Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique

01/09/2017
Auteurs : Patrice Bourcet
Publication REE REE 2006-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-3:19742
DOI :

Résumé

Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique

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Repères 1 LA TELEVISION NUMERIQUE Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion 'Ormm'Orm de télévision numérique Patrice BOURCET TOF MTOTM " - Réseaux, Diffusion, Télévisionnumérique, DVB, XDSL, Modulation, OFDM, Codagedecanal, TVHD A l'aube de l'avènement de la TVHD, on peut s'interroger sur les évolutions tech- niques à mettre en oeuvre sur les différents réseaux de diffusion de télévision numérique. Les techniques de modulation et le codage de canal utilisées aujourd'hui jouent sur le terrain des équipes qui gagnent et qu'on ne change pas, mais elles offrent aussi de nouvelles perspectives aux paires de cuivre, patrimoine des opérateurs historiques de télécommunications. Introduction Les trois principales spécifications européennes en matière de diffusion numérique satellite, câble et terrestre (DVB S, C et T) recommandent toutes aujourd'hui un codage audio et video à réduction de débit MPEG-2 (MPEG pour Moving Picture Experts Group). La consti- tution du multiplex, DVB-TS (Transport Stream) et l'em- brouillage DVB-CSA (Common Scrambling Algorithm) sont communs à tous les supports (satellite, câble et ter- restre). Toutefois de nouvelles directives européennes concernant les codages audio et video avancés MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding) et AAC (Advanced Audio Coding) viennent d'être publiées et il faut s'atten- dre à des gains substantiels en ce qui concerne les débits nécessaires à la transmission des images et des sons. Le codage des sources ayant été traité dans un autre article, nous consacrerons celui-ci aux techniques de transmission qui diffèrent selon les réseaux d'émission ou de distribution des signaux de télévision numérique. En ce qui concerne le vocabulaire utilisé, précisons qu'il s'agit toujours de transmissions mais que l'on réserve généralement ce terme aux liaisons point à point, alors que l'on parlera plutôt de diffusion (ou radiodiffusion s'il n'y a pas de fil) lorsqu'il s'agit de liaisons point multipoints. Pour le réseau internet la distinction est plus claire et l'on parlera respectivement de liaisons uni- cast et multicast. ESSENTIEL SYNOPSIS La modulation et le codagede canalrecommandéspour la diffu- sion de la télévision numériquedansles trois principalesnormes issues des travaux du consortium DVB sont aujourd'hui des classiqueséprouvés.Seule lanormesatellitevient de faire sapre- mière révisionaprès dix ans d'exploitation dansle monde entier. Les principalessolutions adoptéespour optimiser latransmission d'un multiplex audiovisuel numérique sur les supports satellite, câble et hertzien sont expliquées et comparées en indiquant notamment les capacitésnominalesde chaquesystème à diffuser des programmes TVSD ou TVHD,MPEG-2ou MPEG-4. Il est ensuite montré que la modulation multi-porteusesCOFDM, utilisée pour laTNT, permet de réaliser une diffusion en réseau monofréquenceet qu'elle a été adaptéeà la vieillepairede cuivre du téléphone pour devenir la modulation DMT des différentes technologiesXDSL. Larrivéede la TVHDne devrait pas remettre en causeles fondements établis dansce domaine. Modulationandchannelcodingrecommendedby DVBprojectare nowadayswell known as a reference.Recently,DVB-Shas been revisedafter 10yearsof worldwide use. This paper describes the main solutions to optimise a digital audio-visualmultiplex broadcastedby satellite, cableor terrestrial means. Solutionsare describedand comparedindicatingaspects suchas nominalbit rate ability to broadcastSDTVor HDTV,MPEG-2or 4. ln a second part, the paper shows that the OFDM multi-carrier modulation scheme is suitable for single frequency networks. It hasfurthermore beenadaptedto the old twisted copperwires of telecommunicationnetworks, to becomethe DMT modulationfor XDSLtechnologieswhich havestill to be refined. The introductionof HDTVshouldn't request significant updateof wei) -estab ! ishedstandardsin this area. REE No 3 Mars2006 Repères 1 LA TELEVISION NUMERIQUI Muttiplex (après (1!!I)ersi011 dispersionrfénérgie) réception - (analo9iqoe) codeurexterne enbloc entrelaceurexterne démodulateur codeurinterne convolutif (entre) aceur mterne) a)émission décodeur cotlvoltnif (desentrelateur interne) h) réception rnodulateur décodeur enbloc desentrelaceur externe émission (analo3iquel données hoftofjes Figure 1. Codage de canal et modulation. Modulation numérique et codage de canal La transmission de signaux numériques est connue pour offrir de nombreux avantages par rapport à la transmission de signaux analogiques alors que les modulations numériques peuvent être considérées comme une combinaison ou une généralisation des méthodes très familières de modulation d'amplitude, de fréquence et de phase appliquées à une ou plusieurs porteuses. On peut effectivement constater que les signaux numériques ressemblent fortement à des signaux analogiques, toutefois on les qualifiera bien de « numéri- ques » dans la mesure où ils véhiculent des nombres, dont on dispose généralement sous la forme d'un flux d'élé- ments binaires (ou bits) avant modulation et que l'on sou- haite récupérer sans erreur après démodulation, de manière à respecter l'intégrité de l'information transmise. Entre les deux opérations il va falloir traverser un support électrique donné (liaison satellite, câble, canal hertzien, paire de cuivre...). Une fois déterminée la modulation la plus apte à résis- ter aux contraintes du support envisagé pour transmettre l'information, reste à se prémunir des inévitables erreurs qui viendront l'altérer. C'est cette dernière opération que l'on appelle le codage de canal et qui, réalisée à l'aide d'algorithmes numériques, va permettre d'améliorer considérablement les performances du système de transmission. Alors que la modulation est en quelque sorte la mise en forme optimale du signal, choisie pour résister aux contraintes physiques connues du support de transmis- sion, le codage de canal peut être considéré comme la mise en forme de l'information elle-même, pour résister aux altérations plus ou moins prévisibles qui surviendront au cours de sa transmission. Cette opération consiste essentiellement à introduire une redondance, avec un premier effet qui peut sembler très négatif dans la mesure où il augmente le volume de l'information à transmettre et diminue donc le débit utile transmis. En contrepartie, elle permettra de doser la quantité d'informations perdues que l'on saura récupérer, en fonction du débit sacrifié. Sachant que les erreurs peuvent arriver par paquets on mélange les éléments d'informations de manière à ce que deux éléments proches se retrouvent éloignés, c'est l'opération d'entrelacement. A la réception, l'ordre initial des échantillons est rétabli, c'est l'opération de désentre- lacement. Ainsi les paquets d'erreurs se retrouvent sous la forme d'erreurs isolées plus faciles à corriger. La figure 1 montre le processus de protection utilisé en DVB contre les erreurs en deux étapes (la deuxième étant optionnelle) et qui illustre ce que nous venons d'écrire : le premier codage dit externe « en bloc » (suivi d'un entrelacement externe) précède un second dit interne de type « convolutif » (éventuellement suivi également d'un entrelacement interne). Les propriétés de ces deux codes sont complémentaires et le second possède des paramètres qui permettent d'ajuster le rendement du dis- positif (proportion d'information utile dans l'information totale transmise). On trouve dans DVB des rendements de : 1/2, 2/3.3/415/6,7/8 auxquels le décodeur s'adapte par simple déclaration et qui permettent, le cas échéant, de modifier le compromis débit utile - résistance aux erreurs. De même qu'en matière de codage de source, la forme numérique de l'information va grandement faciliter l'application de puissants algorithmes mathématiques (empruntés à la théorie des codes correcteurs d'erreurs en ce qui concerne le codage de canal). Toutefois, on remar- quera que pour un même but qui est la performance de la transmission, dans le cas du codage de source on s'éver- tue à retirer le maximum possible de redondance alors que dans le cas du codage de canal on en introduit, mais le moins possible ! La télévision numérique par satellite : DVB-S La liaison satellite-terre étant caractérisée par un énorme affaiblissement (plus de 200 dB) subi par le signal d'une part et par le travail des amplificateurs de puissance des transpondeurs à saturation pour maximiser leur rendement d'autre part, il est nécessaire d'utiliser de puissants codes correcteurs d'erreurs ainsi qu'une modulation très peu sensible aux distorsions d'amplitude. Le choix s'est donc porté sur une modulation QPSK (Quaternary Phase Shift Keying ou modulation à REE No 3 Mars2006 Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique x + 1 ( +x t .'.''-'°*-''.'-''-'-'''.'.-<:*-'''--'.'' ..,' "..', ."...'. : :.';". ":' - > y o ., ?.... 1 -..'.. -,r -.... « C.- -....b - : 7- ". 1, %el , : r :. :. ; hi aA ..'. -.''* " L'.'-'.'..'./.'...*'..-'.'. ;'. ''-''<*r*%o -'-'.'-'.*\* *%''-'*''.-.'.'.''.--'.- -.'.--.'''-.*'-.--.-: :' :.1*',-. :.',. ", "'.' :' :. '''.,B... -'1.".. "':", -.'''' -'''' "' '-''.''. -'.''/''/''.'-'.''-. .',...". " "'1."1,8.,\' :.' .'-'.'''-'*'H.i*''.-a''t'-'.'.'. . :', :...'''.1' ';":,..,-J- " :'. : - " ",....,/'. " " C Figure 2. Constellation QPSK idéale et constellations brttitées. déplacement de phase à 4 états). C'est en fait la somme de deux modulations d'amplitude à porteuse supprimée. Les deux porteuses, appelées 1et Q, sont, bien sûr, déphasées de 90°, ce qui peut s'écrire : S (t) - x cos(wt) + ysin (wt). x valant +X pour un bit à 0 et -X pour un bit à 1 et y valant +Y pour un bit à 0 et -Y pour un bit à 1, d'où la transmission de 2 bits d'information par symbole. On constate également sur la figure 2 que, même si les points deviennent des taches, à cause du bruit, la récupération de l'information consiste simplement à déterminer dans quel quadrant se situe le symbole transmis. Pour la correction des erreurs, le code en bloc est un Reed Solomon 204, 188, T = 8 ce qui signifie qu'un paquet de 188 octets est augmenté de 16 (204-188) octets de redondance (d'où un rendement de 188/204) et qu'il peut corriger jusqu'à 8 octets erronés. Il faut également mentionner l'entrelacement externe et le code convolutif. Sachant que la largeur d'un canal satellite est de 36 MHz et que le filtrage de Nyquist est effectué avec un facteur de débordement (Roll-off) de 35 %, un calcul simple montre que le débit utile est directement fonction du rendement choisi pour le code convolutif appelé FEC (Forward Error Correction). Le tableau suivant donne le débit utile en fonction de la FEC : FEC(rendement) ! Débit utiie (Mbit/s) 1 FEC (rendement) Débit utile (Mbit/s) --- -- -11,11, Ï/ï -- - - - -- 25,3 -- , 3/4 38,01 5/6 - 42,24- 7/8 44,35 i La FEC sera choisie par l'opérateur, en fonction de critères techniques et économiques. Toutefois, des contraintes de service peuvent aussi influer sur le choix de la FEC. Ainsi, il est intéressant de diffuser des programmes qui puissent être repris (à l'aide d'une sim- ple transmodulation) par les opérateurs de réseaux câblés, auquel cas le débit doit être inférieur à 38,5 Mbit/s, débit maximum d'un canal du câble, ce qui revient à imposer une FEC inférieure ou égale à 3/4. DVB-S2 : nouvelle version de la norme satellite DVB-S Dix ans après son élaboration, la norme DVB-S est actuellement adoptée dans le monde entier par les opéra- teurs de satellites pour la diffusion de la télévision numé- rique et la transmission de données. Le comité DVB-S2 a étudié attentivement toutes les technologies potentielles avant de fixer la deuxième version de cette norme. Associée à d'autres technologies de codage, comme MPEG-4 part 10 (H.264/AVC), la norme DVB-S2 est susceptible d'accroître fortement le nombre de chaînes de télévision de définition standard (TVSD) ou haute définition (TVHD) pouvant être diffusées dans un trans- pondeur classique, et de réduire sensiblement le prix de la capacité satellite. Cependant, l'adoption massive de la nouvelle norme de diffusion n'aura lieu que s'il existe à la fois des signaux diffusés et des récepteurs proposés à un coût abordable. Il existe évidemment une compatibilité avec la première version et les premiers circuits intégrés ont vu le jour mi-2004. Alors que la norme DVB-S spécifie les procédés de modulation QPSK et de correction d'erreur type Reed- Solomon et convolutif, la nouvelle norme DVB-S2 permet, en plus de la QPSK, d'avoir 3 bits par symbole en modulation 8 PSK (Phase Shift Keying), à un débit de transmission d'environ 80 Mbit/s. Le système de correc- tion qui a été adopté est basé sur la concaténation d'un code externe BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) avec un code interne LDPC (Low Density Parity Check). Soulignons qu'il s'agit d'un code « graphique » décrit dès 1963 par Gallager et qui se révèle très performant alors qu'il n'avait pas été remarqué à l'époque, faute de moyens de simulations suffisamment performants. A titre de comparaison, par rapport aux valeurs extrê- mes du tableau précédent et en considérant que des pro- grammes TVSD et TVHD nécessitent respectivement des débits de l'ordre de 4,5 et 18 Mbit/s en MPEG-2 contre 2,25 et 9 Mbit/s en MPEG-4 (H264/AVC), on peut établir le tableau comparatif ci-dessous où l'on constate un gain de 32 à 36 %. REE No 3 Mars2006 Repères 1 LA TELEVISION NUMERIQU Satellite PIRE(dBW) 51 53,7 -----DVB-S DVB-S2 DVB-S DVB-S2 Modulationet codage QPSK QPSK QPSK QPSK Roll-off 0,35 0,2 0,35 0,25 --Seuil- C/N 78 Débit utile (Mbit/s 33,8 46 44,4 58,8 Nombrede 7 MPEG-2 10MPEG-2 10MPEG-2 13MPEG-2 Progl_mre TVS-D --1-5- H.-264/AVC 21 H.264/AVC 20 H.264/AVC -26-H-.264,/AVC--- Nombrede 1-2) MPEG-2 2 MPEG-2 2 MPEG-2 3 MPEG-2 ProgrammeTVHD 3-4) H.264/AVC 5H.264/AVC 4-(5)H.264/AVC 6 H.264/AVC Tableati comparatif.- D VBS - D VBS2. -. Figure 3. Constellations 4 gM- 16 QAM et 64 QAM La télévision numérique par câble : DVB-C Sur le câble, la problématique est différente. Il s'agit d'un milieu bien protégé mais à bande passante limitée. On va donc choisir une modulation ayant une grande efficacité, c'est-à-dire transportant un maximum d'échan- tillons dans une bande de fréquence réduite. Les contrain- tes nouvelles sont la coexistence avec les canaux analogi- ques existants, quelques distorsions et surtout des échos dûs aux problèmes de désadaptation inhérents au réseau câblé. Un réseau câblé comporte effectivement en prati- que un grand nombre de raccordements qui ne peuvent pas être parfaitement réalisés, ce qui perturbe la propaga- tion de l'onde dans le câble. Le DVB-C comporte de nombreux points communs avec le DVB-S mais la modulation change. On utilise en général la 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation à 64 états) à la place de la QPSK, bien que d'autres arran- gements soient prévus. De plus, le milieu de transport (le câble) étant moins bruité que la voie satellite, on supprime une couche de protection contre les erreurs à savoir le code convolutif. Nos 38 Mbit/s de données utiles peuvent alors être délivrés par un canal de 8 MHz (largeur des anciens canaux analogiques). En contrepartie, il sera nécessaire de prévoir, coté récepteur, un égaliseur pour éliminer les échos. La modulation choisie, la QAM, se compose de deux modulations d'amplitude à porteuse supprimée en qua- drature comme pour le QPSK. L'équation reste donc : Set) = x cos(wt) + ysin (wt). La différence tient dans le fait que l'on va augmenter le nombre de bits par symbole en augmentant les valeurs que peuvent prendre x et y (voir figure 3). Si l'on considère que chaque axe code 2 bits, ce sont 4 bits qui seront transportés par symbole d'où la dénomination de 16 QAM pour les 16 états possibles. Si on veut 5 bits par symbole, on obtient une 32 QAM et si l'on code 6 bits par symbole, une 64 QAM (rappelons que 25 - 32 et 2'- 64). On pourrait aller loin ainsi, mais l'on voit que plus le nombre de bits par symbole augmente, plus les symboles sont rapprochés et donc plus on augmente la sensibilité au bruit. Un symbole très bruité, et donc éloi- gné de son emplacement d'origine, peut être confondu avec le symbole adjacent. En pratique, la plupart des réseaux câblés travail- lent en 64 QAM. Comme nous l'avons fait pour le satellite, sachant que la largeur d'un canal du câble est de 8 Mhz, que le filtrage de Nyquist est effectué avec un facteur de débordement (Roll-off) de 15 % et que le même code Reed Solomon est utilisé, un calcul simple montre que le débit utile est directement fonction du nombre de bits de la constella- tion QAM. Pour une 64 QAM le calcul donne : 8/(1 + 0,15) x 6 x 188/204 - 38,46 Mbit/s. Sur un réseau câblé, le débit binaire utile sera donc au maximum de 38,5 Mbit/s par canal. La télévision numérique de terre : DVB-T Le DVB-T est le plus jeune des trois systèmes du noyau DVB et le plus sophistiqué ; il repose sur la modu- lation COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), sous les formes 2K (1 705 porteuses) ou REE No 3 Mars2006 Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique codeur :·i·iro 1 audt"3'JdiQ "7/--\.___./--\,___. ------- co.. \.-. :.d9.. -- d!?per!n -.'nc entr.-rt-ier.t !n1&rn -)..rrc-n-.eritL r, d'r.erQ!e.J'-ssd - terr.e'od 1,ntrr j__ \,_____-<'u !rt'jûri'._________. n'/u !tji!f \_________ 7Fl 3Ud0 cr..jge ·_r.dy7= disFrsiur drJa·ernent irterr,e.erstarne. Prdr?Ic>_rrnt d=n.ryie F'ee.j :aerre ·'-o.j irtèrr,ei ;.-,I,rrion` J,ror :·,7lulif iaJttrensF,aiti.,n _ ht=.ulatior edg.tationiul.a tledul.tior--_nir-querr,= Cflf: 7niervalle''- F,. .j_ar'j_ =FOlvt Iranse rurrenque pGrtem:e_Gilpi_ Figure 4. Émission d'un programme diffuse en DVB-T 8 K (6 817 porteuses). Chacune de ces porteuses étant elle-même modulée en QPSK ou QAM. Ce système, très résistant aux échos, présente notamment l'avantage de permettre la réalisation de réseaux mono-fréquence. Le canal hertzien terrestre est effectivement le canal le plus difficile à traverser compte tenu de la nature physique complexe des phénomènes qui perturbent la propagation d'un signal tels que sa réflexion ou sa diffraction sur un obstacle, sa réfraction lors de la traver- sée d'un milieu d'indice différent, sans oublier un éven- tuel effet Doppler si la source et le récepteur sont en déplacement relatif. Tous ces phénomènes physiques entrâment des échos c'est-à-dire des répliques du signal émis ayant suivi des chemins différents et se trouvant, en conséquence, échelonnées dans le temps. Il est en effet peu probable de recevoir uniquement l'onde directe, c'est-à-dire celle qui aurait pu suivre le plus court chemin, dans le temps le plus bref, de l'émetteur au récepteur. La superposition des n signaux reçus peut alors engendrer des évanouissements (fading) par interférences destructives qui sont autant de « trous de transmission » résultant de l'annulation du signal à un instant t pour une fréquence f. La fonction de transfert d'un canal de propa- gation à trajets multiples présente une réponse temporo- fréquentielle très chahutée, d'où une sélectivité du canal qui aura tendance à perdre les informations véhiculées par la fréquence f à l'instant t. Pour lutter contre ce phénomène, le principe de la modulation OFDM est le suivant : au lieu de transmettre toute l'information sur une unique porteuse, avec un débit élevé, l'information est transportée par un ensemble de sous-porteuses réparties en fréquence, chacune ayant un débit plus faible. On crée ainsi des « sous-canaux » très étroits dans lesquels la réponse fréquentielle du canal peut être considérée comme constante pendant un temps suffisant pour que l'information, dont on a par ailleurs diminué le débit, soit transmise. De plus, pour éviter que le grand nombre de porteuses modulées les unes à coté des autres ne conduise à une interférence inter-porteuses on a choisi des porteuses orthogonales entre elles d'où le « 0 » de OFDM. L'orthogonalité se traduit en pratique par le fait que le maximum de chaque porteuse corres- pond aux valeurs nulles des autres porteuses. Enfin, dans le cas où certaines ne passeraient pas, il suffit d'introduire une redondance entre les informations qu'elles transpor- tent à l'aide d'un codage constitué du code convolutif, du code Reed Solomon et des entrelacements temporels et fréquentiels, d'où le « C » de COFDM. Un tel codage per- mettra de récupérer l'intégralité de l'information perdue grâce aux « liens » qu'il établit entre les différentes infor- mations, comme la cordée d'alpinistes permet de récupé- rer la défaillance de l'un d'entre eux (se reporter à la figure 8). L'émission d'un programme de télévision diffusé par DVB-T est détaillée par le schéma de la figure 4. Description des étapes d'une émission DVB-T : Codage de source MPEG2 et multiplexage : Le codage MPEG2 s'applique à l'audio et à la vidéo de manière séparée. Il a pour fonction de minimiser la quan- tité d'informations transmises tout en assurant une maî- trise de la qualité. Ces informations codées et compressées sont ensuite mises en paquets et multiplexées, de manière à former des paquets de transport de longueur fixe 188 octets. Puis les programmes sont multiplexés entre eux. · Dispersion d'énergie : Ce brassage permet de disperser l'énergie, il remplace REE Nn 3 Mars2006 Repères 1 LA TELEVISION NUMERIQUE .. >'l'e 1 Yt2 " 1 1 Il X'i'convc,lljtif PC-inc,-Irtnagc- ;,1 1 1 Y2 par-illèlc- R; lî2 R= 2.e3 4rie l. 1'2 Y, Y2 YI Figure 5. Codage interne et poinçonnage. notamment les grandes suites de 0 par une séquence aléa- toire, ce qui facilite la synchronisation horloge. a Codage et entrelacement externes : Le codage externe est effectué par le code Reed-Solomon R (204,188,T = 8). L'efficacité de ce codage est augmenté par un entrelaceur. e Codage et entrelacement internes : Les informations reçoivent une protection supplémentaire grâce à l'utilisation d'un code convolutif de rendement 1/2. Cependant, cela pose un problème au niveau du débit d'information qui est alors doublé. Pour y remédier, on utilise le poinçonnage avec un rendement 2/3 (d'autres taux sont possibles). Puis la sortie de l'étape de poinçon- nage est sérialisée. L'ensemble de ces étapes est expliqué par le schéma de la figure 5. Enfin un entrelacement interne est effectué. Son but est d'éviter l'apparition de salves d'erreurs à l'entrée du décodeur de Viterbi. Pour cela, l'entrelacement interne est effectué en 2 étapes : . un entrelacement au niveau bit évite qu'un même symbole soit constitué à partir de bits consécutifs . un entrelacement au niveau symbole évite que des symboles consécutifs soient transmis sur des sous- porteuses consécutives. Modulation numérique, adaptation de la trame, modulation OFDM, intervalle de garde : L'ensemble de ces opérations est le coeur du système. Nous les détaillerons à la suite du paragraphe suivant. CNA et transposition de fréquence : Enfin, les données sont traitées par un convertisseur numérique analogique, puis transposées autour de la fré- quence centrale fixée pour la transmission hertzienne. Paramètres choisis Deux modes ont été définis pour la DVB-T : le mode 2k et le mode 8k. On s'intéressera ici uniquement au mode 8k. Les paramètres choisis en France (pour un canal de 8 MHz) pour ce mode sont les suivants : Un signal OFDM transmis est organisé en trames. Chaque trame est constituée de 68 symboles OFDM, et 4 Nombre total de porteuses Nombrede porteusesutiliséesK Espacement,entre 2porteuses-- 8192 6817Kmin=O, Kmax=6816), 11, Il 16 z - - - Duréedu symboleutile Tu= Intervalle de garde Il 16 H- 1/32 =896"' Duréedel'intervallede garde Duréetotaledu symboleOFDM Ti= 28ts Rendementducodeconvolutif Ts = Tu+ T,3= 924 Lts 2/3 trames constituent une super trame comme l'illustre la figure 6. Porteuses pilotes Parmi les 6 817 porteuses utilisées, il y a un certain nombre de porteuses pilotes qui ne transportent pas de données relatives au multiplex à transmettre. Elles ont des amplitudes supérieures aux autres porteuses [sauf les TPS - Transmission Parameter Signalling qui transportent notamment : type de modulation, durée de l'intervalle de garde, rendement du code interne et mode de transmis- sion (2k ou 8k)]. Elles servent à faciliter le travail du récepteur en ce qui concerne : . la synchronisation trame . la synchronisation en fréquence . la synchronisation en temps . l'estimation du canal. 1 Étapes relatives à la constitution des sym- boles OFDM Les différentes étapes sont illustrées par la figure 7. a Modulation numérique : La modulation numérique retenue est la 64-QAM. Les données relatives aux programmes à diffuser sont regroupées par paquets de 6 bits, chaque paquet étant associé à un point de la constellation 64-QAM. Ainsi, les symboles associés à chaque paquet sont complexes. a Adaptation de la trame : Les porteuses pilotes ont des emplacements assignés. Cette étape d'adaptation de la trame sert tout d'abord à REE No 3 Mars2006 Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique fréquence 9 9 1 -tjp.er.. ira me . ... 0 .. 0 0 0& << 0 e 0 e 0 t 4 o...e- 0 e e 4 e e a o 0C> 0 OJ e ... . 0 0 ... 0 e e e e e c 0 e te r,-,p Figure 6. Constitution ditn signal OFDM. Moffiitatioi - -, : 1 -. - ., Adaptation deta bame&a;ne E ; ic 1t,-' tte oo''ce &'.1... 1. 1 , 1 i1 i tmp ? EiECta,LArE 75--e4 i 75055c5 1 Modulation OFDM FFT- 1 s,,,bole OFDL tmp Afotrt iliteivaile/ ?e3J/e degarde > ten,p 256 ; 192 Densitéspectralede puissance .1 !, ;.ii i i: i - i1,; - EINEOUErmlop I I II : Port t:79#rt:n?,d9t;'riri,;,:7T m,9:?d !?r't.'e. I FC F... llfu Envefoppe - Porteuse modnlée -... Fréfitierice Figure 7.Etapes pour la modulation OFDM et spectre résultant. REE N, i Mars2006 Repères 1 LA TELEVISION NUMERIQUE Porteuses Symbole COFDM, Intervalledegarde--._ Temos ;-raosto;nWece Founer racide \ l---. \i r rçuences \ .'. '-------'i \ - ;') Symbo ! e COFDM ' rvalle de garde ...-''/ : -...-//'// ! & .'--'..<'7 ''c'' .}I,J'/I !//' %_ vériisrc,i-c: ././..(,) (/1j;'(.....'/ " f:l /,.///---/i'-<,'1 Idpd;v9aC_ /,/////,,'/J' ! / " .//-',,'/, J /.'//..'>.' ; >r: ;./. ./. r'1/c'/l "...,'i -' : ,./l,/'./. P'Ir!."JI!'/1..,.., rJ H ;; ".../'/. Il'1 Figzrre8. Représentationen ternps et en fréquence de la modulation COFDM placer chaque information à sa place parmi les 6 817 porteusesutilisées pour chaque symbole OFDM. . Les porteusespilotes réparties (ou dispersées)et continues transportent la valeur = 4/3 . Les porteuses TPS transportent des données binaires modulées en BPSK (Binary PhaseShift Keying) différentiel, donc elles ont pour valeur + 1 . Pour les données, on utilise 6 048 porteuses dites«utiles» qui contiennentlavaleurcomplexedu symbole 64-QAM associé, mais divisé par un certain coefficient déterminé par la norme. Pour la modulation 64-QAM en mode non hié- rarchique, chaque symbole est divisé par 42 Puis une fois que les 6 817 porteusesutiles sont rem- plies pour chaquetrame,on insèreun mêmenombredepor- teusesayant pour valeur 0 au début et à la fin de chacune de ces trames afin d'augmenter la protection par rapport aux canaux adjacents(bande de garde en fréquence). Modulation OFDM et ajout de l'intervalle de garde : Considérons une séquencede N donnéesco,...,cN_jet soit Tu la durée séparantdeux séquencesconsécutivesde N donnéesou temps symbole. Chaque donnée ck modu- lant un signal à la fréquence i, alors le signal individuel est Ck-e,le'.Le signal s (t)représentant la somme desdon- nées d'un symbole OFDM s'écrit donc : De plus le multiplexage OFDM est orthogonal, cela signifie que le maximum d'une porteuse correspond au minimum des autres porteuses.C'est effectivement le cas si l'espace entre les porteusesest 1, donc on a : =. +- k T Le signal OFDM s'écrit alors : . 1 - if,/ 1) = c'=0 ( 2 r ---éLI----1 l'il Ï,- « e 1 il..c 42 En comparant cette expression à la transformée de Fourier inverse sur N points : k=-\ -1 x (il) = o X (k).e r=0 -_ 1 o i2,Ttik -\' \'- 1 s (l) = c eL.L. j2,Tj,./ on remarque une certaine similitude. Ainsi on peut effec- tuer la modulation OFDM à partie d'une IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) sur 8 192 points. Puis on ajoute un temps ou intervalle de garde au symbole OFDM afin de limiter l'interférence intersym- bole. En fait, cela revient à placer au début de chaque symbole OFDM ses256 derniers échantillons. Réseau monofréquence : SFN L'une desmultiples options de la norme DVB-T est la planification en mode SFN (Single Frequency Network) opposée à la planification MFN (Multiple Frequency Network). Dans ce mode, on maximise le nombre REE No 3 Mars2006 Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique %igoial 1 Nignti 2 ç Symbolen-1 Symbole n Svmboleo+l ') ç : Symbole n-1 :. : cr Symbolen IES I-!'' ;'1 Symbole n-b-1 temps Figure 9. Interférence entre symboles. signal ç--- "'p[ Symbolen-l Symbekim -' iv :::J Positon fenêtreFFT 1 P-rNit101-1 F'F'l, 1 eerêt-P 1 : > -1 41,.1i tCïitUt t tal 2 1 signa! 1 " l,1 signal3 Seuilminima°' 2 5eui$ minima 1 Il'1 t n ! n ! 1 1 1 i fi j rI l' ! 1.1 r 1 i, t ! !-- < !' Il ri Il 1.. U. 1 1 L ..................Sb"I2£ v 4k,TTtIEI lem". .i i l t Figure Il. Réponse inipiilsionnelle du canal et synchro sur preiiiier signal au-dessus dtin ininima. IES : sinnu! !''/ Symf>6fe,,-1 Syoibo\'en Syoif>6\'eaHSymtett-TSym&oEen/maî \!!' v - - 1/l/- 1,1 1 DO -200 -100 100 200 3C Retardentre brouilleur et signal de synchro (ps) Figure 13. Performance Réceptezrr Philips Conaatlas. Paramètre Codage Video Codage audio Embrouillage. Paquet transport Brassage (dispersion d'énergiel Codage externe Entrelacement externe Codage interne Entrelacement interne Modulation Roll-Off Largeur de canClI (MHz) S-euil C/N- (-dB) Débit utile Mbit/s Nombre de Programme TVSD Nombre de Programme TVHD Câble DVB-C Satellite DVB-S Terrestre DVB-T MPEG-2 MPEG-1 audio layer2 - MPEG-2 DVB-CSAICommon ScramlJling Algorithm) 188octets (Sync + 187utiles) 1 + X " + X "Reed Reed-Solomon (2-04,188,T - 81 - Convolutif (12 blocs) Non Non GAM 16 à 64 0,15 8 (7) 25 2 à 38 1 5 - 9 MPEG-2 11-17 H.264/AVC 1 - 2 MPEG-2 3 - 4 H,264/AVC Convolutif (171,133) Poinçonnage RC= 1/2,2/3,3/4,5/6,7/8 Non QPSK 0,35 26 à 36 4,1 à 8,4 25j-t ? 5- 5 - 10 MPEG-2 11- 20 H.264/AVC 1- 2 MPEG-2 3 - 4 H.264/AVC Entrelacement bits et symboles OFDM 2K ou 8K QPSK, QAM 16 ou L4 Intervalle de garde 1/32,1/16,1/8,1/4 8 ou 7 ou 6 -- - 3-à 28 5-à 32 1- 5 ou 6 MPEG-2 2 -14 H264/AVC 0 - 1 MPEG-2 0 - 2 H.264/AVC Tableau résumé DVB. déjà précisés pour le tableau comparatif DVBS-DVBS2. On peut éventuellement améliorer la situation en remplis- sant chaque canal avec une combinaison de programmes TVSD et TVHD mais la situation est loin d'être optimale si on ne désire pas modifier les principaux paramètres actuels. La télévision sur ADSL Dans les années 80, aux Etats-Unis, les câblos-opérateurs ont souhaité faire de la téléphonie sur le câble. Les opé- rateurs de téléphonie se sont sentis menacés et ont donc cherché le moyen d'utiliser la ligne téléphonique pour offrir des services haut débit et de la vidéo. Ce sont ini- tialement les chercheurs des laboratoires Bell AT&T et ceux de l'université de Stanford qui ont mis au point la tech- nologie DSL (Digital Subscriber Line) ou Ligne d'Abonné Numérique. Le principe général est le suivant : sur une ligne télé- phonique (paire torsadée de cuivre), les 4 premiers kHz sont uniquement utilisés pour la voix. Le reste de la bande passante est alors utilisé pour transmettre des services à haut débit. La condition est que la longueur de la ligne téléphonique n'excède pas une certaine limite en raison de l'atténuation du signal. Pour diffuser de la télévision sur ADSL (Asymetrical Digital Subscriber Line) il suffit d'utiliser les capacités de transmission de la paire de cuivre téléphonique et le réseau de transport ADSL comme réseau de diffusion. Il s'agit d'un service accessible sur l'écran de télévision, soit à l'aide d'un boîtier unique (modem + décodeur) installé REE No 3 Mars2006 Repères 1 LA TELEVISION NUMERIQUE Fréquences 300Hz 3400Hz " " \ A (f\ !) _\r<> :z>-r-< : n acx, JL'iY\ll l'2sïttl_ LiSCd.it-,'aVGC .ZiiT Yi'1 i :Bi<. ï i., i iü ILbF'ti ; i rveuiJSi 7R'tiiiïTt; !'i B._ _. n.fsf_tma.i,. muEin?es... n?ême2PnlPs_r_',i i i ` ï '', deh· t 4tti;z i 1 j i iïJ L`eJ:*.vLa:.ab'.'iS.EI·,'rû, ftlî.ï'cTC`.'r2.ÿhr,i 'tFicj..:''utre i ; ; !i y ;eW W e at:mrrés;t,e au.'1 roidéor ;ang: e:aé Par ; parrapp..:e ». Asi ?tLtlelotc,. ï. y, ; r riJ7t.G''ï., lLiVibtiiJ ïin(itiI'SliÎS G7iüiftlçjllruJi,Sii9ia11eCSI%iivTi! LTi7Jrc'.ei.r Vil.) ; l'alOïW j ijr1i75i: i Web- irnaecs haut débil l'ADSL j i... i psuvenYêtreattemisque Mi débi vidéosn augmemé par parrapp< i ÂDSL2-i" t . -,.. [6îbiî/& j UCkB/& 27t.!Um desdistancesi=1`ülGa' ï%bnl3ïL i (nUrrt',, ï ï i i, e.t\.U0L1 G.-'l.u:; uuW.) 1.:..KtlltJ:s : l.::.{)kthu:s 1 " -Urn 1r. :r ru' !. 1 l't', :1 1 ! 1 lilïl, i ï ï i e1 I, iCCS..auL-$.:5W . z;i'stdhv ; bï,:icvi i Wcb, aigil- iLtLx nom li2 j£ : -,Iix il résau- llus " if READS' 4 ( ; 0 ni t >1 12,j- RA TL 4iaptïvc w donnécs. des li A locauv, à (il, debit i ! Jii'ate ! 1 Accçs m :rxDascsde i Auaptatn:m i J:'a.sencore 1 Trèq haut Portée tr-c ; cotule vido et \IOD débits (*-1 1 inftaswacture !.-. ! VcrHh ! ! TVSD.TVHDetVOD Mm/'\/s) e( ; opH%7cn TVSD.TVHDetVOD télédifftic,on et 1 C » ti (lite 'lJii, i - i)iYii745 i :i.<'ÎFüiS j "'(P ïm i, R.tteI?St., en lrazrleiéGniJirvz!rr ÿr, cé,nara.i cxrnaLVCras,cFFrus)cinariair : i 31 1t71tî i ïs.4W iMirSs ?i1'vtM i 1 ï. 1 - i 20 ï--nPei- DSl, Mbit/;S Tableau résitiné XDSL. réelle incidence sur les choix que nous avons décrits en matière de modulation et de codage de canal. L'augmentation de la définition de l'image se traduit a priori par une augmentation de la quantité d'infomiation à transmettre, ils'agit donc surtout de revoir le débit alloué à chaque programme à l'intérieurd'un même canal. Mais les paramètres des algorithmes de codage de canal sur lesquels il est possible d'agir n'ont pas pour vocation première de permettre un gain en débit utile, comme c'est le cas des algorithmes de compression (ou plus exactement de réduc- tion de débit) utilisés en matière de codage de source. DVB-S2 ETSIEN 302 307 DVB-C : ETS ! EN 300 429 DVB-T : ETS ! EN 300 744 ADSL. ETSI TS 101 388 VDSL : ETS) TS 101 270-1 et 270-2 Ouvrages généraux : La télévision numérique MPEG-1, MPEG-2 système européen DVB, Hervé Benoit - Dunod 1998. Références " La TVHD est une évolution incontournable à terme de la future TNT ", Pierrick Arlot, Interview de l'auteur, Electronique InternationalHebdo n° 559 - 2004. . "DVB-S2 Ready for liftoff",Alberto Morello, VittoriaMignone EBU Technical Review no 300 - 2004. . " Intervallede garde en OFDM et comportement des récep- teurs dans un réseau SFN ", Philippe Debreux, Note interne TDF, ret :sav 0126 -2003. " La TV sur ADSE', Nicolas Altieri et Nathalie Coupé, Note interneTDF, ref :sav 0114 - 2004 . "Modulation et codage de canal " l,D. Nasse, D. Castelain, l'Écho des RECHERCHES n'167 - 1997, pp 15-20. Principales normes DVB-S : ETS ! EN 300 421 EEi Eu PatriceBourcet ingénieurCNAM (ConservatoireNationaldes Arts et Métiers) et diplômé de)'ENSLL (Eco ! eNationale SupérieureLouisLumière)débute sa carrièreà TDFau laboratoire d'acoustique du CERIM (Centre de Recherche d'Issy-les- Moulineaux)où Ilréalisenotamment un équipement de mesure instantanéedes niveauxde bruitnormaliséscaractérisantlesper- formances acoustiquesd'un bâtiment.Ilintègreensuitele labo- ratoireaudiofréquencesoù ses travauxsur lestechniquesnumé- riques luipermettent de développer la technologiedite FM Synchrone expérimentée en premièremondialeparRadio-France- Savoieà l'occasiondes jeuxolympiques dAlbertvilleet largement déployée aujourd'huisur le canalFM réservéaux autoroutes : 1077 MHz. En 1992,ilfonde ! e département Traitementdu Signal du Centre d'études en Radiodiffusionet Radiocommunications implantéà Metz où ildéveloppe notamment un système de don- nées cachées dans l'audiopréfigurantleconceptactuelde water- marking. Il est aujourd'hui responsable du département Prospectiveau seinde la Direction Technique de TDF REE N, i Mars2006