Nutzung von DVB-T2 für den Gemeinschaftsempfang

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1 Nutzung von für den Gemeinschaftsempfang GEMEINSCHAFTS-ANTENNENANLAGEN (GA) haben sich als Verteilsysteme für Fernsehprogramme in Wohngebäuden bewährt. Das Konzept wurde bereits bei den analogen Programmen genutzt und bietet nun mit der zweiten Generation des digitalen terrestrischen Fernsehens neue Möglichkeiten für diese Art der Fernsehversorgung. AUF EINEN BLICK ist ein standardisiertes Fernseh-Übertragungssystem, das eine ausgeprägte Programmvielfalt ermöglicht, die auch HD-Programme umfasst DIE VERTEILUNG VON kann in Gebäuden mit Hilfe preiswerter e erfolgen. Eine besondere Aufbereitung der Programme ist nicht erforderlich KEINE KOSTEN Gegenüber einem Kabelanschluss fallen bei einer mit gespeisten Gemeinschafts-Antennenanlage für die angeschlossenen Teilnehmer keine monatlichen Nutzungsentgelte an INFOS Fachbeiträge zum Thema Die Medienversorgung mit Fernsehen, Serie»de« S. 60 Fehlercode, Reed Solomon, Qualitätsbeurteilung in Kabelnetzen,»de« S. 62 Optische Übertragung von Fernsehen, Satellitenempfang über LWL-Verteiltechnik,»de« S. 54 Verschlüsselung, Bald schwarzes Bild?»de« S. 67 Das terrestrische Fernsehen DVB T (digital video broadcasting terrestrial) stellt einen der vier Übertragungswege für das digitale Fernsehen dar. Diese Nutzung terrestrischer Sender wird zwar gegenüber Satellit und Kabel durchschnittlich nur von 10 %der TV Haushalte genutzt, sie weist jedoch den Vorteil auf, dass nicht nur stationärer, sondern auch portabler und mobiler Empfang möglich ist. In der bisherigen Version von DVB T lassen sich in einem 8MHz breiten TV Kanal entweder bis zu vier TV Programme in SD Qualität (standard definition) oder ein Programm in HD Qualität (high definition, also mit hoher Bildauflösung) übertragen. In der Praxis handelt es sich allerdings stets um SD Programme. Übersicht zur Technik Die standardisierten Übertragungsparameter bestimmen die vorstehend angeführten Leistungsmerkmale, und dabei unterscheidet man folgende Stufen: digitalisiertes Signal von der Quelle a b c Datenreduktion Quellencodierung Fehlerschutz Kanalcodierung Quellencodierung (= Datenreduktion) Kanalcodierung (= Fehlerschutz) Übertragungsverfahren Modulation Die Quellencodierung (source coding) befreit das zu übertragende Programmsignal von allen redundanten und irrelevanten Anteilen und reduziert dadurch die Datenrate (= Bitrate) signifikant, wobei der Nutzer subjektiv keine Veränderungen gegenüber dem Originalsignal feststellen kann. Es werden nämlich psycho optische Effekte genutzt, die auf dem begrenzten Auflösungsvermögen des menschlichen Auges basieren. Nach dieser Datenreduzierung (data reduction) fasst man die so behandelten Signale mehrerer Programme in einem Multiplexsignal zusammen, um die Übertragungskapazität der 8MHz breiten TV Kanäle optimal zu nutzen. Die Programme stehen dabei gleichzeitig und ohne gegenseitige Beeinflussung zur Verfügung. Weil die Programmsignale durch die Quellencodierung auf minimale Datenrate»abgemagert«wurden, hätten Störeinwirkungen bei der Übertragung unmittelbaren Einfluss auf die Bildqualität. Man schützt deshalb das Multiplexsignal gegen solche Beeinflussungen. Es handelt sich dabei um die Ergänzung Bild 1: Bandbreitenverhältnisse der Quellencodierung und des Fehlerschutzes durch den Übertragungskanal zu übertragendes Signal 57

2 wird. Es besteht in gleicher Weise aber auch eine Abhängigkeit vom gewählten Verfahren der Quellencodierung. Bedingt durch die Standardisierung ergeben sich zwischen DVB T und DVB T2 erhebliche Unterschiede bei den Leistungsmerkmalen. Hier spielt die Quellencodierung eine vorrangige Rolle. Bei DVB T kommt H.262 / MPEG 2 zum Einsatz. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung der Datenrate bei SD Programmen auf 4Mbit/s, im Falle von HD Programmen sind es 14Mbit/s. Die Zahl der OFDM Träger kann bis zu etwa 8000 betragen, gekennzeichnet durch die Kurzform 8k. Für deren Modulation ist gemäß Standard maximal 64 QAM möglich. Als Fehlerschutz verwendet man den Reed Solomon (RS) Code (204, 188) sowie den Faltungsdes Multiplexsignals durch zusätzliche Bits, die eine Art»elektronische Verpackung«des Nutzsignals darstellen. Sie wird als Kanalcodierung (channel coding) bezeichnet und übernimmt die Aufgabe des Fehlerschutzes (error protection) (Bild 1). Bei Störeinwirkungen wird damit das Nutzsignal vor Beeinflussungen geschützt. Δf Kodierungsverfahren im Vergleich Für die Übertragung der quellen und kanalcodierten Signale können ein oder mehrere Trägersignale zum Einsatz kommen. Beim digitalen terrestrischen Fernsehen verwenden die Sender das Mehr Träger Verfahren OFDM (orthogonal frequency division multiplex), bei dem jeder Träger einzeln moduliert ist. Die Abstände der Trägerfrequenzen (Δf) sind dabei so gewählt, dass sich diese nicht gegenseitig beeinflussen, weil jeder Träger die Nullstellen der anderen Träger nutzt (Bild 2). Als Modulation für die OFDM Trägersignale kommt in der Praxis Phasenumtastung (phase shift keying, PSK) oder Quadratur Amplitudenmodulation (quadrature amplitude modulation, QAM) zum Einsatz. Die damit jeweils erreichbare Zahl der unterscheidbaren Zustände eines Signals lässt sich in einem Konstellationsdiagramm darstellen. Geeignete Messempfänger stellen diese Signale auf einen Bildschirm dar (Bild 3). Dabei ist auch der durch unvermeidbare Störeinwirkungen auf die Übertragung erforderliche Bereich für die eindeutige Zeichenerkennung ersichtlich. Bei den Modulationsarten ASK bzw. QAM gibt man die Zahl der unterscheidbaren Signalzustände durch eine entsprechende Ziffer vor der Abkürzung an. So bedeutet 8 PSK eine Phasenumtastung mit acht unterscheidbaren Signalzuständen, was man auch als achtwertige Phasenumtastung bezeichnet. Bei 16 QAM handelt es sich um eine 16 wertige Quadratur Amplitudenmodulation, also eine QAM mit sechzehn möglichen unterscheidbaren Signalzuständen. In der Praxis haben folgende Modulationsarten der OFDM Träger eine Bedeutung: 4 PSK (= QPSK), 8 PSK, 16 PSK 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM, 1024 QAM, 4096 QAM Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass die übertragbare Datenrate (= Bitrate) mit steigender Zahl der OFDM Träger und zunehmender Wertigkeit der Modulation größer Bild 2: Darstellung des OFDM-Spektrums (Zeit-Darstellung) ERFORDERLICHE DATENRATEN Programmart code (näheres dazu, siehe Infokasten Fachbeiträge: Fehlerschutz und Infokasten Links: Fehlercode). Bei DVB T2 wird in Deutschland nicht die ursprünglich vorgesehene Quellencodierung MPEG 4 /H.264 /AVC (advanced video coding) für die Programme eingesetzt, sondern die derzeit leistungsfähigste Quellencodierung MPEG H /H.265 /HEVC (high effiency video coding). Bei dieser ergeben sich Ausgangssignale von 1Mbit/s für SD Programme und 4Mbit/s für HD Programme. Durch den Übergang der Quellencodierung auf MPEG H /H.265 /HEVC vervierfacht sich die Zahl der übertragbaren Programme. Tabelle 1 stellt die Datenraten der Programme für die verschiedenen Arten der Quellencodierung zusammen. Quellencodierung MPEG-2/H.262 MPEG-4/H.264 /AVC MPEG-H/H.265/HEVC SD (standard definition) 4Mbit/s 2Mbit/s 1Mbit/s HD (high definition) 14Mbit/s 7Mbit/s 4Mbit/s Tabelle 1: Datenrate für Programme bei unterschiedlicher Quellencodierung Bild 3: Konstellationsdiagramm eines OFDM- Signals, hier mit gutem C/N- Verhältins (rauscharm) 58 de

3 PARAMETER DER TERRESTRISCHEN ÜBERTRAGUNG FEC, Fehlerschutz (Kanalkodierung) DVB-T ConvolutionalCoding+Reed Solomon1/2,2/3,3/4,5/6,7/8 (neu: fett) LDPC +BCH 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 Modulationen QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM Guard Interval, Schutzintervall 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/128, 1/8, 19/256, 1/16, 1/32, 1/128 OFDM-Trägerzahl 2k, 8k 1k, 2k, 4k, 8k, 16 k, 32k verstreut verteilte Pilotsignale kontinuierlich verteilte Pilotsignale 8% of total 1%, 2%, 4%,8%of total 2,0% of total 0,4...2,4% (0,4...0,8% bei 8K...32K) Bandbreite 6MHz; 7MHz; 8MHz 1,7MHz; 5MHz; 6MHz; 7MHz; 8MHz; 10 MHz Typische Datenrate 14 Mbit/s 28Mbit/s Bereich der Datenrate (bei 20dB C/N) Bereich des Störabstands (C/N) ,7 Mbit/s (verwendet: 8MHz) 7, ,3Mbit/s (verwendet: 8MHz) 3, ,9dB 14, ,6dB Tabelle 2: Gegenüberstellung der Parameter der terrestrischen Übertragungstechnik DVB-T und (zweite Gerneration) Als Kanalcodierung kommen bei DVB T2 der BCH (Bose, Chaudhuri, Hocquenghem) Code (siehe auch Infokasten, Links: und der LDPC (low density parity check) Code zum Einsatz, die gegenüber DVB T eine erheblich größere Robustheit gegen Störsignale bewirken. mit koaxialen Leitungen und Bild 5: Verteilnetz für - und - Signale über en Auch DVB T2 arbeitet mit dem Übertragungsverfahren OFDM, es sind hier nun allerdings bis Trägersignale zulässig (also die 32k Variante), was die übertragbare Datenrate entsprechend steigert. Für die Modulation der Trägersignale legt der Standard bis 256 QAM fest, was ebenfalls größere Balun Balun Koax TP mit Twistedpair- (TP) Datenleitungen TP Koax Datenleitung Datenleitung Bild 6: Verteilkonzept über Datenleitungen (Twisted pair) Quelle: DVB-Projekt Werte für die übertragbare Datenrate ermöglicht. Die für DVB T2 aufgezeigten, besseren Leistungsparameter gegenüber DVB T stellen eine typische Form der technischen Evolution dar. Deren Realisierbarkeit ist bedingt durch die technologische Entwicklung, zu der unter anderem schnellere Prozessoren und leistungsfähigere Speicher gehören. Ein Vergleich der technischen Daten von DVB T und DVB T2 zeigt Tabelle2. Die Informationen stammen vom DVB Projekt in Genf (CH). In der Praxis stehen beim digitalen terrestrischen Fernsehen in jedem 8 MHz Kanal folgende Übertragungskapazitäten zur Verfügung: DVB T: 14Mbit/s DVB T2: 28Mbit/s Damit kann DVB T maximal vier SD Programme oder ein HD Programm pro Kanal übertragen. Wegen der größeren Übertragungskapazität und der besseren Quellencodierung steigt diese Zahl bei DVB T2 auf 28 SD Programme oder sieben HD Programme an. Es besteht aber auch die Möglichkeit einer beliebigen Mischung von SD und HD Programmen, wobei jedes HD Programm den Platz von vier SD Programmen benötigt. Geht man von einer hälftigen SD/HD Aufteilung aus, dann handelt es sich um 14 SD Programme und sieben HD Programme in einem TV Kanal. Diese Kombination wird als Multiplexsignal übertragen, bei dem geänderte Anforderungen ohne großen Aufwand erfüllt werden können. Die Kanalkapazitäten im Sendernetz Bild 4: -Logo Die bisherigen Planungen für DVB T2 gehen von zwei bis drei Kanälen und einer möglichst flächendeckenden Versorgung aus. Damit wäre der Empfang von 42 bzw. 63 Programmen möglich, was eine Vielfalt mit hoher Bildqualität bedeutet. Für den Empfang der Programme kommt man wegen der Sendernetzplanung in der Regel mit nur einer Antenne aus. Bedingt durch die als Digitale Dividende Iund II bezeichnete Frequenzzuweisung an den Mobilfunk, hat sich allerdings der bisherige Frequenzbereich für das digitale terrestrische Fernsehen von 470MHz bis 862MHz (Kanal 21 bis Kanal 69) auf 470MHz bis 694MHz (Kanal 21 bis Kanal 48) reduziert. Die meisten Programme werden als»free TV«zur 59

4 elektrooptischer Wandler U Φ PLC- Adapter IP en optische Leitung Stromleitungen mit optischen Leitungen Stromnetz (230V/50Hz) optische Leitung Stromleitungen optoelektrischer Wandler Φ U Φ Lichtstrom U Spannung PLC-WLAN- Router PLC- Adapter IP en Bild 7: Verteilkonzept über optische Leitungen Bild 8: Verteilkonzept über Stromleitungen (Powerline) Verfügung stehen und damit außer den Investitionen für die Empfangseinrichtung keine monatlichen Entgelte erfordern. Vorstehend aufgezeigte Situation ist nicht nur für den Individualempfang als Ersatz für den Kabelanschluss interessant, sondern auch für den Gemeinschaftsempfang in Wohngebäuden, aber auch größeren Wohnanlagen (Siehe Infokasten»Fachbeiträge zum Thema«, Verschlüsselung). Das Angebot von über vierzig Programmen ermöglicht nämlich eine solide»grundversorgung«, die mit Hilfe einer über ein geeignetes den Mietern oder Wohnungseigentümern als Nutzern preisgünstig zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei bieten sich grundsätzlich folgende Varianten an: Verteilung als DVB T2 Programme (Bild 4) Umsetzung und Verteilung als DVB C Programme Bisherige DVB-T-Technik nicht weiter nutzbar Dabei muss man allerdings berücksichtigen, dass zwischen dem bisherigen DVB T und der neuen Generation des digitalen terrestrischen Fernsehens DVB T2 keine Kompatibilität besteht. Deshalb können die Nutzer der vielen TV Geräte mit verfügbarem DVB T Tuner diese für DVB T2 nicht verwenden. Es Für die Programmverteilung der empfangenen DVB T2 Kanäle als DVB T2 und/oder DVB C über das können folgende Technologien zum Einsatz kommen: Koaxiale Leitungen Datenleitungen Optische Leitungen Stromleitungen Man muss allerdings in der jeweils die für das Verteilmedium geeigneten Schnittstellen bereitstellen. Die klassische und bewährte Form der e für Gemeinschafts Antennenanlagen (GA) basiert auf koaxialen Leitungen, die wegen ihres unsymmetrischen Aufbaus selbstabschirmend wirken und deshalb besonders gegen die Abstrahlung und Einwirkung von Störsignalen geschützt sind. Es lassen sich deshalb noch vorhandene Alt Netze gegebenenfalls für die Verteilung des DVB T2 Programmangebotes verwenden. Dabei sollte allerdings vorher geprüft werden, welche technischen Leistungsmerkmale das Netz aufweist. Das lässt sich auch mit Datenleitungen betreiben, also verdrillten Zweidrahtleitungen (Twisted pair), die eine Schirmung aufweisen. Diese kann entweder für jede der beiden Adern gegeben sein oder für das Adernpaar gesamt. Schirmung, Frequenzbedarf somit entweder neuer TV Geräte mit integriertem DVB T2 Tuner oder des Einsatzes von Set Top Boxen (STB) für DVB T2. Der einfachste Weg zum vorstehend skizzierten Gemeinschaftsempfang besteht im Empfang der DVB T2 Kanäle und die in der Frequenzlage unveränderte Durchleitung in das. Dabei muss lediglich sichergestellt sein, dass an jeder ein für die Empfänger ausreichender Signalpegel im Frequenzbereich 470MHz bis 694MHz verfügbar ist. Durch Konverter können die Kanäle allerdings frequenzmäßig auch so verlagert werden, dass sie zum Beispiel unmittelbar nebeneinander liegen und damit nur einen schmalen Frequenzbereich benötigen. Es kann in der auch die Transcodierung von DVB T2 in DVB C erfolgen, wobei sich die Lage der DVB C Kanäle beliebig wählen lässt. Für den Empfang sind in diesem Fall verständlicherweise DVB Cfähige Empfangseinrichtungen erforderlich (d. h. TV Geräte oder Set Top Boxen, STB). Um mehr Unabhängigkeit von den Endgeräten zu erreichen, kann das DVB T2 Programmangebot als DVB T2 und als DVB C im verteilt werden. Das Konzept dafür zeigt Bild 5 für ein mit koaxialen Leitungen. Es bedarf allerdings der Einzelfallprüfung, ob der damit verbundene technische Aufwand sinnvoll erscheint. Varianten der Verteilnetze 60 de

5 Gebäude +KommuniKation umfang und Leitungsdämpfung weisen bei Kat-6- und Kat-7-Datenkabeln zu Koaxialkabeln vergleichbare Werte auf. Da die n und die Endgeräte koaxiale Anschlüsse haben, benötigt man allerdings für die Datenkabel entsprechende passive Baugruppen für die Adaption (Anpassung) als Übergänge. Diese werden üblicherweise als»balun«(balanced/unbalanced) bezeichnet, wobei»balanced«die symmetrische Struktur der Datenleitungen gegen Masse bzw. Erde meint, während»unbalanced«die Unsymmetrie koaxialer Leitungen gegen Masse bzw. Erde kennzeichnet (Bild 6). Ansonsten weist ein mit Datenleitungen aufgebautes die gleiche Funktionalität auf, wie ein leitungsgebundenes lokales Datennetz (local area network, LAN). Es lässt sich auch für sonstige Datenübertragung nutzen, weil die -Programme nur einen kleinen Teil der gesamten Übertragungskapazität erfordern. Bei vorhandenen LANs sollte deshalb stets auch die Nutzung für die Verteilung von - Programmen geprüft werden. Alternative: Lichtwellenleiter Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV (electromagnetic compatibility, EMC) stellt der Einsatz optischer Leitungen bei en die optimale Lösung dar. Diese Lichtwellenleiter (LWL) können aus Glasfasern (Gf) oder Polymerfasern (polymer optical fiber, POF) bestehen. Beide lassen sich wegen ihrer geringen Dimensionen einfach verlegen, wobei sich POF für die Eigeninstallation besser eignet. Sie weisen zwar gegenüber Glasfasern erheblich größere Werte für die Leitungsdämpfung auf, was jedoch bei den typisch, kürzeren Leitungslängen in en in der Regel keine Probleme bewirkt. Der Einsatz optischer Leitungen erfordert allerdings an der und bei den n in den Wohnungen stets die Umsetzung der elektrischen Signale in optische Signale und umgekehrt. Dies erfolgt mit Hilfe elektro-optischer Wandler bzw. opto-elektrischer Wandler (Bild 7). schaftsempfang dieser Programme lässt sich durch ihre Einspeisung in dafür geeignete e kostengünstig ermöglichen, wobei für diese verschiedene Technologien zum Einsatz kommen können. Auf diese Weise stehen dann die ursprünglich, terrestrisch empfangenen Programme per Leitungsverbindung gleichzeitig einer großen Zahl von Nutzern unkompliziert zur Verfügung. Ein Internetzugang ist über das in diesem Beitrag beschriebene Konzept der -Nutzung nicht möglich, weil es sich um reine Programmverteilung handelt. Er lässt sich jedoch über das Internet (DSL-Anschluss)oder bei Kabelnetzen ohne Buchung des Programmangebots realisieren. Autor LinkS (Fehlercode) Ulrich Freyer freier Medienjournalist Alternative: Das Stromnetz Als kann grundsätzlich auch die in jedem Wohnhaus vorhandene Infrastruktur für die Signalverteilung genutzt werden, nämlich das eigentlich für die Energieversorgung konzipierte Stromnetz. Dieses bietet in der Praxis in allen Räumen Steckdosen als Anschlussstellen. Die Übertragung erfolgt dabei im Rahmen von PLC (power line communication), also auf IP (internet protocol)-basis. Deshalb müssen die empfangenen -Signale in der oder durch nachgeschaltete Funktionseinheiten auf IP-Signale umgesetzt werden. Diese stehen dann an jeder Steckdose im Wohngebäude zur Verfügung. Mit geeigneten Wandlern besteht dort die Möglichkeit der Umsetzung auf oder. Es kann zusätzlich aber auch ein Adapter mit WLAN (wireless local area network)-funktion zum Einsatz kommen, der dann den Empfang der Programme mit allen WLAN-fähigen Geräten (z.b. Tablet) ermöglicht (Bild 8). Die aufgezeigten Varianten für das weisen bezüglich Funktion und Kosten spezifische Vor- und Nachteile auf. Es ist deshalb stets eine Bewertung für den Einzelfall unbedingt empfehlenswert. Ausblick Die in der Einführung befindliche -Versorgung wird ein vielfältiges Angebot frei empfangbarer SD- und HD-Programme bieten, deren Empfang mit üblichen UHF-Antennen möglich ist. Der Gemein- 61