DVB e convertitore DA

Codifica di sorgente e multiplazione (MUX) MPEG-2: un flusso video, uno

audio e uno dati sono combinati insieme a costituire un unico flusso di

programma MPEG-2 PS (MPEG-2 Program Stream) ovvero un formato

contenitore per multiplexing audio digitali e video utilizzato per l’archiviazione

su supporti di memorizzazione a bassa probabilità di errore quali i DVD. Uno o

più flussi di programma costituiscono un flusso di trasporto MPEG-2 TS

(MPEG-2 Transport Stream); tale flusso rappresenta la sequenza digitale che

viene trasmessa e ricevuta nei Set Top Box (STB) domestici, quelli che

comunemente vengono chiamati decoder per il digitale terrestre. Il transport

stream è un protocollo di comunicazione per audio, video e dati. Si tratta di un

tipo di formato digitale che racchiude i flussi elementari; è impiegato in

ambienti ad alta probabilità di errore, come il DVB. Quindi avremo due

l’altro per il

multiplexer uno per il Program Stream, Trasport Stream. Il bit rate

ammesso per il trasporto MPEG-2 dipende dai parametri scelti per la

modulazione: essa varia da circa 5 Mbps a circa 32 Mbps.

Divisore: due diversi flussi di trasporto possono essere trasmessi

contemporaneamente, utilizzando una tecnica chiamata Trasmissione

Gerarchica. Lo scopo di questa tecnica è, ad esempio, quello di trasmettere

un segnale video a definizione standard (SDTV) ed un segnale video ad alta

definizione (HDTV). In genere, il segnale a definizione standard verrà protetto

maggiormente, ed il segnale ad alta definizione sarà invece protetto in misura

minore. In ricezione, a seconda della qualità del segnale ricevuto, il set top

box può cercare di decodificare il flusso ad alta definizione oppure, se la

qualità del segnale ricevuto è scarsa, passare al segnale a definizione

3

standard (così facendo, i ricevitori vicini al sito di trasmissione potranno

usufruire di un segnale ad alta definizione, e tutti quelli serviti nell'area di

copertura, anche i più distanti, potranno ricevere il segnale a definizione

standard).

Adattamento di MUX e dispersione d'energia: il flusso di trasporto MPEG-2

viene identificato come una sequenza di pacchetti dati di lunghezza fissa pari

“dispersione

a 188 byte. Con una tecnica chiamata d'energia” (scrambling) si

effettua la cifratura deli flussi di programma: le sequenze di byte vengono

cifrate seguendo un particolare algoritmo.

Codificatore esterno: un primo livello di protezione viene fornito ai dati

trasmessi usando un codice a blocchi non binario di tipo Reed-Solomon

RS(204,188), che permette la correzione di un massimo di 8 byte errati per

ogni pacchetto di 188 byte.

Interleaver esterno: si utilizza una tecnica di interleaving convoluzionale per

mescolare la sequenza di dati trasmessa, in modo da renderla più robusta in

di lunghe sequenze di errori. L’interleaving consiste nel disporre

caso i dati in

maniera non contigua, al fine di migliorare le prestazioni in caso di errori a

pacchetto. Esso è un processo che dispone in maniera apparentemente

disordinata un certo numero di oggetti ordinati. Nel nostro caso il flusso di

simboli in ingresso viene scisso tramite un commutatore in n (detta profondità

di interleaving) flussi paralleli, ciascuno dei quali viene inviato ad un ramo

dell’interleaver. Ogni ramo è costituito da un registro a scorrimento di

lunghezza variabile. Così facendo il generico simbolo che entra nel ramo r

viene ritardato di (j*B) unità di tempo, (dove j è la lunghezza dal registro e B è

la lunghezza dei simboli probabilmente errati) poiché i registri a scorrimento

clock dell’interleaver, che è

vengono sincronizzati al I volte (I = n° di rami

dell’interlaver) più lento del clock principale. Le uscite dei singoli rami vengono

raccolte tramite un’altro commutatore e serializzate in un’unico flusso di dati. 4

Interleaver interno: la sequenza di dati viene mescolata, sempre per ridurre

l'influenza di lunghe sequenze di errore. In questo caso, si utilizza una tecnica

di interleaving a blocchi con legge di mescolamento casuale.

Mappatore: questo blocco effettua la modulazione in banda-base digitale

della sequenza di bit, producendo una sequenza di simboli. I metodi di

modulazione ammessi sono tre: QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Adattamento di trama: i simboli generati dal processo di mappatura sono

raccolti in blocchi di lunghezza costante (1512, 3024 o 6048 simboli per

blocco). Si genera una trama (frame) di lunghezza pari a 68 blocchi; quattro

trame costituiscono una supertrama (superframe). 5

Segnali pilota e TPS: per permettere una migliore ricezione del segnale in

seguito alla trasmissione sul canale radio terrestre, in ogni blocco vengono

inseriti dei segnali di aiuto. I segnali pilota servono in fase di equalizzazione

(procedimento di filtraggio a cui è sottoposto un segnale audio per

compensare eventuali disuniformità dell'apparato che lo produce per poi

ottenere il suono desiderato); mentre i segnali TPS (Transmission Parameters

Signalling) si utilizzano per inviare i parametri del segnale trasmesso e per

identificare univocamente la cella di trasmissione.

Modulazione OFDM: la sequenza di blocchi è sottoposta ad una operazione

di modulazione secondo la tecnica OFDM (multiplazione a divisione di

frequenza ortogonale, successivamente è spiegato il funzionamento)

utilizzando un numero di portanti pari a 2048 (modo 2k), 4096 (modo 4k),

oppure 8192 (modo 8k).

Inserimento intervallo di guardia: per diminuire la complessità del ricevitore,

ciascun blocco modulato in OFDM viene esteso, copiando in testa ad esso la

sua parte terminale (tecnica del prefisso ciclico). La durata dell'intervallo di

guardia può essere 1/32, 1/16, 1/8 o 1/4 di quella del blocco modulato.

DAC e front-end: il segnale digitale viene opportunamente trasformato in un

segnale analogico, grazie ad un convertitore digitale-analogico (DAC, Digital

to Analog Converter), ed infine modulato a frequenza radio (VHF o UHF) dal

front-end ad RF. La larghezza di banda occupata da ciascun singolo segnale

DVB-T è studiata per accomodarsi in canali larghi 6, 7 o 8 MHz, compatibili in

larghezza con i vecchi canali analogici. 6

Modulazioni

Modulazione QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

Modulazione OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

Per il digitale televisivo satellitare, la scelta ottima è il 4PSK denominato

anche QPSK che permette di quasi saturare gli stadi di potenza e funziona

correttamente fino a bassi rapporti segnale/rumore Mentre per la

.

comunicazione dei canali televisivi terrestri (DVB-T) viene usata la

modulazione OFDM il cui vantaggi principale è il facile adattamento a canali in

condizioni critiche.

Modulazione QPSK:

Nella modulazione digitale a quattro fasi (denominata anche QPSK,

quadrature PSK) i bit del segnale dati vengono riuniti in coppie (dibit) utilizzate

per modulare in fase la portante sinusoidale.

Nei modulatori il flusso di dati in ingresso viene suddiviso in dibit da un

convertitore seriale/parallelo (registro); i due bit di ogni coppia generano due

flussi separati, a velocità dimezzata rispetto a quella del segnale dati

originario, che costituiscono i segnali modulanti inviati in ingresso a due

modulatori bilanciati. Le due portanti di modulazione hanno medesima

frequenza ma le loro fasi differiscono di 90° (per questo vengono dette in

quadratura). In pratica la fase del segnale in uscita dal primo modulatore può

assumere i valori 0gradi e 180° mentre quella del segnale in uscita dal

secondo assume i valori 90° e 270°. Infine le due portanti vengono sommate

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originando un segnale che può assumere quattro fasi diverse (45°, 135°, 225°,

315°).

Schema a blocchi del modulatore 4-PSK:

Poiché la velocità del flusso di dati a dibit è dimezzata rispetto a quella del

segnale digitale originario si ha un raddoppio di efficienza di banda. Vi è, però,

una minore separazione tra i livelli di modulazione (valori di fase nel segnale

modulato) e ciò comportata una maggiore sensibilità al rumore: per ottenere la

medesima probabilità di errore della 2-PSK occorre che il canale trasmissivo

abbia un rapporto segnale/rumore di 3dB maggiore. La demodulazione 4-PSK

si effettua mediante circuiti simili a demodulatori 2-PSK raddoppiati in alcune

parti.

Nella 2-PSK le variazioni di fase del segnale modulato avvengono sempre in

corrispondenza con i passaggi per lo zero, mentre nella 4-PSK i salti di fase

possono causare brusche variazioni del livello del segnale, come in questo

esempio:

Questi notevoli ed improvvisi cambiamenti di livello, in presenza di mezzi

trasmissivi non perfettamente lineari in fase, potrebbero causare distorsioni

con conseguente allargamento dello spettro del segnale modulato. Per

ovviare a questi problemi è stata ideata una variante denominata O-PSK

(Offset PSK) in cui una delle due sequenze di dibit, prima di entrare nel

modulatore, viene traslata di 180° in modo che non avvengano commutazioni

contemporanee e si ottengano così variazioni di fase più graduali. 8

Modulazione OFDM:

La modulazione OFDM si basa su un approccio a portante multipla, in

quanto consente di trasmettere elevati bit rate senza che il rumore degradi

la qualità della trasmissione. Il flusso binario originale, di rate pari ad R,

viene diviso in N flussi paralleli, ognuno di rate Rmc = 1/Tmc = R/N.

Ciascun flusso modula una diversa portante, e il segnale risultante, somma

dei singoli segnali, viene trasmesso sulla stessa banda.

Il sistema di modulazione OFDM sfrutta un approccio a portante multipla, in

quanto consente di trasmettere elevati bit rate.

La sovrapposizione parziale tra le varie sottobande, propria dell’OFDM,

garantisce un’efficienza spettrale molto migliore di quella tipica di un sistema

9

FDM (Frequency Division Multiplexing). Le varie sottobande hanno

un’estensione molto inferiore alla banda del mezzo trasmissivo, per cui la

risposta in frequenza di quest’ultimo può essere, in molti casi, ritenuta piatta

per ognuna di esse. Lo spettro del segnale OFDM è dato, quindi, dalla

sovrapposizione delle funzioni sinc(.) associate alle diverse sottoportanti.

Spettro teorico Spettro reale 10

Convertitore D / A

Un convertitore D/A o digitale/analogico è un dispositivo che ha lo scopo di

trasformare un dato digitale in una grandezza analogica, in generale una tensione.

una corrispondenza di proporzionalità fra il valore espresso nel dato numerico

C’è

ed il valore assunto dalla grandezza analogica. Ci sono vari tipi di convertitori:

1. a resistenze pesate,

2. con rete resistiva con rapporto R-2R (abbiamo solo due valori di resistenze)

3. con rete resistiva con rapporto R-2R invertita

I convertitori D/A si basano tutti essenzialmente sul principio di inviare in uscita

una corrente proporzionale al valore digitale in ingresso. Questo si può realizzare

con tecniche diverse (elencate sopra), ma prevedono sempre: un certo numero di

comandati dai bit d’ingresso, una tensione di riferimento

commutatori analogici

stabile e una rete resistiva che assegna opportunamente le correnti a seconda

dello stato dei commutatori in ingresso. Lo schema a blocchi mostra la struttura di

un DAC: 1

La curva caratteristica di un D/A è idealmente è una gradinata di valori

proporzionali alla codifica binaria, si presuppone che le resistenze siano

perfettamente identiche e che gli interruttori abbiano resistenza infinita se aperti e

nulla se chiusi. Ci sono naturalmente vari tipi di parametri ed errori di cui va tenuto

conto:

 La r

i s o l u

z i o n

e : essa rappresenta la variazione di tensione dovuta alla variazione

di un LSB (Least Significant Bit) ovvero il bit meno significativo in un numero

binario, ed in modo equivalente indica il valore minimo di tensione rappresentabile

dal DAC. V

 

fs

fs V

n

2

 La t e n

s i

o n

e m

a s s i m

a d i u

s c i t

a V : tale valore si ottiene quando tutti i bit sono a

uM

1 e si dimostra che: n

V ( 2 - 1

)

 fs

V

uM n

2

 Errore di offset: Idealmente se il bit in ingresso è 0 anche la tensione in uscita

deve essere nulla. Può accadere invece che l’uscita sia diversa da zero (decine

di µV). Il grafico in generale risulta traslato verso l’alto rispetto a quello ideale. 2