uesys vl12 v0.3.ppt [Schreibgeschützt] … · Übertragungssysteme WS 2010/2011 Vorlesung 12 Prof....

© Fraunhofer IDMT

Übertragungssysteme

WS 2010/2011

Vorlesung 12

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz [email protected]

Kontakt:Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Ing. Christoph Fingerhut

[email protected]

© Fraunhofer IDMT

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 2

Terrestrische Systeme

Digital Audio Broadcasting DAB/DAB+

Digital Radio Mondiale DRM/DRM+

Satellitenbasierte Systeme

WorldSpace

ARIB

Sirius / XM Radio

Digitaler Hörfunk: Überblick

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


DAB: Einführung

Großbritannien: 60% Bevölkerungsabdeckung

Frequenz-Zuteilung ist Schlüsselentscheidung!

Markt für 800 Mio Radio-Geräte in Europa

Robuster Empfang im mobilen Einsatzbereich

CD-ähnliche Audio-Qualität bei 192 kbit/s

Zusätzliche Datendienste

Insgesamt: hohe Nutz-Datenrate > 1,5 Mbit/s

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DAB2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


DAB: Gebietsabdeckung 2007

Quelle: www.digitalradio.de


© Fraunhofer IDMT


DAB: Blockdiagramm Sender

Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000


© Fraunhofer IDMT


DAB: Blockdiagramm Sender



© Fraunhofer IDMT


Band III:

z.B. f = 224,25 MHz = Fernsehkanal 12

flächendeckend

L-Band:

f = 1452 .. 1492 MHz

hohe Kosten

lokale Versorgung

Terrestrisches Sendernetz = Gleichwellennetz

Spektrums- und leistungseffiziente Techniken

ETS 300401 (30 MHz – 3 GHz)

DAB: Sendefrequenzen



© Fraunhofer IDMT


Problem DAB-LösungZeitabhängiges Fading (Durch Mehrwegeausbreitung beim Fahren

Zeitinterleaving

Frequenzabhängiges Fading

(Durch stationäre Mehrwege-ausbreitung)

Breitbandigkeit, Frequenzinterleaving

Dopplerverschiebung

(Durch Bewegung des Fahrzeuges)

Wahl des Unterträgerabstands bei COFDM in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz

(Unterträgerabstand abhängig vom DAB-Mode)

Am Empfänger verzögert eintreffende Signale (Delay Spread durch Mehrwegeausbreitung)

Schutzintervall zwischen aufeinanderfolgenden Symbolen (Länge abhängig vom DAB-Mode

Übertragungsfehler RCPC-Kodes als Kanalfehlerschutz

Probleme beim Mobilempfang


© Fraunhofer IDMT


DAB: Übertragungsformat



© Fraunhofer IDMT


DAB: Aufbau des Multiplex


Drei verschiedene Übertragungswege: 1. Synchronisationskanal (Synchronisation channel)

Null- und Phasenreferenz-Symbol 2. FIC (Fast Information Channel)

Steuerung- und Dekodierungsinformationen (MCI – Multiplex Configuration Information)

SI (Service Information): Nach Auswertung des FIC kann Empfänger dieNutzdaten dekodieren

Gliederung in FIBs (Fast Information Blocks) 3. MSC (Main Service Channel)

Eigentliche Nutzdaten (Programme und Datendienste des Ensembles) Gliederung in Common Interleaved Frames (CIFs) Aufteilung der CIFs in CU ( Capacity Unit)


© Fraunhofer IDMT


Fast Information Data Channel (FIDC)

Programme Associated Data (PAD)

Packet Mode

DAB: Transportmechanismen für Datendienste



© Fraunhofer IDMT


DAB: Programmbegleitende Daten (PAD)


F-PAD ( Fixed Programme Associated Data ):

Unmittelbare mit dem Hörfunkprogramm zusammenhängende Daten X-PAD ( Extended Programme Associated Data )

Texte ("Dynamic Label") In-house-Daten Daten für geschlossene Benutzer Multimedia Object Transfer (MOT) PAD-Inhaltsverzeichnis


© Fraunhofer IDMT


Stream Mode

Übertragung von Datenströmen

Konstante Datenrate: n * 8 kbit/s

z.B. Hörfunkprogramme, Ton mit MPEG-1 Layer II kodiert

Paket Mode

Übertragung von Datenströmen- mit geringer Datenrate ( < 8 kbit/s) oder- zeitlich stark schwankendes Datenaufkommen - Datenaufkommen asynchron ist

Reine Datendiensten

DAB: Stream & Packet Mode



© Fraunhofer IDMT


Standardprotokoll für DAB

Multiplex auf Segmentebene durch eindeutige Transport-ID

Header Core:

Objekt-Typ und Größe Header Extension:

Content Name Version Number Start Validity Expire Time

... sonstige Objekt-Parameter

Transport der Information als Objekte begrenzter Länge(max. Objektlänge: ca. 255 Mbyte)

DAB: Multimedia Object Transfer Protocol



© Fraunhofer IDMT



DAB: Packet Mode & Multimedia Object Transfer Protocol


© Fraunhofer IDMT


DAB: Übertragungsprotokoll



© Fraunhofer IDMT


Traffic Message Channel (TMC)

Datendienst bestehend aus nach “Alert C“-Protokoll digital codiertenVerkehrsnachrichten

- Bezug der numerischen Zahlencodewerte auf die Informationstafeln * event* location* severity* duration* alternative route

Organisation der Zahlencodewerte in Gruppen, bestehend aus < 38 bit Information

Transport der Nachricht im FIDC in FIGs

DAB: Zusatzdienste



© Fraunhofer IDMT


Dynamic Label:

Funktion: Ausgabe kurzer Textnachrichten (Labels) auf dem alpha-numerischen Display

Zum Transport: Aufteilung der Labels in bis zu 8 Segmente aus bis zu 16 Zeichen; eingeschränkte Formatierung möglich.

Grundlegende Struktur einer X-PAD Datengruppe mit Dynamic Label-Segment

Typische Anwendung: Kurznachrichten, Wettervorhersagen, Titel/Interpret v. aktuellem Lied

DAB: Zusatzdienste



© Fraunhofer IDMT


DAB: Blockdiagramm Empfänger



© Fraunhofer IDMT


DAB-System erlaubt ankommende Signale zu summieren, wenn die verzögerten Signale innerhalb des Schutzintervalles eintreffen

Später eintreffende Signale erzeugen Eingeninterferenzen

maximal möglicher Senderabstand:

dMaxSender =1.2 tguard * c

DAB-Mode I IV II III

dMaxSender [km] 90 45 22,5 11,25

Leistungsersparnis DAB zu FM bis zu 10dB

mehrere kleine Sender anstatt einem Sender mit großer Leistung wie bei FM, vermindert Störleistung in benachbarten Sendergebieten und benötigt weniger Gesamtleistung

Leistungsökonomie


© Fraunhofer IDMT


Leistungsökonomie von DAB-Gleichwellennetzen im Vergleich zu FM

Leistungsökonomie


© Fraunhofer IDMT


Frequenzökonomie wird durch die Größe des Gleichwellennetzes bestimmt

Je größer das Versorgungsgebiet, desto frequenzökonomischer ist DAB

Bei kleinen Versorgungsgebieten spielt der Entkopplungsabstand eine wichtige Rolle

Entkopplungsabstand legt Abstand fest, um gleichen Frequenzblock zur Versorgung eines weiteren Gebietes zu verwenden ohne die Versorgungsqualtität zu beeinträchtigen

CEPT für VHF-Bereich

Ideale Darstellung, aber dennoch geeignet um Interferenzpotential und Entkopplungsabstand für Gleichwellennetze zu ermitteln

Spektrumseffizienz des DAB-Gleichwellennetzes im Vergleich zu FM-Netzen in MFN-Technik um Faktor bis drei verbessert

Frequenzökonomie


© Fraunhofer IDMT


CEPT-Referenznetz für den VHF-Bereich

Frequenzökonomie


© Fraunhofer IDMT


Erweiterung zu DAB

Erbt volle Funktionalität von DAB

Mischbetrieb mit DAB möglich

Benutzt MPEG-2 Transportstrom für Audio und Video

H.264 für Video

BSAC (Bit Sliced Arithmetic Coding) und HE-AAC für Audio

MPEG-4 BIFS (Binary Format for Scenes) für interaktive Inhalte

Testbetrieb in Deutschland eingestellt

Zur Zeit eingesetzt in Südkorea, (Einsatz in Frankreich geplant)

DMB (Digital Multimedia Broadcasting)

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DMB2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


DMB (Digital Multimedia Broadcasting)

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DMB2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


DAB+ wurde als ETSI TS 102 563 standardisiert: “Digital Audio Broadcasting (DAB); Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio”

HE-AAC V2

audio coder

Audio Super

Framing

Reed-Solomon CoderAnd

Virtual interleaver

DAB main service channel

multiplexer

Scope of ETSI TS 102 563

DAB +

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DAB+2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


Vorteile:

Mehr Sender können in einem Multiplex untergebracht werden

Neue Empfänger sind rückwärtskompatibel mit existierenden MPEG Audio Layer II Angeboten

Stabilere Audioübertragung als bei herkömmlichen DAB (verbesserter Fehlerschutz)

DAB +

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DAB+2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


Standardisiert als ETSI ES 201 980 in 2003

DRM wurde für den Einsatz bei Frequenzen unter 30 MHz entwickelt

Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle

Die Nutzung dieses Frequenzbereichs ist die einfachste Möglichkeit mit geringer technischer Infrastruktur große Gebiete zu versorgen.

Bisherige boadcastbasierte Verfahren in diesem Frequenzbereich nutzen die sehr ineffiziente Zweiseitenband AM und liefern nur eine sehr geringe Audioqualität

Unterstützte Kanalraster: 4,5 / 5 / 9 / 10 / 18 / 20 kHz

Durch die Nutzung von DRM in Verbindung mit High Efficiency AAC soll nahezu FM Qualität erreicht werden.

Digital Radio Mondiale (DRM)

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DRM2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


Conceptual DRM transmission block diagram

normal/[high]protection

sourceencoder(s)

precoder

precoder

precoder

multiplexer

normal prot.

[high prot.]

normal prot.

[high prot.]

energy dispersal

channelencoder

cell interleaver

OFDM signal

generator modulator

OFD

M cell m

apper

MSC

energy dispersal

channelencoder

FAC

energy dispersal

channelencoder

SDC

audio data stream

data stream

FAC

information

SDC

inform

ation

DR

M transm

ission signal

MSC: Main Service ChannelFAC:Fast Access ChannelSDC: Service Description Channel



© Fraunhofer IDMT


DRM Source Encoding

SBR Encoder(configuration dependent)Audio

Signal

AACEncoder

Audio Super Framing Mux and

ChannelCoding

CELPEncoder

HVXCEncoder

AAC: Advanced Audio CodingCELP: Code Excited Linear PredictionHVXC: Harmonic Vector eXcitation Coding



© Fraunhofer IDMT


DRM Konsortium beschließt die Ausweitung des DRM Standards auf den Bereich bis 120MHz (UKW) DRM+

Beibehaltung von HE-AAC v2

Schmalbandig mit Kanalbandbreite 50-100kHz

CD-Qualität (Stereo, 5.1 Mehrkanalton)

Rein lokale Versorgung

DRM+

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DRM+2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


WorldSpace

Private Firma mit Sitz in Washington DC

1992 gegründet

Satelliten-Radio für die „Dritte Welt“

XM-Radio/Sirius Radio

Zwei ehemals konkurrierende Firmen in den USA, mittlerweile: Sirius|XM Radio

Satelliten-Radio für USA/Amerika

ARIB (Association of Radio Industries and Businesses)

Japanisches Satelliten-Radio System

Digital Audio Radio Broadcasting via Satellite (DARS)

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: 2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


Digitaler Satellitenrundfunk

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme

© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Coverage

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme: WorldSpace

© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Überblick

3 Satelliten (evtl. Ausbau auf bis zu 6): Afristar (21o Ost, Start Okt. 1998), Asiastar (105o Ost, Start März

2000), Ameristar (in Planung) TDM Downlink im L-Band (1.6 GHz) 6 Beams pro Satellit Netto-Datenrate/Beam: 96 * 16 kbps Audio-Compressionsverfahren: MP3 Audio-Datenraten: 8 - 128 kbps in 8 kbps Schritten Signal wird von verschiedenen Uplink-Stationen am Satellit zu einem

Beam zusammengefügt Terrestrische Unterstützung der Abdeckung durch Repeater ist

geplant Time Diversity: 4.32 s


© Fraunhofer IDMT


Broadcast Segment Space Segment Repeater Segment Receiver SegmentPh

ysic

al L

ayer

Sete

llite

Phys

ical

Laye

r

Terr

istr

ial

Phys

ical

Laye

r

Mul

tiple

xTr

ansp

ort

Laye

r

Bro

adca

stC

hann

elTr

ansp

ort

Laye

r

Serv

ice

Laye

rSe

rvic

eC

ompo

nent

Laye

r

Audio Image Data

TDM FormatEncoder

(Service Component Layer to Broadcast

Transport Layer)

TDM FormatEncoder

(Broadcast Channel Transport Layer to Multiplex Transport

Layer)

QPSKModulator

Geo-stationary Satellite with

Transparent andProcessed Payloads

QPSKDemod.

MCMModulator

MCMDemod.

QPSKDemod.

Audio Image Data

TDM / MCMformat

decoder

Transport Layer

adaptationTDM / MCM

Selector

Stud

ioFe

eder

Lin

k St

atio

n

WorldSpace: ISO-OSI-Modell


© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Digitales Format des Service Layer


© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Time Diversity


© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Time Diversity und Space Diversity


© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Repeater Konzept


© Fraunhofer IDMT


Satellitengestützt und terrestrisch

Sendebereich: 2.630 - 2.655 MHz

In-Band Repeater (Gap-Filler)

Direct:Empfangsfreqenz = Sendefreqenz

Frequency Conversion:Empfangsfrequenz = 11 oder 12 GHz

MPEG-2 Systemarchitektur für den Service Layer

Audio-Compressionsverfahren: AAC

Für den mobilen Empfang ausgelegt

64 CDM-Kanäle möglich, in der Praxis aber nur 30 Kanäle bei Multipfad-Empfang

Pilot-Kanal zur besseren Synchronisation und für Kontrolldaten-Übermittlung

ARIB: Überblick

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme: ARIB

© Fraunhofer IDMT


ARIB: Sendeseite (1)


© Fraunhofer IDMT


ARIB: Sendeseite (2)


© Fraunhofer IDMT


ARIB: Digitales Format für den Pilot-Kanal


© Fraunhofer IDMT


ARIB: Interleaver auf Bit-Ebene


© Fraunhofer IDMT


ARIB: Blockschaltbild des Interleavers


© Fraunhofer IDMT


ARIB: CDM-QPSK-Signal


© Fraunhofer IDMT


ARIB: Blockschaltbild des Receivers


© Fraunhofer IDMT


XM – Satelliten Radio

Marktvorraussetzungen in den USA Städte mit dichter Besiedelung Große Flächen mit geringer Bebauung Mobilempfang spielt große Rolle Hohe Programmvielfalt üblich Conditional Access üblich $9.95

Systemüberblick Gleichwellennetz mit 2.3 GHZ (S-Band) Bis zu 100 Programme 2 Satelliten im geostationären Orbit Hybrid-Technik: Satellit (QPSK) und terrestrische Repeater (OFDM/MCM)

in bebauten Gebieten

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme: XM Radio

© Fraunhofer IDMT


GEO

stationär in 35786km Höhe am Äquator

Umlaufzeit 24h

HEO (highly elliptical Orbit)

Elliptische Bahn um die Erde (13000 – 30000km)

geosynchrone Umlaufzeit 24h

XM - Satelliten


© Fraunhofer IDMT


GEO stationär + gleichbleibende stabile Empfangsverhältnisse + „Beam Forming“ möglich + für Redundanz weiterer Satellit + einfache Antenne ausreichend durch feste Position am Äquator wird mit dem Breitengrad der

Elevationswinkel kleiner HEO

+ hoher Elevationswinkel - höhere Anforderung an die Antennenkonstruktion - Empfangseigenschaften ändern sich mit der Zeit - mehrere Satelliten notwendig - Kein beam-forming möglich

XM - Satelliten


© Fraunhofer IDMT


Spatial diversity:

Ein zweites (identisches) Signal wird von einem weiteren Satelliten auf einer andern Position im Orbit ausgesstrahlt

Time diversity:

zweifaches zeitversetztes Ausstrahlen des selben Signals

Terrestrial Repeater:

Ergänzung durch terrestrische Ausstrahlung in Gebieten mit unzureichenden Satellitenempfang (Städte)

XM – Diversity Concept


© Fraunhofer IDMT


Links: Spatial Diversity (z.B. Stadt)

Unten: Time Diversity



© Fraunhofer IDMT


XM – Multiplex Struktur


© Fraunhofer IDMT


Organisatorisches

Nächste Vorlesung: 25.01.2011 13.00 K-Hs 2

© Fraunhofer IDMT


Gebietsabdeckung 2007 Thüringen

Quelle: www.digitalradio.de


© Fraunhofer IDMT


DAB: Programme und Komponenten



© Fraunhofer IDMT


Vergleich der Leistungseffizienz und des Störabstandes von 2-PSK und 4-PSK

Leistungseffizienz


© Fraunhofer IDMT


Faktoren für die Entwicklung von Empfängern:

Billige Schaltungstechnik Evolutionsschritte des Empfängers:

zusätzliche Kosten- & Größenreduktion Kompaktes Design Mobiler Einsatzbereich, PC-Steckkarten Verfügbarkeit von Endgeräten und Diensten Neue Dienste + aktuelle Inhalte Besser als alte (analoge) Radio-Technik(en)

Attraktivität für den Kunden

DAB: Empfänger



© Fraunhofer IDMT


Hohe Abstimmgenauigkeit <0.01 ppm um den im Mobilfunkkanal auftretenden Dopplereffekt nicht durch Fehlabstimmung zu verstärken

Schwankungen des mittleren ZF-Pegels klein halten, um AD-Wandler optimal auszusteuern

Abstand von 170 bis 180 kHz zwischen benachbarten DAB-Blöcken oder zu Fernsehsendern erfordert ausreichende Nachbarkanalunterdrückung

Tuner


© Fraunhofer IDMT


Da OFDM-Modulationsverfahren ein Mehrträgerverfahren mit rausch-ähnlichen Zeitsignal ist, müssen verwendete Verstärker hochgradig linear sein, um Verschlechterung der Signalqualität durch Intermodulations-produkte zu vermeiden

Ausgangsfilter nach der Endstufe um geforderte Spektrumsmasken einzuhalten

Schulterabstand definiert Abstand zwischen dem Plateau des DAB-Spektrums, Seitenbänder in Abstand von der Mittenfrequenz des Blocks

Schulterabstände >56dB im Abstand von 970kHz von Mittenfrequenz

Verschiedene Spektrumsmasken für Band III und L-Band

Signalaufbereitung

© Fraunhofer IDMT


DRM Source Decoding

Super Framing Demuxbitstream

AACDecoder

SBR DecoderAudio output

CELPDecoder

HVXCDecoder



© Fraunhofer IDMT


WorldSpace: Repeater-Strecke

11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DRM2. Satellitenbasierte Systeme: WorldSpace

© Fraunhofer IDMT


Hersteller Hughes

Spacecraft Platform HS-702

Orbitpositionen 85°W and 115° W

Lebensdauer 15 years

Peak EIRP 68 dBW

Ende der Lebenszeit 15 kW

Gewicht 4650 kg

Payload Supplier Alcatel

Payload DC Power 13.5 kW

Frequenzen X-Band Up, S-Band Down

Reflectoren Zwei 5 Meter Reflektoren

Abschußplattform Sea Launch

XM - Satelliten


uesys vl12 v0.3.ppt [Schreibgeschützt] … · Übertragungssysteme WS 2010/2011 Vorlesung 12 Prof....

Documents

Transcript of uesys vl12 v0.3.ppt [Schreibgeschützt] … · Übertragungssysteme WS 2010/2011 Vorlesung 12 Prof....