ISDB-T Digitaler terrestrischer Rundfunk in Japan

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1 RUNDFUNKTECHNIK TV- R&S SFQ / R&S SFL ISDB-T Digitaler terrestrischer Rundfunk in Japan Der Wandel von der analogen zur digitalen Rundfunkübertragung vollzieht sich überall: in Breitbandkommunikationsnetzen, in der Satellitenübertragung und bei der terrestrischen Ausstrahlung. In Japan steht nun der Standard ISDB-T vor der Einführung, und Rohde&Schwarz ist mit den TV-n R&S SFQ und R&S SFL (BILD 1) in Entwicklung und Produktion mit dabei. BILD 1 Die beiden R&S SFQ und R&S SFL-I beherrschen den Standard ISDB-T ISDB-T ein Standard für TV, Hörfunk und Datendienste In den 1990er-Jahren entwickelte die japanische Association of Radio Industries and Business (ARIB) einen Übertragungsstandard für den digitalen terrestrischen Rundfunk. Anders als in anderen Teilen der Welt sollte hier ein einziger Standard Fernsehen, Hörfunk und Datendienste abdecken. So entstand der japanische Rundfunkstandard ISDB-T (Terrestrial Integrated Services Digital Broadcasting), in dem die genannten Dienste unabhängig voneinander und in vielen Kombinationen übertragen werden können [1, 2]. Zur Zeit finden ausführliche Feldversuche in mehreren Regionen Japans statt, welche die Leistungsfähigkeit des Systems bestätigen. Unter anderem werden getestet: TV, Daten- und Hörfunk Mobile Multimedia-Dienste Einspeisung in Kabelnetze Notfalldienste TV Shopping, Einkaufsinformationsdienste und Pay TV Single Frequency Networks (SFN) in Gebäuden, auf dem Meer und im Gebirge On-Demand-Dienste u.v.m. Besondere Stärken des Systems sind die Fähigkeit zur Gleichwellenübertragung (SFN), die positiven Eigenschaften beim mobilen Empfang, die Möglichkeit des 32

2 schmalbandigen Empfangs, bei dem nur ein Teil der übertragenen Daten ausgewertet wird (Partial Reception) und die hierarchische Übertragung zur Anpassung an unterschiedliche Empfangsbedingungen. BILD 2 Das ISDB-T- Spektrum. Die bei den Feldversuchen gewonnenen Ergebnisse helfen bei der Einführung des ISDB-T-Regelbetriebs, der in den Jahren 2003 bis 2005 in den drei Hauptregionen Tokio, Nagoya und Osaka aufgenommen wird. Bis 2006 soll ganz Japan mit ISDB-T versorgt sein, so dass im Jahr 2010 die analoge Fernsehausstrahlung eingestellt werden kann. Eigenschaften von ISDB-T Als Quellencodierung für die zu übertragenden digitalen TV-Signale wurde bei ISDB-T wie auch bei den anderen digitalen TV-Standards (z.b. bei DVB-T) das MPEG2-Verfahren gewählt. Im HF-Übertragungskanal bedient man sich des OFDM-Verfahrens (Orthogonal Frequency Division Multiplex), das Stand der Technik ist, wenn es um die terrestrische digitale TV-Ausstrahlung geht. Die Übertragungsbandbreite beträgt 5,6 MHz, wodurch sich das Signal zur Übertragung in einem 6 MHz breiten Kanal eignet (BILD 2 und 3). BILD 3 Übertragungsparameter für ISDB-T (6-MHz-Kanal). Hierarchische Übertragung In einem Übertragungskanal können zur gleichen Zeit bis zu drei verschiedene Dienste mit unterschiedlichen Übertragungsparametern gesendet werden. Dieses Verfahren wird hierarchische Übertragung genannt und adressiert im Allgemeinen unterschiedliche Empfängertypen (BILD 4). Ein 6 MHz breiter Kanal kann also bei gleicher Infrastruktur unterschiedliche Dienste anbieten: Ein stationärer Fernsehempfänger wird mit einem HDTV-Programm versorgt, Modus 1 Modus 2 Modus 3 Anzahl der Segmente 13 Bandbreite 5,575 MHz 5,573 MHz 5,572 MHz Trägerabstand 3,968 khz 1,984 khz 0,992 khz Anzahl der Träger Trägermodulation QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSK Symbole pro Rahmen 204 Symboldauer (eff.) 252 µs 504 µs 1008 µs Schutzintervall 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 IFFT-Länge 2K 4K 8K Innerer Code Code (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) Äußerer Code Reed-Solomon (204,188) mobile TV-Empfänger im Reisebus erhalten ein Fernsehbild in geringerer Auflösung, portable Empfänger im Handyformat erhalten das gleiche Fernsehprogramm mit entsprechend reduzierter Auflösung. Zusatzinformationen zum laufenden Programm können übertragen und vom Zuschauer bei Bedarf abgerufen werden. Partial Reception Der teilweise Empfang des Sendespektrums (Partial Reception) ist ein Spezialfall der hierarchischen Übertragung. Das OFDM-Spektrum besteht aus 13 Segmenten (BILD 4). Beschränkt man die Einflussweite der Übertragungsparameter auf ein einziges OFDM-Segment, so kann dieses Segment unabhängig von den übrigen 12 Segmenten empfangen werden. Ein schmalbandiger Empfänger, der lediglich dieses eine OFDM-Segment auswertet, erhält somit ein vollständiges Empfangssignal. Durch geeignete Wahl der Übertragungsparameter kann dieses Segment besonders robust gegenüber Störungen ausgelegt werden. Somit adressieren die angebotenen Dienste insbesondere mobile und portable Empfänger wie z.b. Mobiltelefone und PDAs 33

3 RUNDFUNKTECHNIK (Personal Digital Assistants). Anwendungen sind beispielsweise der Downstream für mobiles Internet oder der Download von Video, Audio und Software. Ton / Daten HDTV Ton / Daten SDTV (Mobiler Empfang) SDTV (Stationärer Empfang) Kanalcodierung BILD 5 zeigt den funktionalen Aufbau der Kanalcodierung bei ISDB-T. Grundsätzlich sind drei identische Zweige vorhanden (hierarchische Codierung). 5,6 MHz Spektrum 5,6 MHz Spektrum Zunächst durchläuft der Transportstrom den äußeren Coder, in dem der Reed- Solomon-Code auf jedes Transportstrompaket angewendet wird. Dies versetzt den Empfänger in die Lage, bis zu acht fehlerhafte Bytes in einem Transportstrompaket zu korrigieren. BILD 4 Breitband- ISDB-T-Empfänger Prinzip der hierarchischen Übertragung und der Partial Reception. Schmalband- ISDB-T-Empfänger Der auf diese Weise fehlergeschützte Datenstrom durchläuft nun einen Splitter, der die Transportstrompakete auf bis zu drei hierarchische Layer aufteilt. Das folgende Modul addiert eine Pseudo Random Binary Sequence (PRBS) zum Datenstrom, damit eine ausreichende Anzahl binärer Wechsel sichergestellt ist. Abhängig von den Übertragungsparametern und Coderate ergeben sich durch das byteweise im Sender und das De- im Empfänger unterschiedliche Verzögerungen der Datenströme in den drei Zweigen. Um den Aufwand im Empfänger gering zu halten, wird im Coder ein Laufzeitausgleich ( ) durchgeführt. Dieses Modul verzögert die drei Datenströme so, dass spätere Laufzeitunterschiede bereits vorab ausgeglichen sind. Der nun folgende Interleaver trennt benachbarte Daten voneinander, indem er die Reihenfolge umsortiert. Im Übertragungskanal treten häufig burstartige Fehler auf, die immer aufeinander folgende Daten stören. Der De-Interleaver im Empfänger stellt jedoch die ursprüngliche Reihenfolge der Daten wieder her. Burstfehler werden bei diesem Vorgang zu Einzelfehlern umsortiert, die der Reed-Solomon-Decoder dann korrigieren kann. Der Coder mit integriertem Punktierer fügt dem Datenstrom weitere Redundanz hinzu, um eine Fehlerkorrektur im Empfänger zu ermöglichen (Viterbi Decoder). Die Coderate lässt sich entsprechend den gewünschten Übertragungseigenschaften des Systems wählen. BILD 6 zeigt den funktionalen Aufbau des OFDM-sblocks bei ISDB-T. Der erste Block führt die durch. Hierzu gehören ein bitweises mit Laufzeitausgleich und das Mapping in das Konstellationsdiagramm der. Mögliche Konstellationen bei ISDB-T sind DQPSK, QPSK, 16QAM und 64QAM. Die Konstellation kann entsprechend den gewünschten Übertragungseigenschaften des Systems gewählt werden. Das bitweise und der Laufzeitausgleich werden automatisch passend hierzu gewählt. BILD 5 Die Kanalcodierung bei ISDB-T. Splitter Multiplexing Outer Code RS (204,188) OFDM 34

4 Channel Synthesis of Hierarchical Burst Stream Time Interleaver Frequency Interleaver OFDM Frame Adaptation IFFT Guard Interval Insertion Control Signal BILD 6 Prinzip des sblocks bei ISDB-T. Es folgt die Synthese des hierarchischen Datenstroms. Dazu werden die komplexen, gemappten Daten aus jedem der drei Zweige zu einem seriellen Datenstrom aneinander gehängt. Das anschließende symbolweise Time erledigt ein Intra-Segment Time Interleaver, dessen Tiefe für jeden Layer unabhängig eingestellt werden kann. Auch dem Time Interleaver ist ein Laufzeitausgleich zugeordnet, um unterschiedliche Laufzeiten in den Zweigen auszugleichen. Das folgende Frequency verwürfelt die Daten innerhalb eines OFDM-Symbols, also in der Frequenzebene. Zunächst wirkt ein Inter-Segment Interleaver zwischen denjenigen OFDM- Segmenten, welche dieselbe aufweisen. Es folgt ein Intra-Segment Interleaver, der die Daten innerhalb eines Segments rotiert. Abschließend durchlaufen die Daten einen Intra- Segment Randomizer, der sie innerhalb eines Segments an quasi-zufällige Positionen verschiebt. Durch Hinzufügen von Pilotträgern werden nun aus jeweils 204 OFDM-Symbolen Rahmen gebildet. Die Baugruppe fügt abhängig vom Modus und der gewählten an unterschiedlichen Positionen im Datenstrom Pilotträger, TMCC-Träger (Transmission and Multi plexing Configuration Control) und AC-Träger (Auxiliary Channel) hinzu. Die so erzeugten Daten unterzieht man einer inversen Fouriertransformation (IFFT), um sie vom Frequenz- in den Zeitbereich zu überführen. Die Länge der IFFT ist abhängig vom gewählten ISDB-T- Modus und kann 2K, 4K oder 8K betragen. Durch Einfügen eines Schutzintervalls werden die OFDM-Symbole um einen bestimmten Faktor verlängert (1/4, 1/8, 1/16 oder 1/32). Diese Maßnahme hat positiven Einfluss auf die Empfangseigenschaften bei Mehrwegeausbreitung. BILD 7 Der R&S SFQ zeigt alle Parameter auf einen Blick. Die von Rohde&Schwarz für ISDB-T Rohde&Schwarz bietet den neuen digitalen sstandard in zwei Produktfamilien an. Der bewährte R&S SFQ [3] kann um die Option ISDB-T-Coder (R&S SFQ-B26) erweitert werden. Mit dem R&S SFQ steht ein Multistandardgerät zur Verfügung, das in erster Linie für die Entwicklung von Set-Top-Boxen bestimmt ist. Die Gerätereihe R&S SFL umfasste bisher bereits fünf verschiedene Modelle [4]. Als weiteres wurde nun der R&S SFL-I eingeführt, der hauptsächlich Anwendungen in der Produktion abdeckt. Der neu entwickelte ISDB-T-Coder ist hoch integriert Neues von Rohde&Schwarz 35 Heft 177 (2003/I)

5 Digital signals for antenna, satellite and cable Wide output frequency range from Antenna DVB-T Internal fading simulator 0.3 MHz to 3300 MHz 2K and 8K COFDM 6 or 12 paths Large output level range for transmission, receiver and module measure- Hierarchical coding Rice, Pure Doppler, Log Normal 6/7/8 MHz bandwidth Profiles: Constant Phase, Rayleigh, ments Antenna ATSC Predefined and user-defined profiles Standard DVB, DTV signals and 8VSB FM satellite signals Cable DVB-C Internal noise generator for high-precision C/N settings Several standards in one unit Selectable QAM (quadrature amplitude modulation):16, 32, 64, Internal BER measurement facility for Satellite FM PAL, SECAM, NTSC 128, 256QAM all digital modulation modes (DVB-C, FM and ADR sound subcarrier Satellite DVB-S DVB-S, DVB-T, 8VSB, J.83B) Flexible input interfaces Selectable puncturing rate for Output and input for I/Q signals ASI QPSK (quadrature phase shift SPI keying) SMPTE310 Cable J.83B Selectable QAM (64, 256 QAM) Digital signals for use in production Various optimized models: Standard-conformant DVB and DTV SFL-T for DVB-T standard signals SFL-V for ATSC/8VSB standard Wide output frequency range from SFL-J for ITU-T J.83/B standard 5 MHz to 1100 MHz Antenna DVB-T Large output level range for broadcast 2k and 8k COFDM and receiver measurements Operating parameters variable in a 6 MHz, 7 MHz and 8 MHz wide range QPSK, 16QAM, 64QAM Internal test signals Antenna ATSC Special signals and error signals for 8VSB limit testing and troubleshooting Cable ITU-T J.83/B 64QAM, 256QAM Data interleaver level 1 and level 2 For use in production environments: Wear-free electronic attenuator Fast setting times Flexible input interfaces SPI ASI SMPTE310 I/Q input for external signals Sweep mode for frequency and level User-defined correction tables RUNDFUNKTECHNIK und wie die anderen Coder der Produktfamilie auf nur einem Board untergebracht. Durch die verwendeten FPGA- Bausteine kann auf eventuelle Änderungen oder Erweiterungen des Standards äußerst flexibel reagiert werden. Ein einfacher Software-Update hält die Produktfamilie immer aktuell. Beide, der R&S SFQ und der R&S SFL, lassen sich hervorragend manuell bedienen. Der R&S SFQ verfügt über die bewährte Tastenbedienung, der R&S SFL bietet einen praktischen Rollkey. Das große Display im R&S SFQ (BILD 7) zeigt die relevanten und bequem einstellbaren Bedienparameter auf einen Blick. Beide Geräte lassen sich über den IEC-Bus (IEEE 488) und über die serielle Schnittstelle (RS-232-C) fernbedienen. Weitere Informationen und Datenblätter unter (Suchbegriff: SFQ oder SFL) Simulationsmöglichkeiten Der TV- R&S SFQ liefert ein in allen Punkten normgerechtes HF- Signal. Ein muss natürlich darüber hinaus auch reale Übertragungsbedingungen simulieren können. Der R&S SFQ ist als Stressgenerator konzipiert und erlaubt somit Tests in Grenzbereichen der Spezifikation und darüber hinaus. So können Phase und Amplitude des I/Q-Modulators beeinflusst werden, um ein schlecht abgeglichenes Empfangsteil zu simulieren. Mittels eines Rauschgenerators lassen sich reale Empfangsbedingungen vortäuschen. Die präzise einstellbare Rauschleistung ermöglicht das Bestimmen der BER-Kennkurven von ISDB-T-Empfängern. Auch der END- Punkt, eine wichtige Kenngröße eines Empfängers, kann so bestimmt werden. Der optionale Fading-Simulator zum R&S SFQ ist besonders zur Nachbildung terrestrischer Empfangsbedingungen geeignet. Damit sind hauptsächlich die Reflexionen in ungünstiger Umgebung und die Eigenbewegung eines mobilen Empfängers gemeint. Der TV- R&S SFL verfügt über einen optionalen digitalen Rauschgenerator und ermöglicht somit die gleichen Messungen, die auch mit dem R&S SFQ möglich sind. Für beide Geräte ist eine BER-Option erhältlich, so dass die Qualität eines Messobjektes auch über die Bitfehlerrate beurteilt werden kann. Diese Lösung ist extrem platzsparend, da außer dem Generator keine weiteren Geräte erforderlich sind. Fazit Mit dem ISDB-T-Coder zeigt der R&S SFQ wieder einmal seine universelle Erweiterbarkeit. Er ist das für alle Standards einsetzbare Gerät mit umfassenden Simulationsmöglichkeiten, wie sie in Entwicklung, Service und Qualitätskon trolle gebraucht werden. Der kostengünstige R&S SFL mit seinem optionalen digitalen Rauschgenerator ist die richtige Wahl für die Produktion. Durch Software-Updates lassen sich die Geräte immer an die aktuellen Entwicklungen anpassen. Peter Schmidt ATSC TV Test Transmitter SFQ TV Test Transmitter SFL Datenblatt R&S SFQ Datenblatt R&S SFL LITERATUR [1] ISDB-T-Standard: ARIB STD-B31 [2] Übersicht über die Spezifikationen zu ISDB-T: shosai-e.html [3] TV- R&S SFQ: Normgerechte Signale nach dem digitalen Kabelstandard ITU-T / J.83B. Neues von Rohde& Schwarz (2001) Nr. 170, S [4] TV-Testsender R&S SFL Fünf Spezialisten für die Produktion: Testsignale für alle digitalen Standards. Neues von Rohde& Schwarz (2001) Nr. 172, S Kurzdaten R&S SFQ mit Option ISDB-T-Coder (-B26) Frequenzbereich 0,3 MHz 3,3 GHz Pegelbereich 99 dbm +4 dbm Dateneingänge ASI, SPI, TS PARALLEL+AUX Optionen Coder (für mehrere Standards), Fading, BER, Rauschgenerator, Diversity Fernsteuerung IEC-625 (IEEE 488) und RS-232-C Kurzdaten R&S SFL-I Frequenzbereich 5 MHz 1,1 GHz Pegelbereich 140 dbm 0 dbm Dateneingänge ASI, SPI Optionen BER, digitaler Rauschgenerator Fernsteuerung IEC-625 (IEEE 488) und RS-232-C 36