Messungen an MPEG2- und DVB-T-Signalen (1)

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1 Messungen an MPEG2- und DVB-T-Signalen (1) Mit dem zunehmenden Ausbau von Multi Frequency Networks (MFN) und Single Frequency Networks (SFN) für DVB-T* wächst der Bedarf an Messtechnik und Messverfahren für dieses moderne Übertragungsverfahren. Die in der analogen Fernsehtechnik verwendeten Messgeräte können nämlich für DVB bis auf wenige Ausnahmen wie Spektrumanalysatoren und thermische Leistungsmesser nicht übernommen werden. BILD 1 Die komplette Signalkette: Vom MPEG2-Studio über die TS-Datenverteilung bis hin zu allen DVB-T-Sendern im Netz. TS-Datenverteilung Denn nicht nur die Messgeräte für die drei DVB-Systeme DVB-C für den Kabelbetrieb, DVB-S für die Übertragung über Satellit und DVB-T für die terrestrische Ausstrahlung unterscheiden sich erheblich von der herkömmlichen Technik, sondern auch die Messparameter und die zugehörigen Messmethoden. Dieses Repetitorium, das über mehrere Hefte fortgesetzt wird, stellt Geräte und Messtechnik von Rohde&Schwarz speziell für DVB-T vor. Nach einer kurzen Beschreibung der Signalzuführung und der Sender für DVB-T welche die Besonderheiten erläutert werden Parameter, Methoden und entsprechende Messgeräte beschrieben. Videocoder Audiocoder Daten PSI/SI Videocoder Audiocoder Daten PSI/SI Studio TS-MUX für n Programme und In Service -TS vom Messgenerator DVG Programm 1 Programm 2 Programm 3 Programm 4 Programm n DVG mit Option -B1: Messung entweder In Service oder TS- Out Of Service 1 pps MIP-Eintaster Synchronisation des SFN mit den MIP-Parametern Im Studio: Von den Programmen zum Transportstrom Im Studio findet die Codierung der Videodaten nach ITU-R BT.601 und der Audiodaten entsprechend AES/ EBU nach den MPEG2-Richtlinien statt. Anschließend werden die Daten-Con- MPEG2-Messgenerator DVG mit Option Stream Combiner (-B1) Erzeugung von MPEG2- Transportstrom-Endlossequenzen * Abkürzungen in Kursiv-Schrift: Erklärung im Kasten Glossar auf Seite Neues von Rohde & Schwarz Heft 168 (2000/III)

2 Sender COFDM-Spektrum, Schulterabstand Spektrumanalysator FSEA 1 pps TV-Demodulator EFA Version DVB-T Sender 1 m TV-Mess-Sender SFQ mit Option DVB-T-Coder (-B10) COFDM-Modulator für DVB-T und HF-Umsetzer als Senderreferenz Eingangspegel, QAM-/QPSK-Parameter im 2k-/8k-COFDM-Mode, Konstellationsdiagramm, BER, MER MPEG2-Messdecoder DVMD mit Option Stream Explorer (-B1) Protokollanalyse mit erweiterten Möglichkeiten Videoqualitätsanalyse nach MPEG2; Decodierung mit erweiterten Möglichkeiten Bildqualitätsanalysator DVQ mit Option Quality Explorer (-B1) PC-Steuerung des Messablaufs Neues von Rohde & Schwarz Heft 168 (2000/III) 31

3 tainer für allgemeine Daten wie Teletext hinzugefügt, ebenso wie die unabdingbaren Tabellen nach den PSI- und SI-Spezifikationen. Das Ergebnis ist ein gemultiplexter, paketierter Transportstrom (TS), der eine Vielzahl von Fernsehprogrammen beinhalten kann. Zur terrestrischen Ausstrahlung im Gleichwellennetz fehlt noch die Synchroninformation für die einzelnen- Sender. Basierend auf führt der MIP-Eintaster alle wichtigen Synchronisationsdaten in den TS ein, der von dort aus die Reise zu allen Sendern des Netzes antritt (BILD 1). Die Transportmittel dafür sind vielfältig: Richtfunk oder Satellitenstrecken mit QPSK-Modulation Kabel bei sehr kurzen Entfernungen oder auch über Glasfaser mit ATM- und SDH/PDH-Protokollen Im Sender: Vom Transportstrom zum DVB-T-Symbol Der DVB-T-Sender moduliert die Daten in COFDM. Hinter dem C für Coded stehen eine Vielzahl von Fehlerschutzmaßnahmen wie Energieverwischung, Reed-Solomon- und Viterbi-Vorwärtsfehlerschutz, die durch den Convolutional- Interleaver und den Bit- und Symbol- Interleaver unterstützt werden. Nach dem Einfügen der Piloten, die der Kanalkorrektur im Empfänger dienen, und der TPS-Träger folgt die eigentliche OFDM- Modulation. Zusammen mit dem zeitlich vorangestellten Schutzintervall (Guard Interval) entsteht das DVB-T-Symbol. Es folgt die D/A-Wandlung und Verstärkung auf die gewünschte Sendeleistung mit flüssigkeitsgekühlten Solid-State- Verstärkern. Durch Parallelschaltung mehreren dieser transistorierten Verstärker werden Ausgangsleistungen im Kilowatt-Bereich erreicht. Die wichtigsten Messungen im Studio Welche Messungen sind nun beim digitalen Fernsehen in MPEG2- und DVB- Signalen nötig und sinnvoll? Die Ausgangssignale des digitalen Studios sind zunächst für alle drei DVB- Systeme bis auf geringe Unterschiede gleich. Im Studio werden mehrere Transportströme einer für jedes Programm codiert. Bereits hier muss sichergestellt sein, dass auch wirklich die zur Ausstrahlung bestimmten TS für die Sendung zusammengefasst werden, denn digitale Kreuzschienen vor dem BILD 3 Program Map Table, ausgegeben vom MPEG2-Messdecoder DVMD. letzten TS-Multiplexer können durch Fehlschaltungen fremde TS durchreichen. Daher ist am Studio ausgang immer das TS-Protokoll in Echtzeit zu überwachen. Die Überwachungsparameter PAT und PMT Neben den Datenraten der einzelnen Programme und deren Elemente sind die Tabellen PAT (Program Association Table) und die PMT (Program Map Table), auf die in den PATs verwiesen wird, die wichtigsten zu überwachenden Parameter. Die PAT enthält eine Liste aller Programme im TS, während die PMTs die zugehörigen Programmelemente beinhalten. In der europäischen Richtlinie ETR 290 [1] sind alle Parameter festgelegt, die ein Monitoring-System erfassen soll. Ein hervorragendes Messgerät dafür ist der MPEG2-Messdecoder DVMD von Rohde&Schwarz (BILD 2), der alle Bedingungen nach ETR 290 erfüllt. Als Beispiele seien hier nur eine PMT (BILD 3), eine in drei Prioritäten unterteilte Fehlerstatistik (BILD 4) und ein Error Report als On Screen Display gezeigt, wie sie die Norm vorschlägt (BILD 5). Am FBAS-Ausgang des DVMD liegt dabei immer das gerade decodierte Programm an. BILD 2 MPEG2-Messdecoder DVMD [3]. Datenblatt PD Foto 43179/3 Tiefergehende Messungen mit dem Stream Explorer Die Wiederholzeiten der PSI- und SI- Tabellen sind entsprechend DVB mit den Einstellungen in ETR290 zu defi- 32 Neues von Rohde & Schwarz Heft 168 (2000/III)

4 BILD 4 Fehlerstatistik, die der MPEG2-Messdecoder DVMD in drei Prioritäten unterteilt. BILD 5 Error Report. nieren oder für MPEG2 mit den Zeitreferenzen nach ISO/IEC zu übernehmen. So vorbereitet werden Programm-Fehlschaltungen sofort entdeckt und die Einhaltung des MPEG2- Protokolls garantiert. Für tiefergehende Messungen gibt die Option Stream Explorer DVMD-B1 Einblick in die Daten der TS-Pakete und die in Klartext interpretierten Tabellen. Eine Überprüfung der Tabelleninhalte stellt sicher, dass sie den jeweiligen DVB-Systemen angepasst sind. Speziell die NIT (Network Information Table) hat für alle drei DVB-Systeme unterschiedliche Eintragungen. Die in Klartext angezeigte NIT verhindert Fehlinterpretationen. Referenz-TS in Endlosschleife Zumindest für die Tests zum Einrichten eines Studios sollten stets wiederholbare Protokoll-Messungen möglich sein. Ein TS mit Life -Programm erfüllt diese Voraussetzung nicht: sein Inhalt ändert sich ständig und liefert deshalb auch unterschiedliche, wenn auch nicht weit voneinander abweichende Messwerte zu verschiedenen Zeiten. Daher ist ein Referenz-TS für diese Messungen wünschenswert. Im MPEG2-Generator DVG (BILD 6) sind für diesen Zweck international genormte, MPEG2-konforme Mess- Sequenzen für Video, Audio, Daten und Tabellen gespeichert. Sie sind als Endlosschleifen beliebig wiederholbar, so dass bequem alle Messungen abgeschlossen werden können. Ungewöhnliche Bedingungen erfordern zuweilen spezielle Signale: Die Option Stream Combiner DVG-B1 Glossar AES/EBU ATM BER COFDM DVB-T DVB-C DVB-S MPEG2 MIP MFN MUX NIT PAT PID PMT PSI QAM QPSK SA SDH/PDH SFN SI SSCQE TA TPS TS erzeugt für jede noch so außergewöhnliche Messung den passenden Datenstrom. Audio Engineering Society/European Broadcasting Union Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex Digital Video Broadcast Terrestrial Digital Video Broadcast Cable Digital Video Broadcast Satellite Global Positioning System Motion Picture Experts Group Mega Frame Initialisation Packet Multi Frequency Network Multiplexer Network Information Table Program Association Table Packetized Elementary Stream Packet Identifier Program Map Table Program Specific Information Quadratur-Amplituden-Modulation Quadrature Phase Shift Keying Spatial Activity Synchronous / Plesiochronous Digital Hierarchy (-Protokoll) Single Frequency Network Service Information Single Stimulus Continuous Quality Evaluation Temporal Activity Transmission Parameter Signalling Transportstrom Neues von Rohde & Schwarz Heft 168 (2000/III) 33

5 BILD 6 MPEG2-Messgenerator DVG [3]. Datenblatt PD Bildqualitätsüberwachung nach SSCQE Nicht nur das MPEG2-Protokoll muss überwacht werden, sondern auch die Bildqualität nach der MPEG2- Codierung am Studioausgang. Die Zuschauer am heimischen Bildschirm erwarten trotz der hohen Datenkompression einen gleichbleibend guten Bildeindruck. Nachdem am Studioausgang meist das Originalbild als Vergleich zum decodierten MPEG2-Bild fehlt, ist ein Verfahren zur Messung der Bildqualität ohne Referenzbild entwickelt worden. Mit einer objektiven Nachbildung des SSCQE-Verfahrens, das in ITU-R BT. 500 beschrieben ist [2], wird im Bildqualitätsanalysator DVQ (BILD 7) die Qualität der MPEG2-codierten und wieder decodierten Videosignale gemessen. Die Bildqualität lässt sich auch über den FBAS-Ausgang mit dem On Screen Display am Videomonitor überwachen. Foto 43166/3 Eine besonders wichtige Zusatzinformation ist die Langzeitüberwachung der Bildqualität mit zusätzlicher Anzeige der Datenrate des gemessenen Programms sowie der TA und der SA, wie sie die Option DVQ-B1 liefert. Diese Option besteht aus zwei Teilen. Die Teil-Option Quality Monitor löst beim Unterschreiten einer Bildqualitätsgrenze Alarm aus. Tritt dieser länger oder öfter auf, müssen speziell bei der Codierung mit Statistical Multiplex die Einstellungen der MPEG2-Coder und der Multiplexeinrichtungen überprüft werden. Nur so ist eine gleichbleibend hohe Bildqualität gesichert. Die zweite Teil-Option, der Elementary Streamer Analyzer, erlaubt den Blick in die Pixel- und Makroblocks sowie in die Ebene der I-, P- und B-Codierung der Einzelbilder. MIP-Überwachung Vor der Verteilung zu den einzelnen Sendern im SFN ist der MIP-Eintaster die letzte Station in der TS-Übertragungskette (BILD 1). Das TS-Paket mit der festen PID 0x0015 enthält eine -gekoppelte Zeitinformation, die zur Synchronisation des gesamten SFN benötigt wird. Ist sie unvollständig oder fehlerhaft, kann die Übertragung im Sendernetz zusammenbrechen. Das Überwachen des MIP-Inhalts ist also vordringlich und funktionell bereits beim MPEG2-Messdecoder DVMD in das TS- Monitoring integriert (siehe auch den Beitrag rechts). Drei Messgeräte decken alle Messungen ab Zur kompletten Überwachung der TS sind lediglich drei Messgeräte von Rohde& Schwarz erforderlich: MPEG2-Messdecoder DVMD, Bildqualitätsanalysator DVQ und für jederzeit vergleichbare Messungen der MPEG2-Generator DVG mit den jeweiligen Optionen. Sigmar Grunwald (wird fortgesetzt) BILD 7 Bildqualitätsanalysator DVQ [4]. Datenblatt PD Foto 43318/3 LITERATUR [1] ETR 290 Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement Guidelines for DVB Systems. [2] ITU-R BT. 500 Method for the Subjective Assessment of the Quality of Television Pictures. [3] Fischbacher, Michael; Weigold, Harald: MPEG2-Generator DVG und MPEG2-Messdecoder DVMD Meßtechnik für das digitale Fernsehen gemäß MPEG2. Neues von Rohde& Schwarz (1996) Nr. 152, S [4] Wörner, Alexander: Bildqualitätsanalysator DVQ Über Bildqualität laufend im Bilde. Neues von Rohde&Schwarz (1999) Nr. 163, S Neues von Rohde & Schwarz Heft 168 (2000/III)