildschirme mit höherer Auflösung genutzt werden. Input power dbm Speed km/h Bild 12: Mindestfeldstärke in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bei mobilem Empfang des HP-Multiplex von Hierarchischer Modulation Das Fazit lautet, dass in bestimmten, durchaus realistischen Fällen Hierarchische Modulation die bessere Alternative sein kann. Sie bietet zwei unabhängige Multiplexe über einen TV-Frequenzkanal (HP und LP). Die gesamte Datenrate (HP + LP) ist höher als bei Nicht-Hierarchischer Modulation mit dem Referenzsystem 16-QAM. Ein Teil der Datenrate (HP) kann besonders für Portable Indoor- und mobilen Empfang genutzt werden. Damit lassen sich sehr flexibel Versorgungskonzepte für zukünftige Anforderungen entwickeln. A: LP stationary B: LP stationary C: LP stationary A: HP mobile B: HP mobile C: HP mobile A: HP stationary B: HP stationary C: HP stationary Damit Hierarchische Modulation tatsächlich als Option für zukünftige Versorgungskonzepte den Rundfunk-Anbietern zur Verfügung steht, sollte die Empfänger-Industrie von Beginn an die entsprechenden Parameter des DVB-T-Standards in ihrer Firmware vorsehen (heute ist sie in der Bedienungssoftware der Empfänger z.t. weniger sorgfältig berücksichtigt). Die Sender-Industrie sollte dem Vorbild einiger Hersteller folgen und Hierarchische Modulation als Option für ihre Sender anbieten. Seite 12

13 Literatur: [1] Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. European Telecommunication Standard, EN , August 1997 [2] Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects. Technical Report, TR , Dezember 1997 [3] The Chester 1997 Multilateral Coordination Agreement relating to Technical Criteria, Coordination Principles and Procedures for the introduction of Terrestrial Digital Video Broadcasting (DVB-T), July 1997 [4] Weck, Ch.: Versorgungsaspekte des digitalen terrestrischen Fernsehens. Veröffentlichung im Rahmen der 17. Jahrestagung der FKTG in Wien, Mai [5] Weck, Ch.: Versorgungsaspekte bei der digitalen terrestrischen Ton- und Fernsehrundfunkübertragung. FREQUENZ, No. 50 (1996), S [6] Weck, Ch.: Coverage Aspects of Digital Terrestrial Television. EBU Technical Review, Winter 1997 Seite 13

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