Pomiary i wzmacnianie cyfrowych sygnałów DVB-T

Korzyści, jakie niesie ze sobą przejście na cyfrowy standard nadawania, powoduje duży wzrost zainteresowania odbiorem telewizji naziemnej zarówno wśród osób korzystających do tej pory z emisji analogowych, jak i tych, dla których dotychczasowa oferta telewizji naziemnej była nieatrakcyjna.

We wszystkich krajach przechodzących transformację nadawania sygnału naziemnego z postaci analogowej na cyfrową występuje okres przejściowy, kiedy oba systemy działają jednocześnie. Ma to ogromne znaczenie z punktu widzenia prawidłowego projektowania, wykonania oraz pomiarów instalacji – również tych nastawionych wyłącznie na odbiór kanałów cyfrowej telewizji naziemnej.

Poziom sygnału wymagany do prawidłowego odbioru naziemnej telewizji cyfrowej może być niższy o kilkanaście dB niż w przypadku telewizji analogowej. Wynika to z dużo większej efektywności modulacji cyfrowej, na którą składają się modulacja amplitudy (tak jak w przypadku telewizji analogowej) oraz dodatkowo modulacja fazy. Komplikuje to implementację toru nadawczo-odbiorczego (konieczność stosowania głowic cyfrowych). Z drugiej strony daje szersze możliwości emisyjne - nadajnik o tej samej mocy emitujący sygnał DVB-T pokryje większy obszar aniżeli nadajnik analogowy tej samej mocy.

Projektując nowoczesne instalacje, w których dystrybuowany ma być cyfrowy sygnał DVB-T, należy wziąć pod uwagę poziomy sygnałów przedstawione w poniższej tabeli.

W przedstawionej powyżej tabeli widać doskonale, że dokonując pomiarów sygnału DVB-T należy zapomnieć o znanych do tej pory wartościach minimalnych i maksymalnych poziomów sygnałów analogowych. Przykładowo, dla stosowanego w Polsce schematu nadawania (modulacja 64-QAM, FEC 3/4) wartości te wynoszą odpowiednio 48 oraz 74 dBμV.

Ciekawostką jest, że ten schemat, uwzględniając przedział bezpieczeństwa (quard interval) wynoszący 1/4, pozwala na przesył strumienia danych o maksymalnej przepustowości 22 Mbit/s. Przy tak ustalonych parametrach należy spodziewać się, że bitrate kanałów SD nie przekroczy 3 Mbit/s, natomiast kanałów HD 7 Mbit/s.
Zważywszy, że bitrate kanałów satelitarnych waha się w granicach 12-18 Mbit/s widać, że przytoczone powyżej przepustowości dla DVB-T nie gwarantują najwyższej jakości. Stosowany w DVB-T schemat modulacji narzuca jednak pewne ograniczenia...

Technika pomiaru poziomu sygnału DVB-T różni się od pomiaru poziomu sygnału analogowego. Wynika to bezpośrednio z charakterystyki częstotliwościowej obu typów sygnału. Zdecydowana większość mierników analogowych, dokonując pomiaru poziomu danego kanału, mierzy tak naprawdę poziom nośnej wizji sygnału, a więc dość ograniczony zakres częstotliwości wewnątrz danego kanału. Ze względu na to, iż sygnał cyfrowy COFDM to tak naprawdę kilka tysięcy ortogonalnych podnośnych zmodulowanych w QAM, aby prawidłowo zmierzyć jego poziom należy dokonać pomiaru gęstości mocy całego kanału o szerokości 8 MHz. Ta podstawowa różnica ma kluczowe znaczenie w momencie, gdy decydujemy się na pomiar sygnału cyfrowego miernikiem przeznaczonym do pomiaru sygnałów analogowych. Urządzenie takie da przekłamany wynik, mierząc jedynie fragment kanału (częstotliwość nośnej wizji tego samego kanału analogowego). Z reguły jest to wynik zaniżony o kilka decybeli.

Wobec powyższego ważne jest, aby urządzenia, z których korzystamy rozróżniały pomiar analogowy oraz cyfrowy. Jeśli stoimy przed zakupem miernika do DVB-T, zwróćmy uwagę również na możliwość pomiaru kanałów analogowych. Warto dokonywać takie pomiary nawet wtedy, gdy instalacja przeznaczona jest wyłącznie do odbioru DVB-T, zwłaszcza gdy w instalacji stosowane mają być wzmacniacze szerokopasmowe. Problem wzmacniania sygnałów telewizyjnych w tzw. okresie przejściowym opisany zostanie szerzej w dalszej części niniejszego opracowania.

Poziom sygnału to nie jedyny parametr, jaki należy wziąć pod uwagę podczas wykonywania pomiarów cyfrowej telewizji naziemnej. Równie ważnymi, o ile nie ważniejszymi, są współczynnik błędu modulacji MER (Modulation Error Ratio) oraz bitowej stopy błędów BER (Bit Error Rate).

Encyklopedyczna definicja współczynnika MER z punktu widzenia instalatora lub odbiorcy naziemnej telewizji cyfrowej jest mało interesująca. Należy mieć na uwadze fakt, że MER niesie za sobą informacje o wielkości i rodzaju szumu zakłócającego sygnał (szum fazowy, amplitudowy i inne). Aby dobrze zrozumieć istotę pomiarów współczynnika MER należy mieć na uwadze fakt występowania tzw. klifu cyfrowego związanego z odbiorem DVB-T. W przypadku sygnałów analogowych, pogarszający się C/N powoduje stopniową degradację jakości sygnału. Przykładowo, sygnał o C/N równym 44 dB oznacza z reguły bardzo dobrą jakość obrazu. Spadek C/N o około 10-15 dB owocuje wzrostem zaszumienia obrazu, przy czym większość z odbiorców uzna go za akceptowalny. Przy spadku C/N o kolejne 10-15 dB, obraz staje się nie do zaakceptowania na skutek dużego poziomu szumów.

Sytuacja przy odbiorze telewizji DVB-T jest zupełnie inna. Sygnał bardzo dobrej jakości odbierany jest do momentu jego zupełnego zaniku. Istnieje więc bardzo wąska granica między sygnałem idealnym a jego zupełnym brakiem. W praktyce, jeśli zdarzy nam się wstrzelić w tę wąską granicę, na ekranie telewizora zaobserwujemy artefakty i zamrożenia obrazu. Opisywany efekt to wspomniany wcześniej efekt klifu cyfrowego.

MER traktować można nie jako miarę jakości sygnału, ale jako miarę marginesu, jaki pozostawia nam instalacja do całkowitego zaniku sygnału. Pominięcie tego parametru podczas pomiarów może zaowocować szeregiem niespodzianek, z których najpopularniejszą jest okresowy zanik sygnału cyfrowego spowodowany np. przez przejeżdżającą obok ciężarówkę lub gorszą pogodą. Zapewnienie marginesu bezpieczeństwa (odpowiednio dużego odstępu od klifu) poprzez pomiar MER, pozwoli uniknąć tego typu sytuacji. Typowe oraz minimalne wartości parametru MER dla uzyskania prawidłowego odbioru uzależnione są od technik modulacji. Dla modulacji 64-QAM za wartość minimalną przyjąć należy 26 dB, z kolei wartości typowe to 30-31 dB.

Trzecim istotnym parametrem, który należy wziąć pod uwagę podczas dokonywania pomiarów sygnału naziemnej telewizji cyfrowej jest BER. Parametr ten znany doskonale wszystkim instalatorom anten satelitarnych ilustruje jakość odbieranego sygnału. Mówi o tym jaka część bitów, które docierają do odbiornika została przekłamana na skutek występujących w kanale transmisyjnym zakłóceń i interferencji. Istnieje kilka rodzajów współczynnika BER. Pomimo, że z punktu widzenia wykonawcy instalacji interesujący jest tylko jeden z nich, warto mieć świadomość tego, co jest w stanie zmierzyć miernik (większość urządzeń pomiarowych oferuje pomiar dwóch rodzajów bitowej stopy błędów BER).

Sygnał cyfrowy przed przesłaniem poddawany jest kodowaniu nadmiarowemu. Oznacza to, że oprócz użytecznych informacji nadajnik wysyła również bezużyteczne z punktu widzenia odbiorcy dane pozwalające na naprawę przekłamanych po drodze bitów. O liczbie tych bitów decyduje parametr FEC (Forward Error Correction). Najczęściej wynosi on 3/4 lub 5/6, co oznacza odpowiednio 25% lub 17% danych nadmiarowych w stosunku do całego przesyłanego sygnału. Oczywiście, im większy FEC, tym mniej błędów otrzymamy po stronie odbiornika. Należy mieć jednak na uwadze również fakt, że zbyt duże wartość tego parametru powodować mogą niepotrzebne ograniczenia przepustowości danego kanału transmisyjnego.

Zakodowany nadmiarowo sygnał cyfrowy poddawany jest po stronie odbiorczej procesowi dekodowania oraz korekcji. Ze względu na stosunkowo nieskomplikowaną implementację sprzętową, najczęściej wybieranym algorytmem jest tzw. algorytm Viterbiego. Zasada działania algorytmu nie jest tutaj istotna - lecz fakt, że sygnały przed i po zdekodowaniu/korekcji to dwa różne sygnały z punktu widzenia liczby występujących w nich błędów. W tym miejscu zdefiniować możemy dwa typy parametru BER:

Za dobry jakościowo przyjmowany jest sygnał o BER równym 1E-4. Jest to tzw. wartość QEF (Quasi Error Free) oznaczająca w wolnym tłumaczeniu "zasadniczo bez błędów". Oczywiście dążyć należy do uzyskania jak najniższych wartości parametru BER.

Często pojawiającym się pytaniem w dobie wdrażania naziemnej telewizji cyfrowej jest pytanie o "wzmacniacz do DVB-T". Równie często pojawiającą się odpowiedzią jest, że takie wzmacniacze nie istnieją i wzmacniacze stosowane do tej pory w instalacjach analogowych z powodzeniem mogą być stosowane w instalacjach pod DVB-T. Jest to prawda - jedynie bardzo stare wzmacniacze o słabych parametrach szumowych mogą mieć problemy z prawidłowym przetworzeniem sygnału cyfrowego.

Wzmacnianiu sygnałów telewizyjnych w okresie przejściowym poświęcić należy jednak większą uwagę. Świadomość istnienia pewnych zjawisk, jak i doświadczenia z krajów, w których DVB-T działa już od lat pozwolą na szybsze zdiagnozowanie problemów, jakie wystąpić mogą przy wykorzystaniu szerokopasmowych wzmacniaczy telewizyjnych.

Ze względu ma wspomniane wcześniej różnice w poziomie sygnałów analogowych i cyfrowych należy zwrócić szczególną uwagę przy ich jednoczesnym wzmacnianiu. Produkty intermodulacyjne powstałe na skutek wzmocnienia dwóch lub większej liczby nośnych (kanałów telewizyjnych) mogą skutecznie zakłócić odbiór niektórych z nich. W szczególności zakłócenia powstałe po wzmocnieniu silnych kanałów analogowych na wejściu wzmacniacza mogą znacząco wpłynąć na odbiór kanałów DVB-T. W związku z tym nie należy stosować wzmacniaczy o większym niż wymagane wzmocnieniu.

Na podstawie poprzednich informacji wyciągnąć można wniosek, że najefektywniej w okresie przejściowym działać będą niskoszumowe wzmacniacze o małych i średnich wartościach wzmocnienia. Wskazana jest również możliwość regulacji wzmocnienia. Na przeciw tym wymaganiom wyszła firma Terra oferując serię wzmacniaczy masztowych ABxxx. Dodatkowo, dzięki uniwersalnemu zasilaniu (5 V lub 12 V) możliwe jest korzystanie z różnych źródeł zasilania, w tym z odbiorników DVB-T wyposażonych w tę funkcję. Parametry przedwzmacniaczy przedstawiono w poniższej tabeli:

Dobrą praktyką jest również stosowanie przedwzmacniaczy, w których regulacja wzmocnienia odbywa się nie przy pomocy popularnych potencjometrów, a przy pomocy przełączników. Jest to rozwiązanie dużo lepsze, gdy rozważamy stabilność parametru wzmocnienia. Znanym problemem jest odchylenie od założonej wartości wzmocnienia w przedwzmacniaczach z regulacją potencjometryczną.

W instalacjach zbiorczych liczących kilkadziesiąt i więcej gniazd należy unikać wzmacniaczy szerokopasmowych na wejściu instalacji. W takich przypadkach zalecane jest stosowanie wzmacniaczy kanałowych pozwalających wyrównać poziomy wszystkich kanałów.

Mówiąc o klasie wzmacniacza mamy na myśli parametry szumowe. Są one szczególnie istotne w przypadku sygnałów DVB-T, których poziomy w instalacji są niższe niż sygnałów analogowych. Najczęściej przywoływanym parametrem są szumy własne wzmacniacza. Większość wzmacniaczy na rynku cechuje podobna charakterystyka - poziom własnych szumów małych wzmacniaczy budynkowych waha się w granicach 3-5 dB. Jako przykład reprezentujący dolną granicę może posłużyć tutaj seria wzmacniaczy HS firmy Terra.

Czynnikiem decydującym o klasie wzmacniacza jest sposób w jaki dokonuje on wzmocnienia. Rozróżnić możemy tutaj wzmacniacze o jednym bądź kilku stopniach wzmocnienia oraz takie, w których blok odpowiadający za regulację wzmocnienia znajduje się na wejściu wzmacniacza, bądź między stopniami wzmocnienia. Duże lepsze efekty (mniejsze szumy dodane do sygnału) dają wzmacniacze o międzystopniowej regulacji wzmocnienia.