Messungen an MPEG2- und DVB-T-Signalen (5)

Transkript

1 RUNDFUNKTECHNIK Fortsetzung aus Heft 172 Messungen an MPEG2- und DVB-T-Signalen (5) Teil 4 des s befasste sich mit der Definition und Messung des Crest-Faktors eines DVB-T-Signals sowie mit Leistungsmessungen an DVB-T-Sendern. Im fünften und letzten Teil werden die Möglichkeiten zur Beurteilung von DVB-T-Signalen besprochen. Bitfehlerverhältnis BER Einer der wichtigsten Parameter für die Beurteilung der Übertragungsqualität eines DVB-Signals ist das Bitfehlerverhältnis BER. Bei DVB-T wird es nach der Demodulation an drei Stellen gemessen: Als Roh-Bitfehlerverhältnis vor jeder Fehlerkorrektur (vor innerer FEC), allgemein als BER vor Viterbi bezeichnet Nach der ersten Fehlerkorrektur (nach äußerer FEC) als BER nach Viterbi oder BER vor Reed Solomon Nach der zweiten Fehlerkorrektur (nach äußerer FEC) als BER nach Reed Solomon Während des normalen Empfangsbetriebs ermittelt der TV-Mess-Empfänger R&S EFA das BER und zeigt alle drei Werte im Menü MEASURE gleichzeitig an. Zur Beschleunigung der Anzeige bei der Fehleruntersuchung wählt man zunächst einige Datenblöcke zu je 10 7 bit aus. Nach deren Verarbeitung lässt sich trotz der geringen Anzahl bereits ein aussagekräftiges BER anzeigen, meist zwar nur mit niedriger Auflösung beispielsweise 0,0E 5 dafür erscheint die Anzeige aber sofort. Danach schaltet der Empfänger auf gleitende BER-Berechnung, bis die Endgenauigkeit erreicht ist. Im Beispiel von BILD 34 ist als Startanzahl der Datenblöcke 10 für BER BEFORE VIT angegeben (roter Pfeil im Bild). Diese bit BILD 34 Das Menü MEASURE des TV- Mess-Empfängers R&S EFA mit Frequenz- und Datenratenoffset sowie der Liste der OFDM-/Code-Parameter. Zur Erinnerung: In Teil 4 ging es u.a. um die Messung des Crest-Faktors mit dem TV-Mess- Empfänger R&S EFA. BILD 35 Fadingbedingte lineare Verzerrungen eines Übertragungskanals für Amplitude und Phase. Die Abszisse zeigt die Trägernummer k. 42

2 sind bereits überprüft, als Ergebnis steht im Display 2,0E 4, während für BER BEFORE RS die gleitende Berechnung läuft. Die Zielanzahl liegt bei Blöcken, von denen bisher 881 verarbeitet wurden. Hier erweist sich die Leistungsfähigkeit des Viterbi-Vorwärtsfehlerschutzes: Bei der Code Rate 2/3 korrigiert er das BER von 2,0E 4 auf 0,0E 10 vor RS FEC. Dieser Wert liegt schon sehr nahe am Quasi-Error-Free-Punkt und wird nach RS FEC selbstverständlich erreicht. Frequenz- und Datenratenoffset In der Statuszeile des Messmenüs sind neben dem Eingangspegel auch die manuell eingestellte Kanalmittenfrequenz und die benutzte Kanalbandbreite eingeblendet. Die Mittenfrequenz des Eingangssignals wird mit der gewählten Frequenz verglichen, die Differenz erscheint unter FREQUENCY OFFSET. Bei DVB-T sind bestimmt durch Modulationsart (QPSK, 16QAM oder 64QAM), Schutz intervall und Punktierungsrate genau definierte Datenraten vorgegeben. Abweichungen davon wirken sich im zugehörigen DVB-T-Spektrum aus. Die Abweichung von der definierten Datenrate wird daher gemessen und unter BITRATE OFFSET in ppm angezeigt (BILD 34). Anzeige der DVB-T-Modulatoreinstellungen Dem Senderbetreiber muss zu jedem Zeitpunkt die genaue DVB-T-Sendereinstellung bekannt sein. Der TV-Mess- Empfänger R&S EFA zeigt die manuell oder über einen automatischen Suchlauf ermittelten Sendereinstellungen an. Zusätzlich sind die über die TPS-Träger signalisierten Einstellungen im Menü MEASURE aufgelistet (BILD 34, Liste in Klammern). Im Modus AUTO oder TPS für die Betriebsart COFDM folgt der Empfänger automatisch sich ändernden DVB-T-Konfigurationen. Messungen im Frequenzbereich Kanalfrequenzgang nach Betrag und Phase Die Sollwerte von Betrag und Phase der verstreuten Piloten im COFDM-Symbol sind dem TV-Mess-Empfänger bekannt, er vergleicht sie mit den Werten real empfangener Piloten und ermittelt daraus die Kanalübertragungsfunktion. Anhand dieser rechnerischen Auswertung ist der HF-Ausgang eines DVB-T- Senders einschließlich aller Filter zwischen Senderausgang und Antenne in Phasen- und Amplitudenfrequenzgang oder Gruppenlaufzeit zu vermessen (BILD 35). BILD 36 Spektrum eines DVB- T-Kanals. BILD 38 Definition des Parameters MER. Q Fehlervektor des I/Q-Wertepaares I Idealer Vektor des I/Q-Wertepaares zum Mittelpunkt des Entscheidungsfeldes BILD 37 Das Konstellationsdiagramm 64QAM (2k-Modus). BILD 39 Verlauf der MER über k Träger mit schmalbandiger Störung. 43

3 RUNDFUNKTECHNIK Frequenzgangberechnung mit FFT Mit der Berechnung des Kanalfrequenzgangs über eine FFT (Fast Fourier Transformation) ist die Auflösung der Pegelabweichungen wesentlich höher als bei einer komplexen Auswertung über die Pilote. Diese Methode ersetzt die Messung des DVB-T-Senders mit einem Spektrumanalysator nicht vollständig, reicht aber zur Beurteilung des Sendespektrums im Kanal und auch zur Bestimmung der Außerbandanteile nach TR aus (BILD 36). Das Konstellationsdiagramm Der TV-Mess-Empfänger bildet jeden DVB-T-Träger über eine FFT in das jeweilige Basisband ab. Die Projektion aller so errechneten I/Q-Wertepaare in die Entscheidungsfelder für QPSK, 16QAM oder 64QAM erzeugt das Konstellationsdiagramm (BILD 37). Abgebildet sind die I/Q-Werte aller Träger zwischen START CARR und STOP CARR, die Pilot- und TPS-Träger befinden sich auf der I-Achse. Die TPS-Träger zeigen die mittlere Leistung innerhalb der Konstellation, während die Pilot- Träger mit einer um den Faktor 16/9 (= 1,777) höheren Leistung erscheinen. Die MER-Messung Der Parameter MER (Modulation Error Ratio) repräsentiert die Zusammenfassung aller Störungen, die das Konstellationsdiagramm aufweist. BILD 38 veranschaulicht die Definition dieses Parameters. Für jedes I/Q-Wertepaar im Konstellationsdiagramm gibt es genau einen theoretischen Zielpunkt exakt im Mittelpunkt eines jeden Entscheidungsfeldes. Durch den Quantisierungseinfluss bei der Berechnung der Werte mit begrenzter Bitzahl, durch Rundungsfehler, D/A- Wandlung im Modulator, Phasenjitter des Wandlungstakts und durch Rauschüberlagerung während der Übertragung wird dieser Mittelpunkt fast nie getroffen. Dadurch lässt sich ein Fehlervektor definieren, der alle Fehlereffekte in sich vereinigt. Die MER errechnet sich aus den quadratischen Summen von idealen Vektoren und Fehlervektoren. Die Messung des MER mit dem TV-Mess- Empfänger R&S EFA erfasst neben dem reinen Zahlenwert das wesentlich aussagekräftigere MER eines jeden Einzelträgers im COFDM-Kanal. Störungen, die nur wenige Träger im COFDM-Symbol betreffen, sind mit dieser Darstellung sofort lokalisierbar, wie BILD 39 zeigt. Man erkennt deutlich den tiefen Einbruch des MER im Bereich der Träger um k = 1300 (k = Index der COFDM-Träger). Zur genaueren Trägerbestimmung wählt man hier oder auch im I/Q-Menü den Startträger etwas vor 1300 (z.b. auf 1280), den Stoppträger z.b. auf 1320 und BILD 40 Analyse des 2k- COFDM-Signals in gezoomter MER- Darstellung; die Störung liegt auf Träger BILD 42 Messung der OFDM- Parameter im Modus 2k (nur am zentralen Träger). BILD 41 Messung der OFDM- Parameter ohne zentralen Träger. BILD 43 Menü zur Konfiguration der Alarme. 44

4 findet exakt den in BILD 40 mit k = 1299 identifizierten, gestörten Träger. Für die Überwachung von DVB-T-Sendern wird daher (neben der BER-Messung) zunächst nur der Parameter MER verwendet. Er ist neben dem BER der wichtigste im DVB-Übertragungssystem und gibt auf einen Blick Auskunft über die Übertragungsqualität im System. Messung der I/Q-Parameter in OFDM Wie bei DVB-Systemen für Kabel- und Satellitenübertragung sind auch bei DVB-T die auftretenden Störungen dem Modulator und der Übertragungs strecke zuzuordnen. Die Parameter I/Q AMPL IMBALANCE, I/Q QUADRATURE ERROR, CARRIER SUPPRESSION und PHASE sind eindeutig vom Steuer sender abhängig, während die Übertragung rauschähnlicher Störungen wie PHASE JITTER und SIGNAL/NOISE RATIO dem Nutzsignal auf dem Übertragungsweg überlagert werden. Als Summe entsteht wieder das MER, das in verschiedenen Benennungen angezeigt wird (BILD 41). Die Restträgermessung Besonderheiten treten bei der Messung des Restträgers auf, der als sehr schmalbandiger Störer definiert ist. Als solcher hat er nur auf den zentralen Träger Einfluss und lässt sich auch nur im Bereich dieses Trägers messen. Im 2k-Modus ist der zentrale Träger in jedem vierten Symbol ein verstreuter Pilot (BILD 42). Im 8k-Modus ist die zentrale Frequenz dagegen mit einem stetigen Piloten belegt. Trotz dieser Einschränkungen wertet der TV-Mess-Empfänger den Restträger genauestens anhand einer patentierten Rechenvorschrift aus. Dazu wird in den beiden Modi 2k oder 8k nur der zentrale Träger (852 bei 2k oder 3408 bei 8k) über die Trägerselektion ausgewählt. Für DVB-T bezieht die Norm TR den Restträger auf die Nutzleistung eines einzigen OFDM-Trägers. Für DVB-C und DVB-S gilt dagegen die mittlere Leistung des Gesamtspektrums als Bezug. Deshalb ergeben sich bei gleichem Absolutpegel des Restträgers bei DVB-T wesentlich kleinere logarithmische Verhältnisse für den Restträger als bei DVB-C und DVB-S: Im 2k-Modus wird die Differenz D = 10 log(1705) = 32,3 db und im 8k- Modus D = 10 log(6817) = 38,3 db betragen. Beispiel: Bei DVB-C ist der Restträger typ. >60 db. Im 8k-Modus bei DVB-T dagegen wird man nur Werte um 60 db 38,3 db = 21,7 db erreichen. Der Alarmreport Die Ergebnisse der beschriebenen Messungen stehen nicht nur vor Ort am Sender zur Verfügung, sondern lassen sich auch fernbedient über RS-232-C BILD 44 Einstellung der Schwellenwerte zur Alarmauslösung. BILD 46 Statistische Auswertung der Fehlerzeiten. BILD 45 Die Alarmliste. BILD 47 Das STATUS-Menü. 45

5 BROADCASTING DIVISION S. Grunwald Graduate in Engineering RUNDFUNKTECHNIK und IEC-Bus abfragen. Eine Überwachung per Einzelabfragen ist aber recht zeitaufwändig, da viele Messdaten anfallen. Überlässt man dies dem TV- Mess-Empfänger R&S EFA, so gestaltet sich die Senderüberwachung sehr einfach, denn man muss dazu lediglich das Menü ALARM aktivieren (BILD 43). Nach der Konfiguration des Menüs sind die Grenzwerte zur Alarmauslösung zu setzen (BILD 44). Da nicht korrigierbare Daten und Synchronisations-Ausfall absolute Ereignisse sind, besteht für sie keine Zuordnung eines Schwellenwertes. Die aktivierten Alarme stehen als Summenalarm an einer rückseitigen Steckverbindung des Mess-Empfängers zur Verfügung. Tritt der Summenalarm auf, erfolgt eine Abfrage der Einzelalarme über die Fernsteuerschnittstellen. Nach Drücken des Hardkeys ALARM erscheint die Alarm-Liste auf dem LC- BILD 48 Beispiel für ein Echodiagramm. Senderabstand (km) FFT τ =1/4 τ =1/8 τ =1/16 τ =1/32 2k 16,8 8,4 4,2 2,1 8k 67,2 33,6 16,8 8,4 BILD 49 Maximal zulässige Senderabstände in einem Single Frequency Network. Display (BILD 45). Sie hat bis zu 1000 Zeilen und enthält neben der laufenden Ereignis-Nummer auch Datum, Uhrzeit und die alarmauslösenden Parameter. Für statistische Zwecke kann es wichtig sein, Fehlerzeiten der Parameter und deren prozentualen Anteil an der überwachten Zeit zu kennen. Unter dem Menüpunkt STATISTICS ist diese Information zu finden (BILD 46). Messungen im VHF-Bereich Band I und Band III Die europäische Norm EN spezifiziert DVB-T zunächst nur für den UHF-Bereich und für 8 MHz breite Kanäle. In Anmerkungen wird auf 7 MHz breite Kanäle verwiesen, wie sie im VHF-Bereich Band I und Band III festgelegt sind und in Australien auch im Band IV/V benutzt werden. Weitere Informationen unter Digital TV Rigs and Recipes Part 4 DVB-T Eine ausführliche Fassung dieses s mit ca. 70 Seiten Umfang in englischer Sprache ist auf der Internet-Seite von R&S abgelegt (Suchwort: 7BM_ADD01). Für selektive Messungen in diesen Kanalbandbreiten verfügt der TV-Mess- Empfänger R&S EFA über zwei weitere Optionen. Zusätzlich zum internen 8-MHz-SAW-ZF-Filter sind Plätze für ein 7-MHz-SAW-Filter (EFA-B12) und ein 6-MHz-SAW-Filter (EFA-B11) reserviert. Die gewählte Bandbreite wird im STATUS-Menü angezeigt (BILD 47). SFN-Messungen im DVB-T-Netz Das Schutzintervall ermöglicht beim Empfang von DVB-T-Signalen die Berücksichtigung aller Reflexionen und direkter Empfangspfade von anderen Sendern im SFN (Single Frequency Network). Die Laufzeiten dieser Signale dürfen dieses Schutzintervall nicht überschreiten. Je nach Einstellung errechnet der Mess- Empfänger die Signal-Laufzeit in µs oder die Pfadlänge in Kilometern oder Meilen. BILD 48 zeigt, dass im DVB-T-Netz auch voreilende Echos möglich sind. Sie entstehen beispielsweise beim Empfang von Füllsendern niedriger Leistung, die weniger weit entfernt sind als der Hochleistungssender. Im gezeigten Beispiel beträgt die Laufzeit 10 µs, der Füllsender steht etwa 3 km näher als der Hauptsender, der bei 0 µs angezeigt wird. Ein nacheilendes Echo steht bei 25 µs und resultiert beispielsweise aus einer Reflexion mit einem Umweg von etwa 7,5 km. Das Echoprofil in BILD 48 ist im DVB-T- Netz mit 8 MHz Kanalbandbreite für Schutzintervallängen über 28 µs gültig. Diese Messung erlaubt auch die Abstandsermittlung in km zwischen den Einzelsendern im SFN, solange Sichtverbindung zwischen den Sende- und Empfangsantennen besteht. In einem SFN- Gleichwellennetz dürfen die Sender bestimmt durch Guard-Intervall und FFT- Modus untereinander keine größeren Abstände aufweisen, als sie die Tabelle (BILD 49) auflistet. Sigmar Grunwald 46