Praktikum Fehlerreduktionssysteme / Codierungstheorie

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Nachrichtentechnik Lehrstuhl Theoretische Nachrichtentechnik Prof. Eduard Jorswieck, Axel Schmidt Praktikum Fehlerreduktionssysteme / Codierungstheorie Versuch 5: Fehlerkorrektur im digitalen Fernsehen 5.1 Einführung und Versuchsziel Das digitale Fernsehen findet zunehmend Verbreitung, das nunmehr erreichte Preisniveau digitaler Empfänger sowie die Vielzahl der vornehmlich über Satellit (Astra, Eutelsat) abgestrahlten Programme machen es für viele Menschen interessant. Der Versuch soll vor allem einen ersten Einblick in Probleme und Techniken des digitalen Fernsehens vermitteln. Der Standard wurde durch das European Telecommunications Standards Institute (ETSI; www.etsi.org) als ETS 300 421 Digital broadcasting systems for television, sound and data services; Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services mit Wirkung vom 1.1.1995 in Kraft gesetzt und definiert die grundlegenden Verfahren zur Übertragung digitalen Fernsehens über Satelliten (DVB-S). Als sehr gute Einführung in dieses umfangreiche Gebiet sei Digitale Fernsehtechnik (2. Auflage, Springer 1997) von Ulrich Reimers ausdrücklich empfohlen, der sich auch um die Entwicklung des Standards sehr verdient gemacht hat. Die im folgenden kurz dargestellten Sachverhalte finden sich dort wieder. 5.2 Digitalisierung und Kompression Im Rahmen dieses Versuches stehen Probleme der Digitalisierung und Kompression von Video- und Audiosignalen nicht im Mittelpunkt. Deshalb sollen hier nur kurz einige Aspekte und Fakten des verwendeten MPEG-Standards (Moving Picture Experts Group) ohne Anspruch auf Vollständigkeit aufgeführt werden. 5.2.1 Audiosignale Für DVB müssen MPEG-Decoder die Abtastraten 32 khz, 44,1 khz und 48 khz unterstützen. Maximal fallen dabei bei einer Digitalisierung mit 24 Bit und 48 khz Abtastrate für einen Kanal 1152 kbit/s an. Diese Datenmenge wird unter Ausnutzung psychoakustischer Gegebenheiten (Hörschwelle, zeitliche und frequenzmäßige Verdeckungseffekte) reduziert. Technisch geschieht dies durch Zerlegung des Spektrums in 32 Subbänder, welche dann nach Anwendung des psychoakustischen Modelles und unter Beachtung weiterer Einflußfaktoren wie der zu erzielenden Bitrate variabel quantisiert werden. Danach wird unter Einbeziehung eventueller Zusatzdaten der Audio-Bitstrom geformt. Jeder MPEG-Decoder muß dabei 14 verschiedene Bitraten zwischen 32 kbit/s und 384 kbit/s unterstützen. Die verschiedenen Versionen der MPEG-Codierung unterscheiden sich dabei u.a. hinsichtlich der Art der Quantisierung und der Form des entstehenden Datenstromes. 1

5.2.2 Videosignale Die Digitalisierung von Videosignalen kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Gebräuchlich ist z.b. die Abtastung der drei Farbsignale R, G und B mit jeweils 13,5 MHz (Format 4:4:4), was bei einer Quantisierung mit 8 Bit zu einer Datenrate von 324 Mbit/s führt. Verbreitet ist weiterhin die Abtastung des Luminanzsignales Y mit 13,5 MHz und der beiden Farbdifferenzsignale C B und C R mit jeweils 6,75 MHz (Format 4:2:2), was zu einer Datenrate von 216 Mbit/s führt. Diese Datenraten müssen natürlich reduziert werden. Dies geschieht zunächst durch das Weglassen von Synchronstruktur, Prüfzeilen etc. und einer damit verbundenen Beschränkung auf das eigentliche Bild. Die Bilder werden dann als vollständige Bilder (also an dieser Stelle nicht mehr zeilenweise) der weiteren Codierung gemäß MPEG-Standard unterworfen. Diese erfolgt mittels diskreter Cosinus-Transformation und anschließender Quantisierung (ähnlich dem bekannten JPEG-Verfahren), wobei im Vorfeld dieses Prozesses durch komplexe Verfahren eine Redundanzreduktion erreicht wird, d.h. örtliche und zeitliche Abhängigkeiten in der Bilderfolge berücksichtigt werden. Als Stichworte seien hier nur die Bewegungsschätzung von Objekten und die damit zusammenhängende Vorhersage (Prädiktion) von Bildern genannt. Durch eine steuerbare Quantisierung kann weiterhin die Datenrate des erzeugten MPEG-Datenstromes beeinflußt werden. Zur weiteren Information über dieses Gebiet sei neben dem oben erwähnten Buch auch Bilddatenkompression (2. Auflage, Vieweg 2002) von Tilo Strutz empfohlen. Der MPEG2-Standard definiert eine Profile/Level-Tabelle. Diese enthält spaltenweise fünf sogenannte Profile, die bestimmte Besonderheiten des verwendeten Codier-Algorithmus beinhalten, und zeilenweise vier sogenannte Levels, die vor allem Auflösungen und Datenraten angeben. Einige der möglichen Kombinationen von Profil und Level sind noch nicht definiert, andere werden noch nicht genutzt. Die Tabelle ist abwärtskompatibel aufgebaut, d.h. ein Decoder, der für ein bestimmtes Feld der Tabelle konzipiert wurde, muß auch alle kleineren Profile/Level-Kombinationen verarbeiten können. Für DVB wurde die Nutzung des Main Profile at Main Level (MP@ML) festgelegt. Dieses beschreibt Datenströme von bis zu 15 Mbit/s bei einer Auflösung von 720x576 Pixel (4:3 Bildformat, PAL-Auflösung). Tests der MPEG-Gruppierung ergaben eine der analogen Übertragung vergleichbare Bildqualität ab einer Datenrate von etwa 6 Mbit/s, im Normalfall ist ab etwa 9 Mbit/s das digital übertragene Bild vom Original nicht mehr zu unterscheiden. Ein Vergleich dieser Datenraten mit den oben angegebenen eines digitalisierten Videosignales erhellt die Effizienz der Kompression. 5.3 Multiplex-Bildung nach MPEG-2 5.3.1 Packetized Elementary Streams (PES) Die MPEG-codierten Video- oder Audio-Ströme werden einzeln in relativ große Pakete variabler Länge unterteilt und mit Steuerinformationen versehen. Dies geschieht in einem Packetizer, das Ergebnis ist ein sogenannter Packetized Elementary Stream, kurz PES. Den Aufbau eines PES-Paketes zeigt Abbildung 1. Der Start Code Prefix besitzt immer den Wert 00 00 01h. Die Stream Identification weist auf die Art der im Paket enthaltenen Nutzdaten hin. Im PES enthalten sind neben den eigentlichen Daten auch zwei Zeitstempel. Der Decoding Time Stamp (DTS) gibt die Zeit an, zu der mit der Decodierung des PES-Paketes begonnen werden soll. Der Presentation Time Stamp (PTS) gibt die Zeit an, zu der mit der Wiedergabe der Daten begonnen werden soll. Auf diese Weise wird die Synchronität zwischen Bild und Ton gewährleistet. 2

6 Bytes 3 to 259 Bytes up to 65526 Bytes Header opt. PES-Header Paket Data Bytes 3 Bytes 1 Byte 2 Bytes Start Code Prefix Stream Identifi- cation PES Paket Length 2 Bits 2 Bits 1 Byte up to 46 Bytes "10" PES Scrambling Control PES Priority Data Alignment Copyright Original or Copy s PES Header Data Length Optional Fields Stuffing Bytes PTS DTS ESCR Elementary Stream Rate DSM Trick Mode Additional Copy Info PES CRC PES Extension Abbildung 1: Packetized Elementary Stream (PES) Anschließend erfolgt die Zusammenführung mehrerer PES zu einem einzigen Datenstrom. Dies kann ein Program Stream (PS) oder ein Transport Stream (TS) sein, deren wichtigste Unterschiede sind: PS: TS: eine gemeinsame Zeitbasis für alle Teildatenströme Pakete variabler Länge bei Nutzung nahezu ungestörter Kanäle (Studio, Aufzeichnung) eine eigene Zeitbasis für jedes im TS enthaltene Programm möglich feste Paketlänge von 188 Byte bei Nutzung gestörter Kanäle Im Rahmen von DVB werden ausschließlich Transport Streams für die Ausstrahlung über Satellit, Kabel oder terrestrische Sender genutzt. Ihr Aufbau soll daher nachfolgend näher erläutert werden. 5.3.2 Transport Streams (TS) Den Aufbau eines TS-Paketes zeigt Abbildung 2. Synchronbyte: 47h Transport Error : signalisiert einen Übertragungsfehler, der nicht korrigiert werden konnte Payload Unit Start : zeigt an, daß in der folgenden Nutzlast bestimmte Startinformationen enthalten sind, z.b. der Beginn eines neuen PES-Paketes Transport Priority: Festlegung der Priorität des Transportes Paket Identification: s.u. Transport Scrambling Control: zeigt an, ob die folgende Nutzlast verschlüsselt wurde; Header und Adaption Field bleiben in jedem Falle unverschlüsselt Adaption Field Control: Bit 1 = 1 es folgt ein Adaption Field; Bit 2 = 1 es folgen Nutzdaten Continuity Counter: zur Sicherung der Paketreihenfolge 3

4 Bytes 184 Bytes Header Adaption Field (opt.) Payload 1 Bytes 13 Bit 2 Bit 2 Bit 4 Bit Sync Byte: 47h Transport Error Payload Unit Start Transport Priority Packet Identifi- cation Transport Scrambling Control Adaption Field Control Continuity Counter 1 Bytes Adaption Field Length Discon- tinuity Random Access 5 Bit up to 182 Bytes Elementary Stream Priority s Optional Field Stuffing Bytes Program Clock Reference Org Program Clock Ref. Splicing Point Transport Private Data Adaption Extension Abbildung 2: Transport Stream (TS) Ein MPEG-2-Transportstrom kann viele unterschiedliche Datenströme enthalten, die durch die Paket Identification (PID) unterschieden werden. Deren Vergabe ist dem Multiplexer in Grenzen freigestellt. Um dem Decoder eine Zuordnung zu ermöglichen, definiert der MPEG-2 Standard vier Tabellen, die Program Specific Information (PSI). Abk. Name PID max. Wiederholungsrate PAT Program Association Table 0000h 0,1 s PMT Program Map Table 0020h..1FFEh 0,1 s CAT Conditional Access Table 0001h 0,1 s NIT Network Information Table 0010h 10,0 s Tabelle 1: Program Specific Information (PSI) PAT: PMT: CAT: NIT: Liste der im Transportstrom enthaltenen Programme und PIDs der zugehörigen PMTs Programmnamen, Copyright, PIDs der zugehörigen Einzelströme Private Data für Conditional Access (Verschlüsselung, Zugriffsberechtigungen) Private Data, z.b. Orbitpositionen, Transpondernummern Innerhalb des DVB-Projektes werden darüber hinaus weitere Tabellen definiert, die unter dem Begriff Service Information (SI) zusammengefaßt werden. Darin enthalten sind z.b. Informationen zum gesamten Programmangebot des Anbieters, zu den laufenden sowie den folgenden Sendungen, Klassifizierungen der Sendungen oder Informationen, die mittels Electronic Program Guide (EPG) genutzt werden können. Alle diese Tabellen müssen nicht in jedem Falle komplett übertragen werden, sondern es genügt mitunter, einzelne Sektionen zu aktualisieren. Besonders wichtig ist die Regenerierung des Encoder-Taktes. Zu diesem Zweck wird mindestens alle 0,1 s vom Multiplexer eine Program Clock Reference (PCR) in den Transportstrom eingefügt. Mittels dieses Zeitstempels wird der im Decoder geführte System Time Clock (STC), der einen mit dem 27 MHz Decoder-Takt betriebenen Zähler darstellt, synchronisiert. Jede Änderung der Zusammensetzung des Transportstromes macht demnach auch eine Anpassung dieser PCR erforderlich (sogenanntes Restamping ). 4

5.4 Der Satellitenstandard und seine Decodertechnik 5.4.1 Encoderseitige Signalverarbeitung In Abbildung 3 ist der Aufbau der senderseitigen Signalverarbeitung dargestellt. Daten Takt Basisband- Schnitt- stelle & Sync.- Abtrennung Energiever- wischung & Sync.- Inversion Äußerer Encoder RS (204,188) Faltungs- Interleaver Innerer Encoder Faltungs- code Punkt. I Q Basisband- Filterung I Q QPSK- Modulator zur Sender- einheit Takt- und Synchronisations- Erzeugung Abbildung 3: Sendeseitige Signalverarbeitung Zunächst erfolgt die Synchronisation auf den eingespeisten TS. Danach erfolgt eine Energieverwischung, die für den verwendeten Träger (zur Vermeidung von Intermodulationen während der Umsetzung/Verstärkung der Signale im Satelliten wird pro Transponder nur ein Träger genutzt) ein möglichst gleichverteiltes Leistungsdichtespektrum sichert. Dies geschieht durch XOR-Verknüpfung der Daten mit einer Pseudozufallsfolge, welche mittels eines rückgekoppelten Schieberegisters erzeugt wird. Die Synchronbytes bleiben von diesem Vorgang unbeeinflußt, das Schieberegister läuft jedoch auch während der Übertragung der Synchronbytes weiter. Nach jedem achten Frame erfolgt eine Neuinitialisierung des Schieberegisters, jedes achte Synchronbyte wird zur Steuerung des empfängerseitigen Schieberegisters invertiert. Für die Fehlerschutzcodierung kommt eine verkettete Codierung aus einem Blockcode, einem Interleaver und einem Faltungscode zum Einsatz. Als Blockcode wird ein (255,239)-Reed-Solomon-Code eingesetzt, welcher mit Symbolen von 8 Bit Länge arbeitet und 8 fehlerhafte Bytes korrigieren kann. Da ein TS-Paket nur eine Länge von 188 Byte hat, werden die fehlenden 51 Bytes gleich null gesetzt und nicht übertragen, resultierend ergibt sich ein (204,188)-RS-Code. Der Interleaver, dargestellt in Abbildung 4, ist ein Faltungsinterleaver mit einer Blocklänge von 204 Byte (Interleavingtiefe=12, Basisverzögerung=17) entsprechend der Länge eines RS-codierten TS- Paketes. Ursprünglich benachbarte Bytes liegen damit bei der Übertragung um mindestens 205 Bytes voneinander getrennt. Zur Synchronisation des Interleavers wird das Synchronbyte jeweils dem Zweig 0 zugeführt, auf der Senderseite also ohne Verzögerung übertragen. 0 Synchronwortroute 0 0 Synchronwortroute 17x11 0 1 Byte pro Position 1 2 3 17x1 17x2 17x3 2 3 1 8 9 10 17x3 17x2 17x1 9 8 10 11 17x11 11 11 11 Interleaver I=12 De-Interleaver I=12 Abbildung 4: Interleaver / De-Interleaver Es folgt ein Faltungscoder mit einer Basiscoderate 1/2, welcher in Abbildung 5 dargestellt ist. Um die Codierung flexibel an den jeweiligen Kanal anpassen zu können, sind verschiedene Möglichkeiten der Punktierung vorgesehen. In Abbildung 6 sind die Punktierungsschemata dargestellt sowie die nachfolgend notwendigen Umordnungen der Bits. Diese sind erforderlich, da die folgenden Stufen zwei Dateneingangspfade (I- und Q-Signal) aufweisen, welche gleichzeitig gespeist werden müssen. 5

+ + + G 1 (x)=171 okt + X Rate 1/2 d=10 + + + G 2 (x)=133 okt + Y Abbildung 5: Faltungscoder Rate 2/3 d=6 X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y4 X1 X3 Y1 Y2 Y3 Y4 X1 Y2 Y3 Y1 X3 Y4 Rate 3/4 d=5 X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 X1 X3 Y1 Y2 X1 Y2 Y1 X3 Rate 5/6 d=4 X1 X2 X3 X4 X5 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 X1 X3 X5 Y1 Y2 Y4 X1 Y2 Y4 Y1 X3 X5 Rate 7/8 d=3 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X1 X5 X7 X1 Y2 Y4 Y6 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y1 Y2 Y3 Y4 Y6 Y1 Y3 X5 X7 Abbildung 6: Punktierungsschemata Über ein Filter zur Bandbegrenzung und Impulsformung werden die Signale anschließend dem QPSK- Modulator zugeführt, dessen Ausgangssignal an den Sender weitergeleitet wird. 5.4.2 Decoderseitige Signalverarbeitung Abbildung 7 zeigt den Aufbau der empfangsseitigen Signalverarbeitung. 2. ZF vom Tuner 479.5 MHz QPSK- Demod. I Q Basisband- Filterung I Q Depunkt. Viterbi- Decoder Sync-Byte- Detector Faltungs- De- interleaver RS- Decoder Entfernung der Energiever- wischung Basisband- Schnitt- stelle zum Demulti- plexer Referenzphasenkontrolle,Code- ratenkontrolle, Synchronisation Abbildung 7: Empfangsseitige Signalverarbeitung Der Demodulator erhält ein Signal mit einer Trägerfrequenz von 479,5 MHz (2. Satelliten-ZF). Dieses wird demoduliert, wobei der Demodulator die richtige Phasenlage nicht kennen kann und deshalb zufällig eine auswählt. Eine Korrektur der Phasenlage findet stufenweise in den weiteren Blöcken auf digitaler Ebene statt. Nach einer Filterung wird das Signal den weiteren Stufen zugeleitet. Der Viterbi-Decoder muß die fehlenden Parameter Referenzphase der Demodulation Punktierungsschema Synchronisation der Depunktierung ermitteln. Dies geschieht, indem alle möglichen Kombinationen durchgespielt werden. Die jeweils erhaltenen Daten werden erneut codiert und punktiert, danach mit den ursprünglich vorhandenen Daten verglichen und die Rate der korrigierten Bitfehler ermittelt. Nur für die korrekte Kombination der drei 6

Parameter (mit einer eventuell noch um 180 verschobenen Referenzphase) wird die Bitfehlerrate im Bereich der Bitfehlerwahrscheinlichkeit des Kanales liegen. Die Daten gelangen nun zum Sync Byte Detector, welcher zur Unterteilung des Datenstromes in TS- Pakete die Lage der Synchronbytes ermittelt. Dabei ist wegen der sendeseitigen Energieverwischung jedes achte Synchronbyte invertiert. Treten je sieben invertierte und ein nicht invertiertes Synchronbyte auf, beträgt der Phasenfehler noch 180, was durch Inversion des gesamten Datenstromes korrigiert wird. Synchronisationssignale für die folgenden Verarbeitungsstufen werden aus den ermittelten Synchronbytes abgeleitet. Der De-Interleaver, dargestellt in Abbildung 4, arbeitet prinzipiell genauso wie der Interleaver. Die Verzögerungen der einzelnen Pfade sind jedoch entgegengesetzt denen des Interleavers, d.h. Pfad 0 besitzt die größte Verzögerung. Wie im Interleaver werden die Synchronbytes dem Pfad 0 zugeordnet. Der RS-Decoder fügt zunächst die nicht übertragenen 51 null-gesetzten Bytes in jeden Block ein und decodiert den Block anschließend. Werden mehr Fehler erkannt, als korrigiert werden können, setzt der Decoder das Transport Error -Bit im Kopf des TS-Paketes, um den folgenden Verarbeitungsstufen einen Fehler im Datenstrom zu signalisieren. Danach wird die Energieverwischung rückgängig gemacht. Dies geschieht mit dem gleichen rückgekoppelten Schieberegister wie auf der Sendeseite, dessen Synchronisation durch die Inversion jedes achten Synchronbytes gewährleistet ist. Die invertierten Synchronbytes werden anschließend erneut invertiert, womit (bei fehlerfreier Übertragung bzw. bei korrigierbaren Fehlern) der ursprüngliche TS wieder hergestellt ist. Dieser wird nun zur weiteren Verarbeitung an einer Basisband-Schnittstelle zur Verfügung gestellt. 5.4.3 Leistungsfähigkeit und Grenzen Das Ziel des Fehlerschutzes besteht in der Erreichung einer nahezu fehlerfreien Übertragung der Daten (quasi-error-free; QEF). Darunter wird im Allgemeinen das Auftreten nur eines Fehlerereignisses pro Stunde verstanden, im Falle von DVB-S bedeutet dies eine Fehlerrate von etwa 10 10 bis 10 11. Um dies zu erreichen, darf die BER am Eingang des RS-Decoders einen Wert von etwa 2 10 4 nicht übersteigen. Das erfordert einen gewissen Mindestwert des Signal-Rausch-Abstandes am Empfängereingang, der von der verwendeten Coderate abhängt. Die in Tabelle 2 angegebenen Werte sind im Satellitenstandard enthalten und wurden durch Simulationen gewonnen. Dabei bezieht sich die Energie pro Bit E b auf die tatsächlichen Informationsbits, auf die die Energie des codierten Bitstromes umgerechnet wird. Das notwendige Verhältnis von Träger- zu Rausch-Leistung C/N kann mittels des Faktors (2R i R o ) [2 Bit/Symbol, Coderaten des inneren bzw. äußeren Codes] ermittelt werden und wird praktisch durch Sendeleistung, Antennendurchmesser und -ausrichtung, meteorologische Bedingungen u.a. beeinflußt. Coderate R i E b /N 0 [db] C/N [db] 1/2 4,5 4,1 2/3 5,0 5,9 3/4 5,5 6,9 5/6 6,0 7,9 7/8 6,4 8,5 Tabelle 2: Für QEF erforderlicher Signal-Rausch-Abstand Bei Unterschreitung dieser Werte kommt es zu nicht korrigierbaren Fehlern, d.h. der vom Empfänger abgegebene TS enthält Fehler bzw. als fehlerhaft markierte Pakete. Die Auswirkungen dieser Fehler sind entsprechend ihrer Lage und damit der Bedeutung der betroffenen Bits sehr unterschiedlich, am bekanntesten sind die sichtbar werdenden Klötzchen-Strukturen im Bild oder Aussetzer des Tones. 7

Bei digitaler Übertragung von Daten ist der Übergangsbereich von fehlerfreier Übertragung zum Totalausfall jedoch naturgemäß sehr klein, da die Fehlerrate am Decoder-Ausgang dann rapide ansteigt. Mit der zur Verfügung stehenden Empfangsantenne kann dieser Übergangsbereich jedoch recht gut dargestellt werden. Die tatsächlich nutzbare Nettodatenrate wird vornehmlich von der Transponderbandbreite und deren Ausnutzung (spektrale Effizienz) beeinflußt. Im Falle von QPSK beträgt diese theoretisch 2 bit/(s Hz). Praktisch werden aber wegen nichtidealer Filter und von Satellit zu Satellit leicht variierend nur Werte von etwa 1,53..1,57 bit/(s Hz) erreicht, d.h. das Verhältnis von Bandbreite zu Symbolrate beträgt etwa: BW = 1, 27..1, 31 R S Hz Symbole s Gebräuchliche Symbolraten der Astra-Satelliten sind 27,5 Mbaud (für Kanalabstände von 39 MHz) und 22 Mbaud (für Kanalabstände von 29,5 MHz). Für erstere ist mit der Punktierung 3/4 eine Nettodatenrate von rund 38 Mbit/s erzielbar, für letztere mit der Punktierung 5/6 eine Nettodatenrate von knapp 34 Mbit/s. Vergegenwärtigt man sich die Tatsache, daß über einen Transponder aber teilweise 12 Fernsehprogramme ausgestrahlt werden, wird nach den Aussagen in 5.2.2 klar, daß die Qualität der übertragenen Bilder leider bei weitem nicht an das Mögliche heranreicht und von der oft beworbenen besseren Bildqualität digitaler Programme keine Rede sein kann. 5.5 Versuchsbeschreibung 5.5.1 Versuchsaufbau Abbildung 8: Versuchsaufbau Antennen-Steuergerät: Mit diesem Gerät wird eine genaue Positionierung der Satellitenantenne ermöglicht. Durch eine Verschiebung der Antenne aus der idealen Empfangsposition heraus wird das Signal-Rausch-Verhältnis künstlich verschlechtert, was durch andere Maßnahmen schwer mit der benötigten Feinheit realisierbar ist. Erst dadurch werden Untersuchungen der Fehlerschutz-Mechanismen möglich gemacht. DVB-Empfänger: Als DVB-Empfänger wird eine TechniBox CAM 1 plus eingesetzt. Diese ist mit einer gegenüber den handelsüblichen Geräten leicht veränderten Software versehen, die unter anderem das Auslesen der vor dem Viterbi-Decoder vorliegenden Bitfehlerrate (intern bereits über 500.000 Symbole gemittelt), des intern geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisses E b /N 0 (bezüglich dieser Schätzung gibt es vom 8

Schaltkreis-Hersteller LSI leider keine Informationen) und des internen Registerwertes zur Steuerung der Verstärkung (AGC) ermöglicht. Die Box wird dazu über die serienmäßige RS232-Schnittstelle an den Rechner angeschlossen. Datenerfassung: Die Datenerfassung wird mittels Software realisiert, welche die Verbindung zum DVB-Empfänger und das Auslesen der Werte übernimmt. Dazu ist das Programm mit dem Icon DVB Praktikum zu starten, es erscheint das in Abbildung 9 dargestellte Fenster. Die Verbindung wird mit dem Button Connect hergestellt (dazu sind meist mehrere Versuche erforderlich). Der DVB-Empfänger wird in den Auslese-Modus versetzt, die Werte für BER, E b /N 0 und AGC werden zyklisch ausgelesen. Die Bildausgabe wird dabei zunächst abgeschaltet, jedoch kann durch Änderung des Empfangskanales mit der Fernbedienung des DVB-Empfängers die Bildausgabe wieder zugeschaltet werden, ohne das Auslesen der Werte zu unterbrechen. Mit Hilfe der grünen Zoom -Taste der Fernbedienung werden Informationen zu Satellit, Transponder, PIDs und anderen auf dem Fernsehgerät ausgegeben. Die dort angezeigte Signalqualität entspricht der von der Software ausgelesenen Angabe. Im Programmfenster können links oben die Position der Antenne (hexadezimal), der empfangene Sender und die FEC-Rate (Punktierungsschema) angegeben werden. Unter dem Menüpunkt Datei kann eine Datei angelegt werden. In diese werden bei Betätigung des Buttons Mittelwerte bilden die nochmals über 10 Werte gemittelten Angaben zu BER, E b /N 0 und AGC sowie die eingetragenen Informationen zeilenweise abgelegt und stehen damit der weiteren Auswertung zur Verfügung. Die jeweils letzten fünf Zeilen werden zur Kontrolle nochmals angezeigt und können auch editiert werden. Abbildung 9: Programmfenster 9

5.5.2 Versuchsdurchführung 1. Bestimmen Sie für mehrere Programme mit der Punktierung 3/4 und 5/6 den Bereich der Antennenausrichtung, in dem der Fernsehempfang gewährleistet werden kann. Was stellen Sie an den Grenzen dieses Bereiches fest und wie erklären Sie sich das? 2. Bestimmen Sie für jeweils mehrere Programme mit der Punktierung 3/4 und 5/6 an dem Punkt, an dem der Empfang gerade noch fehlerfrei ist, die Werte für BER und E b /N 0. Ermitteln Sie je einen Mittelwert aus diesen Messungen. 3. Nehmen Sie für jeweils ein Programm mit der Punktierung 3/4 und 5/6 die Werte für BER und E b /N 0 über den gesamten Empfangsbereich auf. 4. Stellen Sie die Ergebnisse in geeigneter Form grafisch dar (die AGC-Werte können dabei entfallen). Interpretieren Sie die Ergebnisse. 10