Digital Video Broadcasting over Satellite

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1 Digital Video Broadcasting over Satellite Studienarbeit Wintersemester Studienarbeit 3 Studiengang Telekommunikation / Elektrotechnik (TET04) Hochschule für Technik und Wirtschaft, Chur Autor: Pirmin Janka, 2006 Dozent: Rolf Hofstetter - Prof. Dr. sc. techn., Dipl. Ing. ETH Ausgabe der Arbeit: Abgabe der Arbeit: Sem3 v1.0 Seite 1 von 17 Pirmin Janka

2 Zusammenfassung In diesem Artikel wird DVB (Digital Video Broadcasting) und insbesondere DVB-S (DVB over Satellite) sowie DVB-S2 genauer erläutert. Auf DVB-S2 wird eingegangen, weil diese Technologie vor allem in Zukunft im Zusammenhang mit HDTV (High Definition Television) eine grosse Rolle spielt. Informationen zu DVB-S und DVB-S2 sind nicht unbedingt leicht zu finden, was einer der Gründe war, wieso ich mich für dieses Thema entschieden habe. Ich möchte die Technik dieser Technologien verständlich aufzeigen und auch auf die Verwandten Arten DVB-T (Terrestrisch), DVB-H (Handhelds) und DVB-C (Cable) eingehen. In dieser Dokumentation wird zuerst DVB allgemein erklärt, bevor dann DVB-S und DVB-S2 genauer erläutert wird. Am Ende werden die alternativen Techniken von DVB aufgezeigt. Schlussendlich sollte man einen Überblick über alle DVB-Varianten haben und wissen, wie die Daten über diese Systeme übertragen werden können und was die jeweiligen Vor- und Nachteile sind. Sem3 v1.0 Seite 2 von 17 Pirmin Janka

3 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Einleitung Einführung zu DVB DVB-S Einführung Vom Sender zum Empfänger Datenkompression Signalverarbeitung auf der Senderseite Energieverwischung Fehlerschutzkodierung Filterung Modulation Signalverarbeitung auf der Empfängerseite Demodulator Filter des Decoders Viterbi-Decoder Sync Byte Detector RS-Decoder Energieverwischungsentferner Frequenzen und Datenraten Frequenzen Datenraten Komponenten Sendestation (Uplink) Satellit Empfangsgeräte Einsatzbereich Vorteile Nachteile DVB-S Einführung Modulationsverfahren Datenkompression Datenraten Einsatzbereich Vorteile Nachteile Weitere Varianten von DVB DVB-T Technische Aspekte Vor- und Nachteile DVB-C Technische Aspekte Vor- und Nachteile DVB-H Technische Aspekte Vor- und Nachteile Literaturverzeichnis Sem3 v1.0 Seite 3 von 17 Pirmin Janka

4 1 Einleitung Die digitale Technologie hält überall Einzug. Im Alltag benutzen wir oft Handys, Computer, Taschenrechner und viele andere elektronische Geräte, welche eines gemeinsam haben; sie funktionieren digital. Überall wird versucht die analoge Technik durch eine digitale Lösung zu ersetzen, wobei es mit der Digitalisierung von Klängen und Tönen anfing. Die in den 80er-Jahren eingeführte CD (Compact Disk) hat sich schnell auf dem Markt etabliert, weil die Handhabung der CD viele Vorteile bot und auch die Klangqualität beachtlich war. Nach all diesen Revolutionen in verschiedenen Sparten der Technik, ist es kaum verwunderlich, dass auch bei der Verbreitung der Videodaten die digitale Technologie Einzug gehalten hat. Digitales Fernsehen ist das Stichwort. Das digitalisieren von Video- und Fernsehbildern erfordert jedoch eine viel grössere Datenmenge als das digitalisieren von Audiodaten (ca. 10'000 Fach). So wurden viele neue Kompressionsverfahren wie MPEG-2 oder MPEG-4 und Modulationsarten entwickelt, damit der Datenstrom auf ein vielfaches reduziert werden kann. Das digitale Fernsehen ist dank diesen Verfahren längst Realität und kann von fast überall bezogen werden. Digitales Fernsehen bietet beste Klang- und Bildqualität sowie die Fähigkeit, auch interaktive Dienste wie MHP (Multimedia Home Platform) und vieles mehr anzubieten. 2 Einführung zu DVB DVB (Logo: siehe Bild 1) steht für Digital Video Broadcasting oder zu deutsch Digitaler Videorundfunk. DVB ist ein internationaler Standard zur Übertragung von digitalen Videodaten (z.b. Fernsehprogrammen). In technischer Hinsicht bezeichnet DVB ein standardisiertes Verfahren zur Übertragung von digitalen Fernseh- und Radioprogrammen und diversen Zusatzdiensten wie MHP, EPG (Electronic Program Guide) oder Teletext. DVB bietet folgende Vorteile: Abb. 1 - Dank der Datenkompression MPEG-2 und MPEG-4 können pro Frequenzspektrum viel mehr Programme übertragen werden als beim analogen Fernsehen. - Die Qualität im Bereich Audio und Bild ist sehr gut - Die Möglichkeit der Verschlüsselung von digitalen Programmen ist bei DVB viel kostengünstiger und einfacher zu realisieren als beim analogen Fernsehen. - Viele Zusatzdienste können übertragen werden - DVB unterstützt die Übertragung von HDTV (High Definition Television) Die Zukunft des digitalen Fernsehens - DVB kann fast überall genutzt werden - Gute Fehlerkorrektur und Wetterbeständigkeit - Geringe Kosten Eine typische DVB-Umgebung besteht aus einer Quelle (Sendestation, Programmverteilung), einer Übertragungstechnik sowie einer Set-Top Box (Dekodierungsgerät) und einem geeigneten Fernseher auf der Empfängerseite. Bei DVB gibt es verschiedene Übertragungstechniken auf welche im nächsten Kapitel näher eingegangen wird. Sem3 v1.0 Seite 4 von 17 Pirmin Janka

5 3 DVB-S 3.1 Einführung DVB-S (Digital Video Broadcasting over Satellite) bezeichnet den Satellitenstandard des DVB-Projektes. DVB-S wurde durch die ETSI (Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen) als europäische Norm ETS im Jahre 1995 abgesegnet. Durch die Satellitenkommunikation können bei DVB-S sehr hohe Datenraten erreicht werden. Jedoch entstehen durch die grosse Reichweite und die hohe Sendeleistung auch viele Fehler, welche von einem ausreichenden Fehlerkorrekturverfahren korrigiert werden müssen. Bei DVB-S wird die QPSK- Modulation benutzt (siehe unter Modulation), durch welche immer zwei Bits gleichzeitig übertragen werden können. DVB-S ist heute die meist genutzte Art von DVB, obwohl DVB-T stark am aufholen ist in Europa. DVB-S benötigt zum Betrieb eine Sendestation (Uplink), einen Satelliten (z.b. ASTRA oder EUTELSAT) und eine Empfangsanlage mit Satellitenschüssel und digitalem Decoder. DVB-S kann fast überall empfangen werden, da eine Satellitenkommunikation fast überall machbar ist. Auch abgelegene Gebiete können durch DVB-S die digitale Welt entdecken und somit digitale Programme empfangen. Zusatzdienste wie MHP sind bei DVB-S ebenfalls empfangbar. 3.2 Vom Sender zum Empfänger Damit Daten über DVB-S übertragen werden können, müssen diese zuerst beim Sender aufbereitet werden. Die Aufbereitung erfolgt zuerst mit einer Datenkompression und einer anschliessenden Multiplexierung, falls mehrere Programme übertragen werden sollen. Der Datenstrom mit den verschiedenen Programmen kann nun die ganze Signalverarbeitung durchlaufen (siehe Kapitel Signalverarbeitung) und zum Transponder (Kanal) des Satelliten gesendet werden (siehe Bild 2). Ein solcher Transponder kann mehrere Programme gleichzeitig übertragen, was auch von Vorteil ist, denn eine Transpondermiete ist für die Fernsehanstalten meist Abb. 2 sehr teuer. Der Transponder sendet den Datenstrom zur Satellitenschüssel des Empfängers und somit auch zur Settop-Box (siehe Kapitel Komponenten), wo die ganze Signalverarbeitung rückgängig gemacht wird und die Daten schliesslich am Fernseher angesehen werden können. 3.3 Datenkompression Ohne Datenkompression brauchen Videos sehr viel Platz. Ein heute gedrehter Hollywoodfilm auf 35mm mit einer hohen Auflösung kann schnell an die 100 Terrabytes gross werden. Solche Daten können natürlich kaum über DVB-S übertragen werden, da es viel zu lange dauern würde, bis der Film endlich den Empfänger erreicht. Es muss also eine Datenkompression eingeführt werden, welche die Videodaten auf ein Minimum komprimieren kann. Das heute eingesetzte Kompressionsverfahren bei DVB-S ist MPEG-2 (Moving Picture Experts Group), welches ein sehr gutes Kompressionsverfahren darstellt. MPEG-2 komprimiert auch die Audiodaten, die mit dem Video übertragen werden. Das Original-Videobild wird ausserdem in der Auflösung stark reduziert, so dass es schussendlich über PAL mit der Auflösung 720 x 576 Pixel übertragen werden kann. Sem3 v1.0 Seite 5 von 17 Pirmin Janka

6 3.4 Signalverarbeitung auf der Senderseite Damit die produzierten Videodaten über Satellit gesendet werden können, müssen sie zuerst nach dem MPEG-2 Standard komprimiert werden und können dann mit einer bestimmten Signalverarbeitung übertragen werden. Dabei sieht die Signalverarbeitung bei DVB-S wie folgt aus: 1. Energieverwischung: Damit eine gleichmässige Leistungsverteilung bei den zu übertragenden Bits sichergestellt ist, wird eine solche Verwischung durchgeführt. 2. Fehlerschutzcodierung: Damit können Fehler bei der Übertragung korrigiert werden. 3. Filterung: Damit eine Bandbreitenbegrenzung sichergestellt werden kann. 4. Modulation: Damit überhaupt Daten (Nullen und Einsen) aus dem übertragenen Signal gelesen werden können. Nach diesen Schritten wird der Bitstrom in Blöcke unterteilt, die aus jeweils 187 Datenbytes und einem Synchronisationsbyte bestehen. Das Synchronisationsbyte dient dabei als Information für den Anfang eines Blocks. Durch die Fehlerschutzcodierung (RS[204, 188] siehe Kapitel RS) kommen zusätzlich zu den 188 Bytes noch 16 Bytes hinzu, damit anfallende Fehler wieder korrigiert werden können. Ein Paket bei DVB-S sieht schlussendlich so aus (siehe Bild 3): Abb. 3 Die oben genannten Techniken werden nun genauer erläutert: Energieverwischung Durch die Übertragung von Bitströmen können leicht ungleichmässige Verteilungen entstehen (z.b. eine lange folge von Nullen). Es entstehen somit schnell Leistungsspitzen, welche bei DVB-S unbedingt verhindert werden müssen, da diese Spitzen Störungen verursachen können. Der Bitstrom wird dazu in einem Verwürfelungsverfahren in eine zufällige Struktur gebracht, damit eine lange Nullfolge unwahrscheinlich wird. Der Decoder auf der Empfängerseite kennt diesen Verwürfelungsmodus und kann die Bits entsprechend dekodieren (siehe Bild 4): Bitfolge beim Sender: Energieverwischung: Abb Fehlerschutzkodierung Bei der Übertragung von Signalen entstehen oft Fehler, vor allem wenn der Bitstrom wie bei DVB-S sehr grosse Distanzen bewältigen muss und dabei durch viele Geräte wandert und auch durch verschiedene Wetterbedingungen beeinflusst werden kann. Bei DVB-S werden zur Fehlerkorrektur zwei Mechanismen verwendet, welche als Kombination eine gute Fehlerkorrektur erlauben. Eingesetzt werden einerseits der Reed-Solomon-Code (RS) und andererseits eine variable Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC Forward Error Correction). Zusätzlich zu den beiden Verfahren wird noch ein Verketter oder Interleaver eingesetzt, der dafür sorgt, dass die gesendeten Pakete um eine gewisse Anzahl Bytes auseinander liegen. Sem3 v1.0 Seite 6 von 17 Pirmin Janka

7 Reed-Solomon-Code (RS) Der Reed-Solomon-Code (RS), auch äusserer Code genannt, ist ein so genannter Blockcode, welcher bei jedem gesendeten Datenpaket der Länge 188 Bytes hinten angefügt wird. Der RS-Code hat immer die gleiche Länge von 16 Bytes, wobei die Gesamtlänge eines Datenpakets somit konstant 204 Bytes lang wird (mit 188 Bytes Nutzdaten). Der RS-Code ist fähig 8 Bytes an Fehlern beim Empfänger zu korrigieren. Der 16 Bytes lange Fehlerkode besteht dabei aus bestimmten Quersummen des Nutzkodes. Die Bezeichnung des resultierenden Codes bezeichnet man als RS(204, 188) FEC (Forward Error Correction) Das Vorwärtskorrekturverfahren (FEC Forward Error Correction), auch innerer Code genannt, ist im Gegensatz zum RS-Code kein Blockcode der hinten angefügt wird, sondern ein variabler Faltungscode, der direkt im übertragenen Paket angewendet wird. Der FEC-Code verwischt die Eingangsdaten über mehrere Ausgangbits und kann variabel in den Stufen ½, 2/3, ¾, 5/6 und 7/8 angewendet werden. 7/8 bedeutet dabei, dass pro 7 Bit Nutzdaten 8 Bit gesendet werden. ½ bedeutet eine Halbierung der Bandbreite, weil pro Bit Nutzdaten 2 Bits gesendet werden. Typischerweise wird bei DVB-S eine FEC von ¾ als normal angesehen Filterung Um eine Bandbegrenzung bei den verschiedenen Kanälen zu erreichen, müssen die Signale gefiltert werden. Somit kann verhindert werden, dass sich zwei Kanäle gegenseitig stören. Der Sender und der Empfänger müssen dabei den gleichen Filter einsetzen, damit die Information lesbar bleibt Modulation Das Modulationsverfahren bei DVB-S heisst QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) oder 4-PSK, da das Q für Quadrat also 4 steht. Zu Deutsch ist die Quadraturphasenumtastung oder Vierphasenmodulation gemeint. Bei dieser Modulationsart werden zwei verschiedene Trägersignale (Sinus- und Kosinussignal oder I und Q- Signal), die um 90 phasenverschoben sind, addiert. Auf jedem Signal kann dabei eine beliebige Bitfolge übertragen werden. Es resultiert am Ende durch die Addition wieder ein einziges Signal, welches hier QPSK-Signal genannt wird und welches dann tatsächlich auch übertragen wird. Dieses Signal kann 4 diskrete Phasenzustände annehmen, die den vier Kombinationen von zwei aufeinander folgenden Bits Abb. 5 des binären Codes zugeordnet sind und somit aus den ursprünglichen Einzelsignalen bestehen. Es können also die Zustände 00, 01, 10 und 11 angenommen werden. Zum besseren Verständnis dieser 4 Phasenzustände wird das Zeiger-Diagramm verwendet (siehe Bild 5). Die Phasenzustände werden als Zeiger dargestellt und haben die Möglichkeit auf die 4 erlaubten Zustände des QPSK- Signals zu zeigen. Da es sich bei dieser Modulations-Art um eine reine Phasenmodulation handelt, bleibt die Pfeillänge sprich Amplitude stets konstant. Damit diese Zustände überhaupt angenommen werden können, muss der Zeiger des QPSK-Signals mit den beiden aktuellen Zeigern der ursprünglichen Sinus- und Kosinusschwingung (I- und Q-Signal) multipliziert werden. Je nach Lage des I und Q-Signals resultiert dann ein Zeiger von 45, 135, 225 oder 315 (siehe Tabelle 1): Sem3 v1.0 Seite 7 von 17 Pirmin Janka

8 Phase und Bitfolge Multiplikation von I und Q Signal Bitfolge: 00 I-Signal (X-Achse) Kosinusschwingung Q-Signal (Y-Achse) Sinusschwingung Bitfolge: cos(0 )= +1 sin(90 )= cos(180 )= -1 sin(90 )= +1 Bitfolge: cos(180 )= -1 sin(270 )= -1 Bitfolge: 10-1 Tabelle 1 cos(0 )= +1 sin(270 )= Vor- und Nachteile - Es können anhand der QPSK oder 4-PSK Methode zwei Bits gleichzeitig Übertragen werden. - Durch die kurze Dauer eines Signalschrittes (im Bild 6 durch schwarze Striche getrennt), können schnell Übertragungsfehler entstehen Beispiel einer Datenübertragung durch Modulation Wenn wir das oben erwähnte Modulationsverfahren auf ein konkretes Signal anwenden, können wir anhand des Zeiger-Diagramms und der Tabelle leicht feststellen, wie das resultierende QPSK- Signal zustande kommt (siehe Bild 6). Wir übertragen also ein Q-Signal (Sinussignal blau dargestellt) und ein I-Signal (Kosinussignal rot dargestellt). Auf diesen Signalen übertragen wir je eine Abb. 6 Sem3 v1.0 Seite 8 von 17 Pirmin Janka

9 beliebige Bitfolge (jeweils beim Signal dargestellt), welche dann auch der zu übertragenden Information entspricht. Bei jedem Wechsel von 0 zu 1 oder von 1 zu 0 ändert auch die Phase um 180, bei keiner Änderung bleibt die Phase gleich. Nun werden die beiden Signale zu einem QPSK-Signal (farbig dargestellt) addiert und wie man sehen kann ergeben sich dann genau die entsprechenden Phasenwinkel, die oben im Kapitel erklärt wurden. Das empfangene Signal bei einer Satellitenschüssel ist also ähnlich dem farbigen Signal (siehe Grafik). Die Aufgabe eines des Decoders ist es nun die Nullen und Einsen aus dem QPSK-Signal herauszulesen, umzuwandeln und auf dem Bildschirm darzustellen. 3.5 Signalverarbeitung auf der Empfängerseite Die beste Signalverarbeitung auf der Senderseite nützt nichts, wenn auf der Empfängerseite keine Informationen zurück gewonnen werden kann. Die Empfangseinrichtung muss also alle Techniken, die bei der Signalverarbeitung auf der Senderseite angewendet wurden, wieder zurückwandeln können. Folgende Komponenten werden dabei eingesetzt und zwar in umgekehrter Reihenfolge als bei der Signalverarbeitung auf der Senderseite: Demodulator Der Demodulator ist fähig, aus dem empfangenen Signal die zwei Trägersignale oder Trägerfrequenzen zurück zu gewinnen. Da die richtige Phasenlage (siehe Kapitel Modulation) unbekannt ist, wählt der Demodulator eine beliebige Phasenlage aus. Eine mögliche falsche Phasenlage kann durch die Fehlererkennung korrigiert werden Filter des Decoders Der Filter des Decoders (Empfangsgerätes) kann aus dem gefilterten Signal, welches gesendet wurde, das Originalsignal zurückgewinnen Viterbi-Decoder Der beim gesendeten Signal verwendete Faltungscode (FCE) muss jetzt auf der Empfängerseite mögliche Fehler erkennen können. Damit dies möglich ist muss ein bestimmter Decoder benutzt werden, der Viterbi-Decoder. Dieser Decoder verwendet den Viterbi-Algorithmus, welcher heutzutage ein wichtiges Hilfsmittel ist, um Muster zu erkennen. Der Algorithmus kann also durch ausprobieren und vergleichen von Mustern die eigentlichen Nutzdaten aus den Gesamtdaten zurückgewinnen. Der Viterbi-Algorithmus ist sehr kompliziert und wird häufig auch bei der künstlichen Intelligenz eingesetzt, um Muster zu erkennen Sync Byte Detector Der Sync Byte Detector kann, wie der Name schon verrät, erkennen wann ein Synchronisationsbyte die Empfangsstelle erreicht. Der Detector kann also entscheiden, wann ein neues Paket kommt und wann Nutzdaten übertragen werden RS-Decoder Einzelne Bitfehler, die bei der Übertragung entstehen, kann der Viterbi-Decoder leicht erkennen. Für gröbere Fehler bei der Übertragung haben wir den Reed- Solomon-Code eingeführt (siehe Kapitel Reed-Solomon-Code). Der RS-Decoder im Empfangsgerät kann den RS-Code erkennen (letzte 16 Bytes eines gesendeten Pakets) und bei einem entsprechenden Fehler maximal 8 Bytes korrigieren. Sem3 v1.0 Seite 9 von 17 Pirmin Janka

10 3.5.6 Energieverwischungsentferner Der Energieverwischungsentferner kann nach einem bekannten Entwürfelungsverfahren die gesendeten Bits in die richtige Reihenfolge zurückgewinnen. (siehe auch Kapitel Energieverwischung) Nun haben wir die eigentliche Information zurückgewonnen, welche nun weiterverarbeitet werden kann. 3.6 Frequenzen und Datenraten Frequenzen Der Frequenzbereich bei DVB-S liegt zwischen 10,7 und 12,75 Ghz. Es werden also sehr hohe Frequenzen benutzt. Die Bandbreite eines einzigen Fernsehkanals beträgt dabei ca. 4-8 MHz, wobei in einem Spektrum von ca MHz immer 5 10 Programme gleichzeitig übertragen werden. Wie leicht zu erkennen ist, könne bei DVB-S somit viel mehr Programme gesendet werden als bei jeder anderen Form von DVB (siehe zum vergleichen unter Varianten von DVB ) Datenraten Die Datenraten bei DVB-S liegen Theoretisch bei 55 Mbit/s, jedoch wären solche Raten nur ohne Fehlerkorrektur möglich. Die effektive Datenrate können wir nun anhand der verschiedenen Fehlerkorrekturen und der Symbolrate leicht errechnen. Die Symbolrate bei DVB-S beträgt meist 27,5 Megasymbole/s. Ein Symbol entspricht dabei den zwei Bits, die gleichzeitig empfangen werden (siehe Kapitel Modulation): Datenrate = Symbolrate * 2 * Reed-Solomon-Code * FEC Wobei: Symbolrate = ist variabel jedoch meist 27,5 Megasymbole/s Reed-Solomon-Code = 188/204 (siehe Kapitel Reed-Solomon-Code) FEC = ist variabel z.b. ¾ (siehe Kapitel FEC) Als Resultat erhalten wir dabei einen Wert in Mbit/s, weil wir die Symbolrate mal zwei rechnen. (1 Symbol = 2 Bits bei DVB-S) Beispiel: Die Datenrate bei einem Satellitenprogramm mit der Symbolrate 27,5 Megasymbole/s und einer FEC von ¾ ergibt: 27,5 * 2 * 188/204 * ¾ = 38,0325 Mbit/s 3.7 Komponenten Sendestation (Uplink) Die Sendestation bei DVB-S liegt meist bei den entsprechenden Fernsehstationen. Die Technologie kann meist bei den grossen Satellitenbetreibern wie ASTRA oder EUTELSAT bezogen werden. Eine solche Sendestation muss fähig sein, die Fernsehsignale zuerst in MPEG-2 zu konvertieren, um sie später anhand Multiplexierung zum Satelliten zu senden. Abb. 7 Meist multiplext ein Fernsehsender wie z.b. die ARD all seine Programme (ARD, Sem3 v1.0 Seite 10 von 17 Pirmin Janka

11 Eins Festival, Eins Extra, usw.) in einem einzigen Datenstrom und sendet sie dann zum Satelliten auf einen Transponder (siehe Kapitel Transponder). Eine Sendestation braucht zum senden eine Leistungsfähige Parabolantenne, welche im GHz-Bereich senden kann (siehe Bild 7) Satellit Bei DVB-S kommen nur geostationäre Satelliten zum Einsatz, da bei einer Fernsehübertragung ein kontinuierlicher Datenstrom entsteht und deshalb ein ständiger Kontakt mit dem Empfänger gewährleistet sein muss. Ein solcher geostationärer Satellit hat immer die gleiche Entfernung von der Erde und zwar 35'880 km. Heute gibt es sehr viele Fernsehsatelliten die im All ihr Werk vollbringen. Jeder Satellit hat dabei einen eindeutigen Namen sowie eine genaue Position z.b. 28,2 Ost. Betrieben werden die meisten Satelliten von ASTRA und EUTELSAT Transponder Der Transponder ist eine Komponente des Satelliten. Ein Transponder kann man sich als Kanal vorstellen, der fähig ist, mehrere Programme oder Sender zu übertragen. Ein Transponder hat typischerweise eine Bandbreite von MHz, was viel mehr ist als bei DVB-T oder DVB-C, wo ca. 8 MHz Bandbreite eingesetzt werden. Dementsprechend können über einen Transponder auch viel mehr Sender in einem Frequenzbereich übertragen werden als bei DVB-C, nämlich 5 10 Programme Empfangsgeräte Als Empfangsgeräte kommen bei DVB-S so genannte Settop-Boxen zum Einsatz, welche alle Dekodierungen und Techniken des Kapitels Signalverarbeitungen auf der Empfängerseite beherrschen müssen. Diese Settop-Boxen werden dann beispielsweise an einen Fernseher angeschlossen. Damit die digitalen Signale des Satelliten empfangen werden können, braucht es natürlich eine digitale Satellitenschüssel, die die Signale zur Settop-Box leitet. 3.8 Einsatzbereich DVB-S dient zur Übermittlung der Video- und Audiodaten eines TV-Senders über Satellit. Dabei kann über DVB-S nur TV im Standardformat übertragen werden (SDTV oder PAL). DVB-S ist sehr beliebt, weil es wenig Infrastruktur braucht und sehr grosse Bandbreiten und Datenraten zulässt. DVB-S ist ausserdem Grundlage für SkyDSL, eine DSL-Variante über Satellit. Hierfür sind jedoch ganz spezielle Decoderkarten für den PC notwendig. 3.9 Vorteile - DVB-S ist fast überall empfangbar, da eine Satellitenkommunikation eigentlich überall im freien möglich ist. Somit ist DVB-S auch für ländliche Gegenden geeignet - Mit DVB-S könne sehr hohe Datenraten erreicht werden. (ca. 55 Mbit/s) - Günstigste DVB-Variante 3.10 Nachteile - Für DVB-S braucht es eine einigermassen grosse Satellitenschüssel, welche meist nicht schön aussieht an einem Haus - Hohe Fehlerrate bei der Übertragung. Stört heute jedoch kaum mehr, da gute Fehlererkennungsverfahren entwickelt wurden Sem3 v1.0 Seite 11 von 17 Pirmin Janka

12 4 DVB-S2 4.1 Einführung DVB-S2 ist der Nachfolger von DVB-S und wurde vor allem wegen des neuen Fernsehformates HDTV (High Definition Television) eingeführt. Diese DVB-Variante bietet eine bessere Fehlerkorrektur und viel bessere Modulationsverfahren, welche eine schnellere Datenübertragung ermöglichen. DVB-S2 wurde im März 2005 durch die ETSI als EN ratifiziert. Es ist also eine ganz neue Technologie, welche zukunftsweisend sein wird. Da DVB-S2 grundsätzlich gleich funktioniert wie DVB-S, möchte ich nicht mehr auf alle Details des Standards eingehen, sondern viel mehr die Unterschiede aufzeigen, die auch wirklich interessant sind. 4.2 Modulationsverfahren Im Gegensatz zu DVB-S wird bei DVB-S2 nicht das QPSK (4-PSK) Verfahren (siehe Kapitel Modulation bei DVB-S) eingesetzt, sondern das Verfahren 8-PSK. Bei 8-PSK können drei Bits gleichzeitig übertragen werden und es entstehen somit 8 Zustände (bei DVB-S nur 4 Zustände), welche dargestellt werden können. Ansonsten funktioniert das Modulationsverfahren genau gleich wie bei QPSK. Man kann sich also wieder einen Zeiger vorstellen, der aus einer Multiplikation von den Zeigern des I und Q-Signals entstanden ist (siehe Bild 9). Durch die Unterteilung in 8 Zustände können jetzt natürlich mehr Daten pro Zeit übertragen werden. Im professionellen Bereich unterstützt DVB-S2 sogar Modulationsverfahren mit 16 Zuständen (16-PSK) und 32 Zuständen (32-PSK). Für diese Modulationsverfahren müssen jedoch auch Amplitudenmodulationen durchgeführt werden, damit die Zeigerlänge variieren kann (siehe Bild 8). Diese Modulationsverfahren sind sehr komplex und werden hier nicht genauer erläutert. Beim normalen DVB-S kommt nur 8-PSK zum Einsatz. Abb. 9 Abb Datenkompression Das Kompressionsverfahren ist im Gegensatz zu DVB-S nicht MPEG-2, sondern MPEG-4 (H.264 Standard). Bei MPEG-4 können die Daten noch viel stärker komprimiert werden als bei MPEG-2, was für HDTV in hohen Auflösungen von Vorteil ist. Es ist jedoch nicht zwingend, dass bei DVB-S2 MPEG-4 verwendet wird, es kann auch hier MPEG-2 verwendet werden. Durch die neuen Receiver, die hier aber ohnehin verwendet werden müssen, haben die Hersteller gleich auf MPEG-4 gewechselt. Sem3 v1.0 Seite 12 von 17 Pirmin Janka

13 4.4 Datenraten Durch die verbesserte Modulation und Fehlerkorrektur sowie durch eine höhere Symbolrate als bei DVB-S können auch höhere Datenraten erreicht werden. Dadurch können über DVB-S2 fast doppelt so viele SDTV (Standard Definition Television) und HDTV-Kanäle im MPEG-2 Format übertragen werden als bei DVB-S (siehe Bild 10). Die theoretische Bandbreite bei DVB-S2 ist typischerweise 80 Mbit/s (praktisch ca. 60 Mbit/s). Abb Einsatzbereich DVB-S2 wird heute kaum eingesetzt, da es nur wenige Receiver gibt, die mit DVB- S2 umgehen können. Die Decoder welche hier zum Einsatz kommen sind offenbar nicht einfach herzustellen. Die für DVB-S eingesetzte Satellitenschüssel kann im Gegensatz zum Receiver auch für DVB-S2 verwendet werden, es müssen also keine Änderungen vorgenommen werden. In Zukunft wird sich DVB-S2 wahrscheinlich auf dem Markt etablieren, da HDTV und allgemein Fernsehen mit hohen Auflösungen (z.b. 1080p 1920 x 1080 Pixel) zum Alltag werden. Bild 12 zeigt die heute gängigen Fernsehformate, welche mit DVB- S2 mühelos übertragen werden können. Über DVB-S wird nur SDTV mit der Auflösung von 720x576 übertragen. Bild 11 zeigt den einzigen bis zum Zeitpunkt dieses Skripts erhältlichen DVB-S2 Serien-Receiver mit allen gängigen Techniken, der Humax PR-HD1000. Wegen der schlechten Verfügbarkeit von Receivern, senden heutzutage nur Premiere, ProSieben, Sat 1 und diverse Testkanäle über DVB-S2 in HDTV, das wird sich in Zukunft jedoch sicherlich noch ändern. Abb. 11 Abb Vorteile - Es müssen keine Änderungen bei der Satellitenschüssel vorgenommen werden - Es können MPEG-4 Daten übertragen werden - HDTV-Fähig - Bessere Fehlerkorrektur und erhöhte Symbolrate - Hohe Bandbreite 4.7 Nachteile - Neuanschaffung eines speziellen DVB-S2 Receivers - Receiver zum jetzigen Zeitpunkt kaum verfügbar - Damit HDTV über DVB-S2 genossen werden kann, muss auch ein entsprechender TV mit dem HD-Ready -Zertifikat vorhanden sein Sem3 v1.0 Seite 13 von 17 Pirmin Janka

14 5 Weitere Varianten von DVB Es gibt bei DVB verschiedene Möglichkeiten, ein Signal von der TV- Station (Quelle) zum Bildschirm im Wohnzimmer (Empfänger) zu transportieren (siehe Bild 13). Die weiteren Übertragungsarten bei DVB heissen: - DVB-T (DVB-Terrestrial - Übertragung über Abb. 13 Bodeninstallationen) - DVB-C (DVB-Cable Übertragung über Kabelnetze) - DVB-H (DVB-Handhelds Übertragung optimiert für mobile Endgeräte) Der Unterschied bei den genannten Techniken liegt im Wesentlichen bei den verwendeten Modulationsarten, auf welche später genauer eingegangen wird. DVB- T und DVB-C sind bereits heute im Einsatz, wobei DVB-H im Moment noch einer Testphase unterliegt. Bild 13 zeigt die verschiedenen Varianten von DVB in einer anschaulichen Übersicht. Nun werden die Techniken DVB-T, DVB-C und DVB-H genauer erklärt. 5.1 DVB-T DVB-T bedeutet Digital Video Broadcasting Terrerstrial und ist somit eine DVB- Variante, die über Bodenantennen verbreitet wird. DVB-T ist gerade jetzt ein aktuelles Thema in vielen Ländern, so auch in der Schweiz, da aktuell der Umstieg auf DVB-T vollzogen wird. DVB-T kann über die normale analoge Hausantenne mit einem digitalen Receiver empfangen werden und ist daher sehr beliebt. Jedoch ist die DVB-T Variante auch störbehafteter als DVB-S und DVB-C. Trotzdem können Personen, die einen schlechten analogen Empfang hatten, DVB-T nutzen, weil dieser Standard extra für solche Empfangsstandorte konzipiert wurde. DVB-T erlaubt auch einen portablen Empfang mit einer Stabantenne. So kann z.b. auch im Auto bei einer Geschwindigkeit von 120 Km/h noch DVB-T empfangen werden. Die unter Kapitel 2 erwähnten Zusatzdienste stehen bei DVB-T ebenfalls zur Verfügung Technische Aspekte Die Auslieferung der Daten bei DVB-T erfolgt momentan im MPEG-2 Komprimierungsverfahren. Durch MPEG-2 ist es möglich, den Datenstrom von ca. 170 Mbit/s auf ca Mbit/s zu reduzieren. DVB-T nutzt dabei das Frequenzkanalraster des analogen Fernsehens, da DVB-T wie bereits erwähnt über die normalen analogen Hausinstallationen empfangen werden kann und dadurch auch sehr mobil ist. Im VHF/UHF Bereich stehen dabei 7 bzw. 8 MHz zur Verfügung. Während im analogen Fernsehen pro Kanal nur ein Programm untergebracht werden kann, schafft es DVB-T, drei bis fünf Programme in einem Kanal unterzubringen. Dies wird durch Multiplextechniken und Bitratenregulierung erreicht (siehe Bild 14). Als Multiplexverfahren wird bei DVB-T das so genannte Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) eingesetzt wobei die Nutzinformationen auf tausende nebeneinander liegende Träger aufgeteilt wird. Sem3 v1.0 Seite 14 von 17 Pirmin Janka

15 Störungen die bei DVB-T viel häufiger auftreten als bei DVB-S und DVB-C, bedingt durch die Mobilität von DVB-T, betreffen so nur einzelne Trägerbereiche wodurch Störauswirkungen deutlich verringert werden können. Die einzelnen Träger werden dabei mit den typischen Modulationsverfahren für DVB wie QPSK oder 16-QAM (Quadraturamplitudenmodulation) moduliert. Die praktisch erreichte Datenrate pro Kanal liegt bei DVB-T somit bei etwa 20 Mbit/s wenn wir annehmen, dass ein Programm 5 Mbit/s aufweist und 4 Programme übertragen werden. In vielen Regionen wird die Datenrate jedoch aufgrund der hohen Senderdichte beschränkt. Abb Vor- und Nachteile Vorteile: - Programmvielfalt: Dank den oben erwähnten Modulationsverfahren und Kompressionen ist eine Übertragung von vielen Programmen auf einem Frequenzbereich möglich - Portabler Empfang: Empfang ist portabler als bei DVB-S und DVB-C, da DVB-T auch mit einer portablen Stabantenne empfangen werden kann - Wenige Endgeräte: Nur der digitale Empfänger muss neu dazugekauft werden. Die analoge Antenne kann man weiterhin verwenden Nachteile: - Mängel bei der Bildqualität: Wegen der blockweisen Verarbeitung des Bildes zeigen sich unter schlechten Bedingungen blockartige Bildstörungen - Für HDTV nur bedingt geeignet: Wegen der relativ kleinen Bitrate von 3 5 Mbit/s pro Programm ist eine Übertragung von HDTV nicht möglich. Um HDTV übertragen zu können, darf auf einem Frequenzbereich nur 1 Programm gesendet werden 5.2 DVB-C DVB-C bedeutet Digital Video Broadcasting over Cable und ist eine DVB Variante, die über ein Kabelnetz ausgestrahlt werden kann. Normales Kabelfernsehen ist heute die am meisten genutzte und eingesetzte Technik im TV-Bereich. Die bestehenden analogen Kabelnetze müssen für DVB-C nicht ausgetauscht werden. Auf der Empfangsseite braucht es jedoch für die Dekodierung einen Digitalreceiver, der das digitale Signal entsprechend umwandelt und für den Fernseher lesbar macht Technische Aspekte Auch bei DVB-C werden die digitalen Daten ins MPEG-2-Format komprimiert und dann über das Kabelnetz übertragen. Eine schlechte Ausnutzung der Bandbreite kann das Bild bei DVB-C stark beeinflussen. Je niedriger die Bitrate pro Programm ist, desto mehr Programme können parallel auf einem Kanal übertragen werden. Die Modulation bei DVB-C heisst meist 64-QAM wobei zwei um 90 phasenverschobene gleichfrequente Träger in je 8 Amplitudenstufen (entspricht 3 Bit von 000 bis 111) aufgeteilt werden. Durch dieses Verfahren ergeben sich somit Sem3 v1.0 Seite 15 von 17 Pirmin Janka

16 insgesamt 64 Zustände (8*8) aufgeteilt auf die zwei Träger. Insgesamt entspricht das also 6 Bit, die gleichzeitig übertragen werden können. Neben dem eigentlichen Fernsehsignal kann man über DVB-C auch Radiosignale und interaktive Dienste wie MHP, EPG und Teletext übertragen. Die Nutzdatenrate bei DVB-C liegt bei ca Mbit/s was etwa einem Kanal bei DVB-S entspricht. Dies bietet den Vorteil, das DVB-S Signale leicht in Kabelnetze eingespeist werden können. Durch die begrenzte Bandbreitenkapazität im Kabelnetz können bei DVB-C jedoch längst nicht so viele Programme übertragen werden wie bei DVB-S, da der Frequenzbereich bei DVB-S um Faktor 4 grösser ist Vor- und Nachteile Vorteile: - Hohe Datenrate bis 40 Mbit/s - Durch die hohen Datenraten auch HDTV-Fähig - Bisheriges Kabelnetz kann weiterhin gebraucht werden Nachteile: - Spezieller Digital-Receiver muss erstanden werden - An festen Standort gebunden - In vielen Haushalten verfügbar, da viele Haushalte im Kabelnetz erschlossen sind 5.3 DVB-H DVB-H steht für Digital Video Broadcast over Handhelds und ist die DVB Variante für den mobilen Bereich. Dieser DVB Standard kann also von mobilen Geräten empfangen werden und wird genau wie DVB-T ebenfalls terrestrisch ausgestrahlt. Bisher gibt es auf der ganzen Welt ca. 30 Testnetze, die DVB-H verwenden. Der Regelbetrieb soll im Sommer 2006 aufgenommen werden, wofür es dann auch spezielle Handys braucht. Qualitativ gutes Fernsehen ist ab dann durch DVB-H auch im freien möglich. Abb Technische Aspekte Bei DVB-H werden die Videos, wie beim Standard DVB-S2, mit MPEG-4 (H.264) komprimiert, was für mobile Endgeräte auch sinnvoll ist. Die restlichen technischen Aspekte sind identisch mit denen des DVB-T Verfahrens (siehe unter DVB-T). Die Datenrate kann bei DVB-H beliebig auf die Endgeräte abgestuft und angepasst werden, wobei dann typischerweise Datenraten von 300 kbit/s bei einer Auflösung von 320 x 240 Pixel eingesetzt werden Vor- und Nachteile Vorteile: - DVB-H ist mobil und kann deshalb überall empfangen werden, nicht nur in der Wohnstube (sofern ein Netz vorhanden ist) - Man kann überall (z.b. im Bus, Zug, Auto) Fernsehen in guter Qualität geniessen Nachteile: - Kann zu starker Zunahme des TV-Konsums führen (weil es mobil ist) - Erfordert leistungsfähige mobile Endgeräte Sem3 v1.0 Seite 16 von 17 Pirmin Janka

17 6 Literaturverzeichnis [Bra97] Braun, A.: Semesterarbeit über digitales Satellitenfernsehen [ Februar [Krie01] Kriebel Verlag GmbH: DVB Der Standard der Zukunft [ [TVP05] Deutsche TV-Plattform e.v.: Fernsehen Heute und Morgen [de.wikipedia.org], [Jaek01] Jäkel, T.: Einführung in DVB [ Dezember [FHGF99] FH Giessen Friedberg: Digitale Modulationsverfahren [ Februar [Mor04] Dr. Morello, A & Meiers U.: DVB-S2, the second generation standard for satellite broadcasting and unicasting, 2004/22 - INTERNATIONAL JOURNAL OF SATELLITE COMMUNICATIONS AND NETWORKING p249 p268 [Mor04] Dr. Morello, A & Meiers U.: Digital video broadcasting over satellite (DVB- S): a system for broadcasting and contribution applications, 2000/18 - INTERNATIONAL JOURNAL OF SATELLITE COMMUNICATIONS AND NETWORKING p393 p410 [TVP05] Dipl. Ing. Klaus, B.: DVB-T [ Anhang 7.1 Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Das DVB Logo Seite 4 Abb. 2 Das DVB-S Schema Seite 5 Abb. 3 Das DVB-Datenpaket Seite 6 Abb. 4 Energieverwischung Seite 6 Abb. 5 QPSK-Modulation Seite 7 Abb. 6 Beispiel einer Datenübertr. Seite 8 Abb. 7 Parabolantennen Seite 10 Abb PSK Modulation Seite 12 Abb. 9 8-PSK Modulation Seite 12 Abb. 10 Vergleich DVB-S DVB-S2 Seite 13 Abb. 11 Humax PR-HD1000 Seite 13 Abb. 12 Vergleich HDTV SDTV Seite 13 Abb. 13 Varianten von DVB Seite 14 Abb. 14 Modulation von DVB-T Seite 15 Abb. 15 Beispiel von DVB-H Seite 16 Sem3 v1.0 Seite 17 von 17 Pirmin Janka