Технически Университет Габрово Факултет...

Технически Университет – Габрово

Факултет – Електротехника и Електроника

Катедра – Комуникационна Техника и Технологии

инж. Панайотис Григориос Когиас

“МОНИТОРИНГ И КОНТРОЛ В

КОМУНИКАЦИОННИ СИСТЕМИ ЗА НАЗЕМНО

ЦИФРОВО РАЗПРЪСКВАНЕ”

за присъждане на образователна и научна степен

„ДОКТОР”

Професионално направление:

5.3 „Комуникационна и компютърна техника”

Научна специалност:

„Комуникационни мрежи и системи”

Научен ръководител:

доц. д-р инж. Станимир Михайлов Садинов

Рецензенти:

проф. д-р инж. Кирил Иванов Конов

проф. д-р инж. Михаил Петков Илиев

“Мониторинг и контрол в комуникационни системи за наземно цифрово разпръскване”

автор: инж. Панайотис Когиас

1

Списък на използваните съкращения и обозначения

Списък на използваните съкращения

API Приложен програмен интерфейс (Application Programming

Interface)

ATM Aсинхронен режим на пренасяне (Asynchronous Transfer Mode)

AWGN Адитивен бял Гаусов шум (Additive White Gaussian Noise)

BBS Сигнал в основна честотна лента (Base Band Signal)

BER Коефициент на грешка за битове (Bit Error Rate/Ratio)

BPSK Двукратна фазова модулация (Binary Phase Shift Keying)

CATV Телевизия с комунална (обществена) антена - Кабелна телевизия

(Community Antenna Tele-Vision)

C/N Отношение носещ сигнал към шум (Carrier to Noise Ratio)

COFDM Кодирано ортогонално честотно разделяне и мултиплексиране

(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

CP Постоянен пилотен сигнал (Continual Pilot)

DAB Цифрово аудио радиоразпръскване (Digital Audio Broadcasting)

D/A Цифрово-аналогово преобразуване (Digital to Analog)

DBPSK Диференциална двукратна фазова модулация (Differential Binary

Phase Shift Keying)

DFT Дискретно преобразуване на Фурие (Discrete Fourier Transform)

DSCQS Метод чрез сравняване на контролираното изображение с еталонна картина (Double Stimulus Continuous Quality Scale)

DVB Цифрово видео радиоразпръскване (Digital Video Broadcasting)

DVB-C Кабелно DVB (DVB Cable)

DVB-H Мобилно DVB (DVB Handheld)

DVB-S Спътниково DVB (DVB Satellite)

DVB-T Наземно цифрово телевизионно разпръскване (DVB Terrestrial)

EBU Европейски съюз по радиоразпръскване (European Broadcasting

Union)

END Еквивалентно влошаване на шума (Equivalent Noise Degradation)

EPG Електронен програмен справочник (Electronic Programme Guide)

ETSI Европейски институт по стандартизация в далекосъобщенията (European Telecommunication Standards Institute)

F1 Фиксиран канал (Fixed Channel)

FFT Бързо преобразуване на Фурие (Fast Fourier Transform)

GI Защитен интервал (Guard Interval)

GPS Позиционираща система (Global Positioning System)

ICI Интерференция между подносещите сигнали (Inter-Carrier

Interference)

IDFT Обратно/инверсно дискретно преобразуване на Фурие (Inverse

Discrete Fourier Transform)



2

IFFT Обратно/инверсно бързо преобразуване на Фурие (Inverse Fast

Fourier Transform)

ISI Междусимволна (Inter-Symbol Interference)

ITU Международен съюз по далекосъобщения (International

Telecommunication Union)

LPF Нискочестотен филтър (Low Pass Filter)

MC Максимална корелация (Maximum Correlation)

MFN Многочестотна мрежа (Multi Frequency Network)

MER Коефициента на модулационна грешка (Modulation Error Ratio)

ML Максимално правдоподобие (Maximum Likelihood)

MMSE Минимална средноквадратична грешка (Minimum Mean Squared

Error)

MNC Максимална нормирана корелация (Maximum Normalized

Correlation)

M-QAM M - кратна квадратурна амплитудна модулация (M-Array

Quadrature Amplitude Modulation)

OFDM Ортогонално честотно разделяне и мултиплексиране (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing)

PAPR Отношение пикова/средна мощност (Peak-to-Average Power

Ratio)

PAR Отношение пикова/средна стойност (Peak-to-Average Ratio)

PBS Модулиран сигнал (Pass Band Signal)

PRBS Псевдослучайна двоична последователност (Pseudo Random

Binary Sequence)

PSD Спектрална плътност на мощността на сигнал (Power Spectral

Density)

QAM Квадратурна амплитудна модулация (Quadrature Amplitude

Modulation)

QPSK 4-кратна фазова модулация (Quadrature Phase Shift Keying)

RF Радиочестотен сигнал (Radio Frequency)

SNR (S/N) Отношение сигнал/шум (Signal - to - Noise Ratio)

SP Плаващ пилотен сигнал (Scattered Pilot)

SFN Едночестотна мрежа (Single Frequency Network)

SSCQE Метод за единична оценка на текущата програма (Single Stimulus

Continuous Quaiiti Evaluation)

STB Абонатен цифров приемник – приставка (Set Top Box)

TPS Пилотен сигнал за параметрите на канала за пренос (Transmission

Parameter Signaling)

UHF/VHF Дециметров/Метров честотен обхват (Ultra/Very high frequency)

АЧХ Амплитудно-честотна характеристика

ИХ Импулсна характеристика

НЧФ Нискочестотен филтър

РРТС Радио ретранслаторна и предавателна станция



3

Списък на използваните символни означения

c[n] Дискретизиран във времето автокорелиран сигнал

fc Средна (централна) честота на RF сигнал

Lg Дължина на защитен интервал

m[n] Дискретизиран във времето метричен сигнал

n Дискретно време

NFFT Дължина на FFT/IFFT преобразуване

p[n] Дискретизирана във времето сумарна мощност r(t) Непрекъснат комплексен приет сигнал

r[n] Дискретизиран във времето приет сигнал

RC Степен на код

RS Символна скорост s(t) Непрекъснат комплексен излъчен сигнал

s[n] Дискретизиран във времето комплексен излъчен сигнал

T Елементарен период

t Непрекъснато време TOFDM Период на повторение на OFDM символ

TS Обща продължителност на OFDM символ

TU Полезна продължителност на OFDM символ

x[n] Дискретизиран във времето взаимнокорелиран сигнал

∆ Защитен интервал

∆f Ширина на преходна област на АЧХ

∆F Отстояние между подносещи

ε Нормирано честотно отместване

ε̂ Прогнозно нормирано честотно отместване

fε Дробна част на нормирано честотно отместване

iε Цяла част на нормирано честотно отместване

θ Нормирано отместване във времето

θ̂ Прогнозно нормирано отместване във времето

τ Времезакъснение ϕ Фазово отместване



4

I. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ

ТРУД

Актуалност и мотивиране на темата Проблемите при изграждане и експлоатация на наземните мрежи за

разпространяване на телевизионни сигнали по стандарта DVB-T е актуален в

световен мащаб и е свързан с всеобщия преход от аналогово към цифрово

наземно телевизионно разпръскване. Известно е, че стандартът DVB-T им

определени недостатъци и оптималното изграждане на системата за разпръскване изисква редица корекции и доработки в мрежата от предаватели и ретранслатори. Ограниченият радиочестотен ресурс и силното

влияние на различни фактори върху сигнала в радиоканала предавател-

приемник, прави проблематиката по мониторинга, анализа, оценката и

управлението на системaта за цифрово наземно радиоразпръскване на телевизионни сигнали сигнал многоаспектна, наукоемка и винаги актуална.

Същността на всяка една DVB-T система се състои не само да разпространява цифрови телевизионни сигнали, но и във възможността й за откриване и коригиране на грешките, възникнали в канала за връзка. Затова с настоящата дисертационна работа се има намерение да се покаже до каква степен това е възможно, чрез мониторинг и контрол на цялата приемо-

предавателна система.

Предмет на изследване са различните процеси, свързани с предаване, приемане и синхронизация, както и зависимостите, касаещи OFDM

технологията, QAM модулацията, модулационните грешки (MER),

напрегнатостта на полето, отношението бит/грешка – коефициент на грешка за битове (BER), съотношението сигнал/шум.

Методите за изследване са обособени основно в отделните глави, като

аналитични, симулационни и практически и обхващат зависимостите на параметрите, характеризиращи реализацията и качеството на услугата.

Мястото на изследване е примерно, касаещо практически изследвания

в определена част от зона на покритие с наземно цифрово телевизионно

разпръскване. За симулационни изследвания е използвана “Matlab/Simulink”

среда.

Цел и задачи на дисертацията Целта на дисертационния труд е да се представят и изследват

процесите на обработка на сигналите – генериране, кодиране, модулация,

предаване и приемане на DVB-T сигнали - чрез синтезиране на симулационни модели и провеждане на практически експериментални

резултати.

За реализирането на формулираната цел е необходимо решаването на

следните обобщени задачи:

1. Създаване на опростен симулационен модел за мониторинг на OFDM сигнали при предаване и приемане на наземно цифрово



5

разпръскване по стандарт DVB-T, чрез които да се представят и

анализират времевите и честотните характеристики на сигналите в

отделните блокове за обработка.

2. Синтезиране на разширен модел на DVB-T система в Simulink

графична среда на Matlab, който да съответствува на

последователността на обработката на сигнала в OFDM базирана

DVB-T система и чрез който да се получава пълна информация за битовото съдържание на сигнала след всяка една от операциите в

процеса на обработката му.

3. Симулационно изследване на алгоритми за синхронизация на DVB

-T системи за оценка на отместване във времето и на честотното

отместване на базата на корелационни подходи - автокорелация и

взаимна корелация.

4. Експериментални изследвания на покритието за цифрова наземна телевизия на територията на гр. Габрово, като чрез резултатите се направи независима оценка на качеството на осигуреното

радиопокритие и се предложат методи и мерки за неговото подобряване.

Практическо приложение Получените в резултат на работата по дисертационния труд

изследвания, могат да се използват при работа по проблематиката за доусъвършенстване на симулационни модели свързани със стандарта DVB-T

и T2, както и стандарта DAB и при търсене на практически подходи за мониторинг и оценка на качеството на цифровите ефирни сигнали, даващи

възможност да се установят, диагностицират и отстранят проблеми, свързани

с ниски нива на сигнала в зоната на радиопокритие, с неподходящ подбор и

насочване на антенното оборудване и с необходимост от допълнителни

радиоретранслатори и тяхното подходящо позициониране.

Апробация Основните резултати, получени в дисертационния труд, са представени

в седем публикации, изнесени на научни конференции и публикувани в

сборници и в списания в периода 2012÷2014 г. Четири публикации са на английски език и три са на български език. Една статия е публикувана в

списание „Jestr” в Гърция и една в списание „Известия” на Техническия

университет – Габрово. Два доклада са изнесени и публикувани в

Международна конференция „Унитех” през 2013 и 2014 г. и три доклада в

международа конференция на Русенски университет и Съюз на учените, през 2012, 2013 и 2014 г.



6

II. КРАТКО ИЗЛОЖЕНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

ГЛАВА ПЪРВА - СЪСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМИ И ПРИНЦИПИ ПРИ

ИЗГРАЖДАНЕТО И ЕКСПЛОАТАЦИЯТА НА КОМУНИКАЦИОННИ

СИСТЕМИ ЗА НАЗЕМНО ЦИФРОВО РАЗПРЪСКВАНЕ

1.1. Анализ и състояние на осигуряване на цифрово

телевизионно покритие в Република България и Гърция Съобразно новия радиочестотен план (GE-06) на Република България е

одобрен честотен ресурс в III VHF, IV и V UHF телевизионни обхвати за 13

(allotment) териториални зони (+ 2 градски) [31] с възможности за развитие в

тях на 10 до 14 SFN едночестотни мрежи, носещи съответен брой програмно-

информационни мултиплекси – фиг. 1.1. С влизане в сила на решенията на

конференцията GE-06 новият цифров радиочестотен план става задължителен за всички следващи радиочестотни назначения (assignments) и

представлява основа на прехода от наземно аналогово към наземно цифрово

телевизионно радиоразпръскване.

Фиг. 1.1. Зони на покритие при изграждане на предавателната DVB-T за

SFN мрежата на Република България

• Модулация: 64QAM

• Скорост на транспортния поток: 19.91 Mbit/s

• Видео кодиране: MPEG-4

• Аудио кодиране SD програми: MPEG-1 Layer II

• Аудио кодиране HD програми: HE AAC

В Гърция DVB-T планирането започва през 2002 г. Приоритет на ATTIKI компанията е столицата на Гърция, Атина, като покритието да достигне 50% от населението. Гърция има намерение да използва

едночестотни мрежи (SFN) и многочестотни мрежи (MFN), поради

географските особености на областта.



7

На фиг.1.2 е представен окончателният план с областите на покритие и

честотно разпределение.

В анализираните материали [59, 68] e описана аналитично

методологията на проектиране за успешното предоставяне на услуги в

трудни релефни зони със смесен терен, каквато е теритията на Гърция. В тях

се представя изчисляването на стойностите на параметрите при планирането

на мрежата, както и подходът стъпка по стъпка, за приетия радио обхват и

проучванията за синхронизация на планираните на едночестотните мрежи

(SFNs). Предложената DVB-T мрежа, по която се изгражда покритието в

Гърция се основава на системен вариант от 35 едночестотни мрежи с

минимум осем мултиплекса във всяка отделна зона на мрежата. Въпреки

трудностите, които се изпитват при проектиране и практическа реализацията на проекта, са изградени 191 станции, осигуряващи цифрови телевизионни

услуги за 95,9% от населението, а с надграждане от още 84 станции,

процентът се покачи до 97.3%.

Фиг. 1.2. Зони на покритие при изграждане на предавателната DVB-T

мрежа на Гърция

Необходимостта от провеждане на симулационни и практически

изследвания е свързана с това да се установяват проблемните зони от радиопокритието на цифровия ефирен телевизионен сигнал в затруднени

релефни условия и да се дадат насоки и препоръки за корекции, настройки и

необходимост от надграждане на използваното техническо оборудване.

Изследванията могат да се използват при търсенето на решения и подходи за

подобряване и оптимизация на радиопокритието.



8

1.2. Анализ на система за наземно цифрово предаване на

телевизионно изображение За цифрово наземно разпространяване на телевизионни програми, както

вече се спомена, е разработена и стандартизирана европейската система DVB-

T. Стандарта DVB-T трябва да изпълнява следните изисквания:

- системата DVB-T да е максимално близка до цифровите телевизионни

системи, които се използват при предаване по спътникови и кабелни

телевизионни мрежи, за да може да се опрости в максимална степен

домашният приемник.

- DVB-T трябва да осигурява максимално покритие при стационарно

приемане с покривна антена. Портативното и мобилното приемане да е възможно в определени граници.

- пренасянето на DVB-T програмите трябва да се осъществява в

“цифров контейнер” с възможно най-голям капацитет. Горната честотна граница трябва да бъде 8MHz с опция 7 MHz при предаване в I и III обхвати.

- системата трябва да позволява излъчването да се осъществи с

едночестотни мрежи (SFN) със синхронно предаване на цифровия поток;

- като опция трябва да се предвиди използването на йерархична

модулация.

За да се постигне максимално възможно съответствие със стандартите за кабелно и спътниково пренасяне на цифрови телевизионни програми,

трябва да се изберат едни и същи методи за корекция на грешките (вътрешна и външна корекция и разместване на битовете). Изискването с DVB-T да се осъществят едночестотни предавателни мрежи автоматично довежда до

използването на OFDM модулация, което позволява да се работи в условие на многолъчево разпространяване на сигнала и при едночестотни мрежи, а освен това се характеризира с добро използване на честотната лента на канала за пренос. Последното дава възможност в честотната лента на наземната телевизионна мрежа да се предава същият цифров поток, както в

спътниковите, така и в кабелните разпределителни мрежи.

Същността на всяка система за цифрова телевизия е блокът за съкращаване на скоростта на цифровия поток на видеосигнала, с което се цели оптимизацията на преноса на телевизионните програми, и то така, че в

приемната страна да се възстанови изходното телевизионно изображение без забележимо влошаване на качеството. Това се постига с кодиране на източника, чрез отстраняване на излишната и ненужна информация, което

подробно е разгледано както в стандартите, така и в техническата литература

[21, 52, 16, 79]. По принцип процесът е свързан със съкращаване скоростта на

цифровия поток на видеосигнала, кодиране на аудио и видеосигнала в

стандарт MPEG-2 или 4 и организация на MPEG-2 мултиплекс: програмни и

транспортни потоци.

1.2.1. Kодиране на канала за връзка

Както е известно, тези канали не са чисти от към грешки поради

наличието на много смущения, които могат да се комбинират с полезния



9

сигнал (шумове, интерференции, ехо сигнали). За да се осигури приемане на телевизионно изображение, особено, когато почти всичко излишно в него е вече отстранено, цифровият телевизионен сигнал изисква едно много ниско

ниво на грешките (BER от порядъка на 10-10÷10

-11, което съответства на

0,1÷10 грешни байта в рамките на 1 час при скорост на предаване от 30

Mbit/s).

Следователно, още преди модулацията е необходимо да се вземат мерки, чрез които да се осигури в приемника детектиране и доколкото е възможно, корекция на повечето грешки, въведени от физическия канал за връзка. Тези мерки, болшинството от които се състои във въвеждане в

сигнала на едно пресметнато излишество от информация, са групирани под

наименованието “кодиране на канала”.

Термините вътрешно и външно кодиране се разглеждат от гледна точка на споменатия вече виртуален канал. Тези стъпки са разгледани и описани

подробно в [21, 65, 79], където са представени специфични кодове,

използвани за корекция на грешките.

1.2.2. OFDM модулация за наземни цифрови телевизионни

предавания

Европейската система за наземни цифрови телевизионни предавания

(DVB-T), дефинирана от стандарта DVB, е базирана на 2к/8к OFDM

модулация. Тя е приета от ETSI и публикувана като документ ETSI/EBU

300 744 [52]. Принципът на този тип модулация се състои в

разпространението на високоскоростни потоци цифрова информация с помощта на голям брой ортогонални носещи честоти (от няколко стотин до

няколко хиляди), като всяка от тях пренася един ниско скоростен

информационен поток.

Главното предимство на този тип модулация е стабилното и поведение в случаите, когато един сигнал се приема от много посоки, което е често

срещан случай при наземното портативно и мобилно приемане на цифрови

телевизионни сигнали. При този случай закъсненията по индиректните трасета са много по-малки от периода на символа.

Проблемите, свързани с приложението на OFDM в DVB-T системите,

са обект на изследване на дисертационния труд и засягат отчитането на

грешки вследствие влошаване на сихронизацията по време, честота и фаза.

1.2.3. Канал за пренос и приемане на цифрово телевизионно

изображение

Каналът за пренос се характеризира с широчина на честотната лента ∆

F, честотна характеристика, шумови параметри (отношение сигнал/шум),

честота на грешките, затихване на сигнала от разстоянието и др. Тези

параметри, както и избраната модулация, определят максималната скорост на цифровия поток Vbit, която може да се пренася през дадения канал за връзка.

Процесите на обработка на сигналите в отделните блокове в приемната страна са подробно описани в литературните източници [2, 12÷17] и на базата на тях в дисертационния труд са залегнали задачи за синтезиране на



10

симулационни модели и провеждане на експериментални изследвания за установяване на проблемните зони от радиопокритието на цифровия ефирен

сигнал.

1.3. Анализ и изводи към първа глава Когато се извършва проектиране, настройка и експлоатация на наземни

цифрови мрежи по стандарта DVB-T, е необходимо да се направи правилен

избор на параметрите, типа на модулация, подносещи сигнали и режим на работа на системите за конкретните условия на дадена страна или зона на покритие.

От съществено значение е и структурата, по която е изградена една DVB-T система, където се налага постоятен мониторинг и контрол на синхронизацията по честота, време и бит синхронизация.

1.3.1. Избор и контрол на параметрите при DVB-T

Максималният полезен цифров поток, който се пренася при DVB-T,

зависи от: � Широчината на честотната лента на пропускане на канала за връзка (6,

7 или 8 MHz);

� Вида на модулацията на носещите сигнали;

� Степента на конволюционния код RC ;

� Продължителността на защитния интервал.

В зависимост от избраните параметри, полезната скорост на цифровия

поток се изменя от 4,98 Mbit/s до 31 Mbit/s. Влиянието на отношението

сигнал/шум при приемането на DVB-T е различно при различните модулации

на носещите сигнали, различните степени на конволюционния код RC и типа на канала за връзка. При телевизионното приемане се разграничават три вида канали за връзка:

� Гаусов канал – при използването на насочена приемна антена, като се приема само директен сигнал от предавателя;

� Рициев канал – при използването на насочена приемна антена при

наличието на отразени сигнали;

� Релеев канал – при ненасочена приемна антена (антена тип пръчка) при

наличието на отразени сигнали.

Избор и контрол на типа на модулацията и на степента на

конволюционния код RC

Избор и контрол на подносещите сигнали

Избор и мониторинг на йерархичен и нейерархичен режим на

работа

1.3.2. Конфигурация на структура на DVB-Т мрежите, контрол и

мониторинг на синхронизация при изграждане и експлоатация на

системите При добре планираните едночестотни мрежи, при които запълващите

предаватели имат насочени антени за покриване на отделните райони, освен

икономия на честотни канали, се постига и икономия на мощност.



11

При едночестотните мрежи всички предаватели работят в един и същ

канал, като предимствата на тези мрежи са:

� Ефективно използване на честотния спектър;

� Възможност за постигане на равномерно покритие на района;

� Покритието на даден район се постига с по-малка излъчена мощност в сравнение с многочестотните мрежи;

� Възможност за включване на допълнителни предаватели за

подобряване на покритието или за разширяване на зоната на покритие.

Важно условие за функционирането на едночестотните мрежи е във всяка точка на зоната на покритие приетият сигнал от всеки един от предавателите да е идентичен. Това условие изисква сигналите, излъчвани от всички предаватели в мрежата, да са синхронизирани по честота, време и по

предаване на бит-информация.

ГЛАВА ВТОРА - МОДЕЛИРАНЕ И СИМУЛАЦИЯ НА OFDM

СИГНАЛИ ЗА DVB-T

2.1. Особености на OFDM модулацията Недостатъците [53, 74, 83], които съществуват при пренасяне на

сигнали с един носещ сигнал, се преодоляват чрез използване на модулацията, която се базира на ортогоналното честотно разделяне и

мултиплексиране (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM).

Практически реализацията на OFDM се извършва чрез обратното

бързо преобразуване на Фурие (Inverse Fast Fourier Transform – IFFT), а в

процеса на демодулация на сигнала се прилага бързото преобразуване на Фурие (Fast Fourier Transform – FFT).

Наред със своите несъмнени предимства, OFDM технологията страда и

от някои недостатъци, по-съществени от които са: � необходимост от прецизна синхронизация между предавателя и

приемника;

� голяма чувствителност към фазов шум и честотно отместване;

� голям динамичен обхват на сигнала, което определя сравнително

високата стойност на отношението пикова към средна стойност (Peak to

Average Ratio – PAR) на сигнала, респективно на отношението пикова към

средна мощност (Peak to Average Power Ratio – PAPR). Това води както до

намаляване на ефективността на високочестотните усилватели в радиочастта на системите, така и до повишаване на тяхната енергоемкост.

2.2. Структура на OFDM символа и OFDM рамката За функционирането на IFFT/FFT алгоритмите, е необходимо броят на

носещите сигнали да бъде равен на цяло число 2n. Стандартът ETS 300 744

[6] за наземно цифрово телевизионно разпръскване (Terrestrial Digital Video

Broadcasting – DVB–T) предвижда два режима на работа – 2k и 8k.



12

Броят на носещите сигнали за 2k режим теоретично е 211

=2048, а за 8k

режим, съответно 213

= 8192. Реално броят на използваните носещи сигнали е много по-малък. За предаване на полезната информация са необходими 1512

носещи сигнала за 2k режим и 6048 носещи сигнала за режим 8k. След като

се добавят сигналите за предаване на пилотна информация, която служи за рамкова синхронизация, честотна синхронизация, синхронизация по време,

оценка на канала за връзка, определяне на режима на предаване и определяне на фазовия шум, броят на носещите сигнали нараства на 1705 за режим 2k и

6817 за режим 8k.

В DVB–T се използват следните видове пилотни сигнали:

� Постоянен пилотен сигнал (Continual Pilot – CP)

� Плаващ пилотен сигнал (Scattered Pilot – SP)

� Пилотен сигнал за параметрите на канала за пренос (Transmission Parameter Signaling Pilot – TPS)

Разпределението на видовете сигнали по брой, според стандарта DVB-

T, за двата режима на работа е обобщено в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Брой сигнали за двата режима на DVB-T

Брой пилотни сигнали Режим

Общ брой

носещи CP SP TPS

Брой активни

носещи

2k 1705 45 131 17 1512

8k 6817 177 524 68 6048

2.3. Моделиране и симулация на предаването и

приемането на OFDM сигнали OFDM символ, който започва от точката stt = , може да се представи

математически със зависимостта [7]:

( ) ( ) Tttt,ttT

5,0if2jexpdRets ss

12

N

2

Ni

sc2/Ni

s

ss

+≤≤

−

+−= ∑

−

−=

+ π (2.1)

( ) Ttttt,0ts ss +>∧<= .

Тук id са комплексни модулирани символи, SN - общ брой

носещи, T - продължителност на символа и cf - носеща честота. Конкретен вариант на (2.1) е описването на излъчения сигнал в DVB-T

стандарта, което се свежда до уравнението [6]:

( ) ( )

Ψ= ∑∑ ∑∞

= = =0m

67

0l

K

Kk

k,l,mk,l,mtf2j

max

min

c tCeRetsπ

, (2.2)

където:



13

( )( ) ( ) ( )

( )

−

++≤≤++

=Ψ

−−∆−′

случаидругипри0

3.2

T1m68ltTm68l,m68le ss

mT68lTtT

k2j

k,l,m

ssu

π

Използваните в уравнения (2.2) и (2.3) означения са:

k номер на носеща;

l номер на OFDM символ;

m номер на предавана рамка;

K общ брой носещи;

ST обща продължителност на символа;

UT полезна продължителност на символа; ∆ продължителност на защитния интервал;

cf средна честота на радиочестотния (Radio Frequency - RF) сигнал;

'k индекс на носеща спрямо централната честота

( ) 2/KKk'k minmax −= ;

k,1,mc комплексен символ за носеща k на символ l за полезна информация

в рамка номер m.

Ако (2.2) се разгледа за период от 0t = до STt = , се получава:

( ) ( )

= ∑=

∆−′max

min

Uc

K

Kk

T/tk2jk,.0,0

tf2jeCeRets

ππ, (2.4)

като ( ) 2/KKk'k minmax −= .

Отчитайки особеностите на OFDM модулацията/демодулацията, е

извършено симулационно моделиране на процеса излъчване – приемане на OFDM сигнал за режим 2k на DVB –T стандарта в два варианта – опростен

и разширен. Моделите са съобразени с възможностите за симулация чрез средствата на Matlab/Simulink.

2.3.1. Опростен модел

Моделът представя основните етапи на генерирането и приемането на OFDM сигнал.

2.3.1.1. Предавател

� Модел на предавателя

За генериране на OFDM символ, входният цифров поток се обработва в

съответствие с модела от фиг. 2.3, а на фиг. 2.4 е представен алгоритъма на проведените симулационни процеси.

Фиг. 2.3. Структурен модел за генериране на OFDM символ



14

∆

Фиг. 2.4. Алгоритъм на опростен симулационен модел на OFDM генериране и

предаване

� Симулационни резултати

След симулацията, за сигнала на изхода на блока IFFT (сигнал

carriers в т. B) са получени зависимости във времевата и честотната

област. След преминаване на комплексния сигнал carriers през филтъра ( )tg ,

на изхода му (контролна точка C), се получава сигналът – u.

Независимо от закъснението на сигнала, филтрацията е изпълнена

така, както се очаква, доказателство за което са честотните характеристики

на фиг. 2.12. Вижда се, че е останал спектърът само на BBS сигнала, като

подносещите от 1 до 852 са разположени вдясно от 0Hz, а тези от 853 до 1705

– вляво от честота cf4 Hz.



15

Фиг. 2.12. Изменение на сигнала uoft в точка D и на спектралната плътност

на мощността му в зависимост от честотата

Освен с модела от фиг. 2.3, е извършена и директна симулация на

сигнала ( )ts по уравнение (2.4). Полученият резултат във времевата област е представен на фиг. 2.17.На фиг. 2.18 в обща координатна система е представена спектралната плътност на мощността на сигнала на базата на

резултатите, получени чрез директната симулация и чрез IFFT

преобразуването. Както се вижда, има известни отклонения в амплитудите,

но спектрите за двата случая са сходни.

Фиг. 2.17. Времеви сигнал ( )ts по уравнение (2.4)

Фиг. 2.18. Симулирана спектрална плътност на ( )ts по уравнение (2.4 ) и чрез

IFFT преобразуване



16

Недостатък на директната симулация в сравнение със симулацията чрез модела, е по-бавната изчислителната процедура.

2.3.1.2. Приемник

Известно е, че проектирането на OFDM базиран DVB приемник е отворена задача, тъй като съществуват стандарти само за предавателя. По

тази причина много научни изследвания и иновации са съсредоточени точно

в областта на проектирането на DVB предаватели.

� Модел на приемника

Основните етапи, свързани с процеса на обработката на постъпилия на входа на приемника сигнал, се съответстват на модела от фиг. 2.19.

Фиг. 2.19. Структурен модел на приемник

От структурата на модела е ясно, че операциите, които се реализират, са обратни на тези в предавателя.

Следвайки структурата на модела е синтезиран алгоритъм, който

описва етапите на симулацията – фиг. 2 20.

� Симулационни резултати

Получените чрез Matlab симулация резултати са сигнали във времевата

и честотната област, които съответстват на различните видове обработки в

процеса на приемане и възстановяване на излъчения сигнал. По отношение на модела тези резултати се отнасят до посочените за него контролни точки

(F ÷ I).

Симулацията е извършена за два варианта спрямо канала за връзка –

при отсъствие и при наличие на шум в канала [А.6].

• Резултати за идеализиран канал (канал без шум)

Сравнителният анализ на честотните характеристики в точка H (фиг. 2.26) със съответстващите им предавателя показва, че между тях има, макар и

малка, разлика, която се дължи на закъснението на сигнала.

Дискретизираният сигнал се подлага на FFT преобразуване. За да бъде коректна обработката, е необходимо размерът на FFT преобразуването

да съвпада с размера на IFFT преобразуването. Поради тази причина е избрана 4096-точкова FFT обработка.



17

Фиг. 2.20. Алгоритъм на опростен симулационен модел на OFDM приемане

Фиг. 2.26. Честотни характеристики на сигнала r_data в точка H

Получените в резултат на FFT обработката на дискретизирания сигнал

коефициенти ( )kX формират приетото сигнално съзвездие.



18

• Резултати за канал с шум

Извършени са симулационни изследвания за Гаусов канал с различни

стойности на отношението сигнал/шум (Signal to Noise Ratio – SNR).

На фиг. 2.30 и фиг. 2.31 са представени 4–QAM сигналните съзвездия

за SNR=2dB и SNR=12dB. Ясно е, че увеличаването на SNR води до

намаляване на влиянието на шумовете върху приетото сигнално съзвездие.

Това означава че ще има по-малко грешки.

Все пак, за ниски стойности на SNR, шумовете причиняват възникване на междусимволна интерференция в приемната страна, което се демонстрира от око диаграми на фиг. 2.32 и фиг. 2.33, съответстващи на съзвездията от фиг. 2.30 и фиг. 2.31. Двете диаграми се различават съществено в резултат

на влиянието на шума на канала. По-доброто изображение на диаграмата от фиг. 2.33 се дължи на по-слабата междусимволна интерференция. Колкото

повече се увеличава SNR на канала за връзка, толкова око диаграмата става по-отчетлива.

Фиг. 2.30. Прието 4–QAM сигнално

съзвездие при SNR=2dB

Фиг. 2.31. Прието 4–QAM сигнално


Фиг. 2.32. Око диаграма на приетото сигнално съзвездие за канал с

SNR=2dB



19

Фиг. 2.33. Око диаграма на приетото сигнално съзвездие за канал с

SNR=12dB

2.3.2. Разширен модел – модел на DVB-T система

Разширеният модел е синтезиран със средствата на Simulink графична среда и съответства на последователността на обработката на сигнала в

OFDM базирана DVB-T система.

� Симулация на модела

• Условия за симулацията

Доколкото целта на симулацията е да се покаже степента на коригиране

на грешките, въведени от канала за връзка, то не е необходимо разглеждане на кодирането и декодирането на източника. Изхождайки от тази особеност, симулацията е извършена при следните условия :

- брой на предаваните телевизионни програми: 4 висококачествени

телевизионни програми със стереофоничен звук, съответстващи на скорост на предаване на цифровият поток (20÷28) Mbit/s [53];

- вид модулация: 64–QAM

- теоретичен брой брой носещи честоти: 2048 (режим 2к);

- степен на кода: RC=3/4;

- защитен интервал: ∆=1/32.

При тези условия се гарантира качествено приемане на телевизионно

изображение при отношение сигнал/шум на входа на приемника 18 dB, ако се

използва насочена антена без наличие на отразени сигнали, т.е. при Гаусов

канал.

• Резултати от симулацията

На фиг. 2.35 е показан полученият от симулацията спектър на DVB-T

сигнала при защитен интервал ∆=1/32 и 2048 носещи честоти. Честотният спектър на такъв набор от честоти включва и вторични паразитни странични

участъци, които са ясно изразени на фиг. 3.35. Вижда се още, че използваната



20

честотна лента на OFDM модулирания сигнал е 7,8MHz, т.е. могат да бъдат използвани наличните 8MHz канали за предаване и на цифрово телевизионно

изображение.

Фиг.2.35. Честотен спектър на DVB-T сигнал

Съзвездието на приетия OFDM сигнал при Гаусов канал за връзка при

граничното за използвания набор от параметри съотношение сигнал/шум на канала, което е SNR=18dB [4], е показано на фиг.2.37. Всяко по-нататъшно

увеличаване на SNR води до подобряване на качеството на сигнала, а следователно и на съзвездието. Това се вижда от фиг. 2.38, която се отнася за

SNR=20dB.

Фиг. 2.37. 64–QAM сигнално


Фиг. 2.38. 64–QAM сигнално


От изобразените 64–QAM сигнални съзвездия е ясно, че те отразяват правилно влиянието на шума, което пък е доказателство за коректността на симулацията.

Извършено е изследване на влиянието на шума на канала за връзка и

върху стойностите на BER грешките след двата декодера - Витерби и RS ,

като част от резултатите са представени в таблица 2.4.



21

Изменението на BER грешката след Витерби декодера във функция от отношението сигнал/шум е изобразено на фиг. 2.39.

От анализа на резултатите следва, че при dB17SNR ≥ , стойността на

BER грешката след RS декодера е 0. Независимо от това, до dB4,17SNR = ,

грешката след Витерби декодера е от порядъка над 310− , като продължава да

намалява и при dB18SNR = стига до 410.433,2

− . Следователно, получената

BER грешка е по-голяма от 410.2BER −= , каквато би следвало да бъде [4] тя

за граничната стойност на SNR от 18dB при използвания набор от параметри.

Това се дължи на факта, че резултатите се отнасят за сравнително „тежък”

симулационен режим, т.е. симулация с продължителност, която е под 10ms.

Извършените изследвания относно влиянието на времето за симулация върху

резултатите показват, че с увеличаването му до определена стойност BER

грешката намалява, след което отново се увеличава. Най-малка стойност на

грешката 410.352,1BER

−= се получава, ако симулационното време е s4,0t = ,

докато при s04,0t = грешката е 410.009,2BER

−= , т.е. почти съвпада с тази от [21].

Таблица 2.4. Стойности на BER грешките за различни SNR

Стойност на BER SNR, dB

След Витерби декодера След RS декодера

3,0 4,975e-1 4,986e-1

7,0 4,943e-1 4,993e-1

10,0 4,612e-1 4,732e-1

15,0 5,434e-2 5,736e-2

16,0 9,876e-3 1,112e-3

16,1 8,047e-3 3,615e-4

17,0 1,442e-3 0,000e-0

17,2 1,253e-3 0,000e-0

17,4 1,000e-3 0,000e-0

17,6 7,028e-4 0,000e-0

17,8 4,325e-4 0,000e-0

17,9 4,055e-4 0,000e-0

18,0 2,433e-4 0,000e-0

18,6 5,407e-5 0,000e-0

Фиг. 2.39. Зависимост на BER грешката след Витерби декодера от

отношението сигнал/шум



22

2.4. Изводи към втора глава

1. За коректно изследване е необходимо в симулационните модели

размерът на IFFT/FFT преобразуването да бъде задължително 2N,

където N е теоретичният брой на подносещите, съответстващ на

режим 2k или 8k, според DVB-T стандарта.

2. Опростеният модел позволява да се извърши коректна симулация

на етапите на генериране, предаване и приемане на OFDM сигнал.

3. За да се сведе до минимум частта от спектъра на OFDM сигнала,

която попада извън номиналната ширина на честотната лента, в

опростения модел е необходимо да се подберат филтри с подходящи параметри – ред на филтъра и срязваща честота на АЧХ.

4. Симулацията с опростения модел е извършена за 68 символа (1

рамка). Независимо от това, се получават напълно достоверни

резултати. Особено показателни в това отношение са симулираните сигнални съзвездия и око диаграми, които по

безспорен начин показват влиянието на отношението сигнал/шум.

5. Симулацията с разширения Simulink модел дава пълна

информация за битовото съдържание на сигнала след всяка една от операциите в процеса на обработката му. Симулираните честотен

спектър, сигнални съзвездия и BER грешка са показателни за приложимостта на модела.

6. Изследванията показват, че промяната на продължителността на

симулационния процес води до промяна на общия брой на

приетите битове, както и на броя на грешните битове, но не влияе

съществено на крайните резултати. Все пак, чрез избор на

подходяща стойност на времето за симулация, резултатите от

симулацията могат да се доближат максимално до

теоретичните резултати.

ГЛАВА ТРЕТА - АНАЛИЗ И СИМУЛАЦИОННО ИЗСЛЕДВАНЕ НА

АЛГОРИТМИ ЗА СИНХРОНИЗАЦИЯ НА DVB -T СИСТЕМИ

3.1. Основни проблеми при синхронизация на OFDM

системите Независимо от своите предимства, OFDM системите, включително

и базираните на DVB-T стандарта, страдат от някои недостатъци, които

трябва да се отстранят в приемната страна. Основните недостатъци са

свързани с изисквания по отношения на синхронизация по време и честота.

Поради използването на голям брой носещи сигнали (или т.н. подносещи),



23

OFDM системите са силно чувствителни към времеви и честотни отклонения,

което от своя страна се явява предпоставка за прецизна синхронизация.

Именно тази причина определя необходимостта от анализ и оценка на

различни алгоритми за синхронизация.

Основните източници на проблеми при предаване на сигнали в OFDM

системите, които водят до грешки, а следователно и до необходимостта от синхронизация, са следните фактори:

� отместване във времето на приетия спрямо излъчения сигнал;

� честотно отместване на подносещите; � отклонение на честотата на дискретизация при аналогово-

цифровото преобразуване в приемната страна;

� фазово отместване, което се дължи на фазовото отместване на подносещите, на фазовия шум, на импулсната характеристика на канала и на т.н. остатъчно отместване във времето и на честотата, които макар и с незначителни стойности, съществуват след синхронизацията.

Влиянието на гореспоменатите фактори се свежда до възникване на интерференция между подносещите сигнали (Inter-Carrier Interference - ICI)

и на междусимволна интерференция (Inter-Symbol Interference – ISI).

Обект на разглеждане в настоящата работа са единствено първите два фактора, чието влияние е най-съществено.

3.2. Корелационна обработка на сигнала в DVB - T

системите В повечето от алгоритмите за синхронизация в OFDM системите за

оценка на отместването във времето, както и на честотното отместване се използват корелационни методи за обработка на сигнала. Възможностите за корелационна обработка се базират на два основни подхода – автокорелация

и взаимна корелация. При автокорелацията сигналът се корелира със самия

себе си, докато при взаимната корелация сигналът се корелира с еталонни

стойности, които са известни за приемника. Различната структура на сигнала в базираните на различни стандарти OFDM системи, е обективна причина за необходимостта от отчитане на конкретния стандарт при приложението на

двата аспекта на корелационната обработка.

3.2.1. Автокорелация в защитния интервал

При обработката на сигнали автокорелационната функция се използва основно за анализ във времевата област. Тя се явява мярка за това до колко

сигналът съвпада с отместена във времето своя версия.

Математически оценката на автокорелационната функция се дефинира

чрез зависимостта:

[ ] [ ] [ ]dix.ixl

1dc

1dl

0i

* += ∑−−

=

, (3.8)



24

където: [ ]ix е последователност от комплексни стойности с дължина l ; [ ]ix* -

комплексно-спрегната последователност; d - променлива, която определя

отместването, като от значение са само тези стойности, за които функцията [ ]dc има максимум. За всеки стандарт тази променлива има константна

стойност и нека тя бъде N .

След направения анализ се стига до заключение, че автокорелацията на

защитния интервал може да се използва за оценка само на дробната част на

честотното отместване и то преди FFT преобразуването на сигнала. Оценката на цялата част на честотното отместване може да се извърши след FFT

преобразуването или чрез автокорелация на два последователни символа, или

чрез автокорелация на пилотите на един символ.

3.2.2. Взаимна корелация на пилотни символи в честотната област

В DVB – T стандарта съществуват пилотни носещи, които могат да се използват за целите както на синхронизацията по време, така и на честотната синхронизация. Тези пилоти не формират цялостния символ във времевата област. Те са пилоти в честотната област, вмъкнати в някои от носещите на

всеки символ, докато полезната информация е вмъкната в останалите носещи. След реализация на IFFT преобразуването в предавателя, всички

дискрети ще пренасят съдържанието на пилотните и на активните носещи,

докато сигналът достигне до приемника и се извърши FFT, за да се разделят двете съдържания. Като резултат, вместо автокорелация, се използва взаимна

корелация.

3.3. Алгоритми за получаване на метрични сигнали За прогнозна оценка на отместването на времето и на дробната част на

честотното отместване, е необходимо да се използват подходящи метрични

сигнали [ ]nm , наричани още метрики. Това всъщност са оптимизирани по

определен критерий корелирани сигнали, които повишават стабилността на синхронизацията. За получаването на метричен сигнал корелираният сигнал

постъпва в т.н. метричен блок, който извършва обработка в съответствие със заложения алгоритъм. Основните видове метрики са:

� Максимална корелация (Maximum Correlation - MC);

� Максимална нормирана корелация (Maximum Normalized

Correlation - MNC);

� Минимално средноквадратична грешка (Minimum Mean Squared

Error - MMSE);

� Максимално правдоподобие (Maximum Likelihood - ML).

Най-прост е MC вариантът, при който резултатът от корелацията се

явява директно критерий за оценка, докато останалите три варианта ползват и допълнителна информация за получаването на метричен сигнал, поради

което те са по-сложни. Функционирането на алгоритмите се анализира въз

основа на появата на вероятност за отказ ( )mˆP ≤− θθ . Това е вероятността за

отказ на работа на синхронизатора за повече от на mброй дискрети.



25

3.4. Анализ на алгоритми за синхронизация в DVB-T

системи Обект на анализ са подходящи за симулационно изследване алгоритми

за синхронизация по време и честота в DVB-T системи на базата на метрични

сигнали за оценка, като тези сигнали се получават след автокорелация или

взаимна корелация на сигнала в приемната част. 3.5. Модел за изследване и оценка на отместване по време

и честота в DVB-T система Обобщеният структурен модел за симулационно изследване и оценка

на отместването във времето и на честотното отместване в DVB-T системи е представен на фиг. 3.6.

С блока DVB - T предавател ( DVB - T Transmitter) се генерират рамки

с OFDM символи в съответствие със структурата, дефинирана чрез DVB-T

стандарта.

Фиг. 3.6. Структурен модел на DVB-Т система

Чрез канала за връзка (блок Channel) се осъществяват две функции:

• въвежда се закъснение във времето и честотно отместване; • моделира се влиянието на многолъчевото разпространение.

В приемника (блок DVB-T Receiver) се извършва синхронизация по

време и по честота.

Оценка на качеството на приложените алгоритми за синхронизация се извършва в блока за оценка (блок Evaluation), като се използват резултатите

от симулацията.

3.5.1. DVB - T предавател Функционирането на DVB - T предавателя се основава на структурата

му от фиг. 3.7, която съответства на стандарта от [48].

Фиг. 3.7. Структура на DVB-T предавател

3.5.3. DVB - T приемник

Обобщената структура DVB - T приемника може да се представи във

вид на 3 последователно свързани блока (фиг. 3.9). Първият блок (Pre-FFT

synchronizer) е за синхронизация, предхождаща FFT преобразуването, което



26

се реализира с втория блок (блок FFT). След - FFT синхронизацията се осъществява чрез третия блок (Post-FFT synchronizer).

Фиг. 3.9. Структура на DVB - T приемник

За изясняване на алгоритмите на функционирането на първия и третия

с оглед коректното им моделиране, е целесъобразно те се разгледат във вид

на модули.

3.5.3.1. Модул за пред - FFT синхронизация

Моделът, който илюстрира принципа на действие на модула за пред -

FFT синхронизация, е представен чрез блок-схемата на фиг. 3.10.

Чрез блока Metric се получават 3 сигнала. Първият от тях, [ ]onnr − , е

приетият със закъснение on сигнал, като 1LNn gFFTo ++= е закъснението

вследствие на автокорелацията. Вторият сигнал, [ ]nm , е метричният, който

може да се получи чрез прилагане на една от метриките MC, MNC или ML

спрямо получения след автокорелацията сигнал или само на ML метриката,

но с използване и на пилотните носещи в честотната област (ML-pilots). ML

pilots вариантът се базира на уравнение (5.8). Метричният сигнал постъпва в

блок Max search, чието предназначение е определяне на аргумента, за който

[ ]nm има максимум. След откриване на аргумента, с оглед гарантиране на

сигурност за коректен максимум, се изчакват maxargN на брой дискрети.

Фиг. 3.10. Блок-схема на модул за пред - FFT синхронизация

3.5.3.2. Модул за изследване на след - FFT синхронизация

С модула за след - FFT синхронизация се извършва прогнозна оценка

на цялата част на честотното отместване. Принципът на функциониране на модула, чиято обобщена блок-схема е показана на фиг. 3.11, се базира на определяне на метричен сигнал (блок Metric) и търсене на максимум (блок

Max search).



27

Фиг. 3.11. Блок-схема на модул за след - FFT синхронизация

Изчисляването на метричния сигнал тук става чрез сигнала, получен по

една от следните 3 възможности:

� автокорелация на пилотите на 2 последователни ОFDM символа – уравнение (3.36);

� автокорелация на пилотите на 2 последователни ОFDM

символа – уравнение (3.37);

� взаимна корелация между приет ОFDM символ и съхранявани в

приемника пилотни носещи – уравнение (3.39).

Блокът Max search е същият, както при пред-FFT синхронизацията, но с други параметри.

3.5.4. Блок за оценка на резултатите В последния блок (блок Evaluation) на модела от фиг. 3.6 се извършва

оценка на симулираните алгоритми въз основа на дисперсията на получените прогнозни резултати.

3.6. Симулационни резултати Симулирани са алгоритми за синхронизация по време и честота за три

вида канали (Гаусов, Рицев и Релеев) при различни стойности на SNR . При

това Гаусовият канал е приет за базов, тъй като, ако определен алгоритъм не е подходящ за него, то той е още по-неподходящ и за канали с многолъчево

разпространение.

3.6.1. Резултати за прогнозната оценка за синхронизация по време

Симулационното изследване е за 8k режим при 16-QAM модулация и

продължителност на защитния интервал 1/8. Въведено е отместване във

времето, равняващо се на 100 дискрети, а така също и честотно отместване

със стойност 5,3. Резултатите, част от които са представени в [А.5], се отнасят за dB6SNR = .

• Резултати при автокорелация в защитния интервал

Метричните сигнали [ ]nMGI , които са получени от автокорелацията в

защитния интервал и които съответстват на метриките MC, MNC и ML, са

показани на фиг. 3.12, фиг. 3.13 и фиг. 3.14.

От графичните изображения следва, че и при трите метрики са налице

отчетливи пикове с разстояние от 1 OFDM символ (9216 дискрети) между

тях, като първият пик се появява при 9315n = . Това означава, че и трите

метрики са подходящи за прогнозна оценка на отместването във времето θ .



28

Фиг. 3.12. MC метричен сигнал Фиг. 3.13. MNC метричен сигнал

Фиг. 3.14. ML метричен сигнал

• Резултати при взаимна корелация на пилотни символи в

честотната област

Метричният сигнал [ ]θM , който се определя с използване и на сигнала от взаимната корелация на пилотните носещи в честотната област и който се описва с уравнение (3.30), е представен чрез долната графика (син цвят ) на фиг. 3.15. Горната графика (червен цвят) на фигурата отчита делът само на

пилотните носещи, т.е. на съставящата [ ]nM p в уравнение (3.30). Резултатите

са получени като е взето под внимание само отместването във времето, но не

и честотното отместване.

Фиг. 3.15. Метричен сигнал, използващ взаимната корелация на пилотите

при 0=ε

Изводът, който може да се направи е, че подходящи за изследване на прогнозната оценка на отместването във времето са само тези метрики, които

се базират на автокорелацията в защитния интервал. Именно тези метрики

са обект на изследване по отношение на различни среди.



29

Максимално допустимата грешка ще зависи от мощността на шума на

ICI или ISI, която системата може да понесе, както и от характеристиките на

канала. При по-нататъшните изследвания това, всъщност, ще бъде условието,

което ограничава максимално допустимото отместване във времето.

Оценката на метриките по отношение приложимостта им за различни

канали е извършена въз основа на следните критерии:

• вероятността, при която грешката θθ ˆ− на прогнозната оценка е

по-голяма от максимално допустимото отместване във времето;

• стандартното отклонение на грешката на оценката.

3.6.1.1. Приложение на MC, MNC и ML метриките за Гаусов канал

Зависимостта на вероятността грешката на оценката да бъде по-голяма

от 2, т.е. ( ) 2ˆP >−θθ , е показана на фиг. 3.17.

Вижда се, че с увеличаване на отношението сигнал/шум вероятността

грешката на прогнозната оценка да бъде по-голяма от 2, намалява и за трите метрики. Все пак, това намаление е най-голямо за ML метриката, като от 0,2

при dB0SNR = вероятността спада до 0,001 при dB15SNR = . Най-бавно се изменя вероятността при MC метриката – от 0,4 за dB0SNR = до 0,14 при

dB10SNR = , след което почти не се изменя. За MNC метриката изменението

на вероятността е от 0,4 за dB0SNR = до 0,06 за dB15SNR = и 0,05 при

dB20SNR = . За ML метриката не възниква отказ за 1000 символа и ето защо

вероятността се ограничава до по-малко от 310

− . Това води до заключението,

че ML метриката за режим на непрекъснат пренос функционира по-добре от MC и MNC метриките.

Стандартното отклонение на грешката на прогнозната оценка за трите метрики е представено на фиг. 3.18. Вижда се, че отклонението е най-голямо

за MC, а най-малко за ML метриката, което потвърждава извода, че за AWGN канал ML метриката е за предпочитане пред останалите две.

Фиг. 3.17. Вероятност 2ˆ >−θθ за

AWGN канал

Фиг. 3.18. Стандартно отклонение на

θθ ˆ− за AWGN канал



30

3.6.1.2. Приложение на MNC и ML метриките за F1 канал

Тъй като за AWGN канал резултатите за MC метриката са по-лоши в

сравнение с тези за останалите две метрики, то в никакъв случай не може да се очаква, че за канали с многолъчево разпространение MC метриката ще бъде с по-добри показатели. Поради тази причина за тя не се разглежда.

На фиг. 3.19 е изобразена вероятността грешката на оценката да бъде по-голяма от 7 дискрети. Увеличаването на броя на дискретите в сравнение с AWGN канала се дължи на факта, че условията за работа в случая са по-

лоши. От графиките се вижда, че вероятността за грешка 7ˆ >−θθ при едни

и същи стойности на SNR е много по-малка за ML метриката спрямо тази за MNC метриката. Така например, при dB4SNR = вероятността за ML

метриката е 0,018, а за MNC метриката – 0,06. За dB8SNR = вероятностите

са съответно 0,004 и 0,03. Освен това, при dB15SNR > вероятността за ML

метриката пада до много ниска стойност (около 310

− ), докато за MNC тя се

установява около стойност 0,018.

Симулационните резултати за стандартното отклонение на грешката за

двете метрики в зависимост от SNR са показани на фиг. 3.20. Ясно е, че за ML метриката отклонението е по-малко от това за MNC метриката, като с увеличаване на SNR разликата се увеличава.

Обобщеният извод, който следва от фиг. 3.19 и фиг. 3.20, е, че дори и за многолъчев канал ML метриката превъзхожда MNC метриката.

Фиг. 3.19. Вероятност 7ˆ >−θθ за F1

канал

Фиг. 3.20. Стандартно отклонение

на θθ ˆ− за F1 канал

3.6.1.3. Приложение на MNC и ML метриките за мобилен канал

По същата причина, както за F1 канал, са тествани само метриките ML

и MNC. Симулациите са извършени при условие, че приемникът се движи

със скорост 120km/h. Функционалната зависимост на грешката на оценката за 5 дискрети от SNR е представена на фиг. 3.21. Резултатите по безспорен

начин показват, че и за мобилен канал ML метриката превъзхожда MNC



31

метриката. Освен това е ясно, че вероятността ( )5errorP > не може да

стигне до стойност 310

− , както в предните 2 случая.

Начинът на изменение на стандартното отклонение за двете метрики в

зависимост от SNR се илюстрира от фиг. 3.22.

Фиг. 3.21. Вероятност 5ˆ >−θθ за

мобилен канал

Фиг. 3.22. Стандартно отклонение

на θθ ˆ− за мобилен канал

Сравнителната оценка на резултатите за трите вида канали показва, че те са най-добри за ML метриката, както и че тази метрика е с най-добри

показатели за AWGN канала. Например, докато стандартното отклонение за мобилен канал при големи стойности на SNR е почти 3 (фиг. 3.22), за фиксиран канал е малко над 1 (фиг.3.20), то за AWGN канал е малко над 0

(фиг. 3.18). Това означава, че за мобилен канал е необходимо да се използва по-сложна функция за прогнозна оценка на отместването във времето.

3.6.2. Резултати за прогнозната оценка на честотното отместване

Тъй като пред и след FFT синхронизацията се извършват по различен

начин, то и подходите за прогнозна оценка на дробната и на цялата част на честотното отместване са различни. Част от резултатите от симулациите са отразени в [А.6].

3.6.2.1. Резултати за оценката на дробната част на честотното

отместване

� Резултати за AWGN канал

На фиг. 3.23 е представено изменението на стандартното отклонение на εε ˆ− в зависимост от SNR за трите метрики – MC, MNC и ML. Тъй като

метричните показатели използват един и същи корелиран сигнал, то е налице пълно съвпадение на трите графични изображения. Доколкото за канала не е необходима синхронизация за стойности на SNR под 12dB, то от интерес е стандартното отклонение именно за dB12SNR = . От фигурата е очевидно, че при dB12SNR = отклонението на грешката на оценката е 0,0015, т.е. 10 пъти

по-малка от дефинираното със зависимост (3.56) ограничение. Това означава,

че оценката на дробната част на честотното отместване е коректна, поради

което корекция не е необходима.



32

Фиг. 3.23. Стандартно отклонение на εε ˆ− за AWGN канал

� Резултати за мобилен канал

Приложението на ML метриката за оценка в многолъчево пространство

се илюстрира от резултата за мобилен канал – фиг. 3.24. От нея се вижда, че за ,dB15SNR = което е долната граница за синхронизация за мобилен канал,

стандартното отклонение на грешката на оценката е около 0,021, т.е. то е по-голямо от определеното с формула (3.57) ограничение. Ако за този случай

се приложи уравнение (3.54), се получава, че деградацията наSNR вместо

0,1dB е от порядъка на 0,4dB. От това следва изводът, че за подобряване на процеса на синхронизация при използване на ML метриката, е необходимо

да се извърши допълнителна обработка, т.е. усложняване на алгоритъма.

Фиг. 3.24. Стандартно отклонение на εε ˆ− за мобилен канал

3.6.2.2. Резултати за оценката на цялата част на честотното

отместване

За краткост пилотните подносещи, които извършват автокорелация, ще бъдат наричани автопилоти, а тези, които осъществяват взаимна корелация

със запаметени в приемника подносещи – пилоти. Петте алгоритъма за оценка се базират на:

• фазата на автопилотите ;

• мощността на автопилотите;



33

• квадрата на мощността на автопилотите;

• амплитудата на пилотите;

• мощността на пилотите.

Доколко функционирането на всеки един от тези алгоритми е коректно,

може да се прецени само по това дали в съответстващия му метричен сигнал

са налице пикове в очакваните позиции.

Алгоритъмът, който използва фазата на автопилотите, не функционира добре при симулации, където оценката във времето не е точна. За OFDM

рамките, в които нормираното отместване във времето се различава от това

за предходната рамка, корелираните сигнали в уравнение (3.36) не се добавят във фаза, поради което не се достига до максимум на метричния сигнал.

Чрез останалите алгоритми са извършени симулации за AWGN канал,

за фиксиран многолъчев канал и за мобилен канал за две стойности на SNR –

dB10SNR = и dB0SNR = . Приема се, че dB0SNR = е екстремен случай, тъй

като според DVB-T стандарта DVB-T системата трябва винаги да работи при

dB3SNR > . Освен това, се счита, че dB10SNR = е най-ниската стойност на SNR , за която се очаква, че ще функционира процесът на синхронизация. За симулационното изследване е използвана ML метриката, като индексът i в

графичните изображения е определен чрез 8192.mki += .

� Резултати за AWGN канал

На фиг. 3.25 е показан метричният сигнал, определен чрез квадрата на мощността, а на фиг. 3.26 – сигналът, който се явява мощност на пилотите. И

двата вида сигнали са получени при условие, че dB10SNR = .

Вижда се, че и за двата вида метрични сигнали са налице ясно изразени

максимуми на разстояние 8192 времеви момента един от друг, което отговаря

на дължината на FFT – преобразуването ( 8192NFFT = ). Или, алгоритмите дават точна оценка на цялата част на честотното отместване при условие, че синхронизацията функционира при минимум 10dB отношение сигнал/шум.

Фиг. 3.25. Метричен сигнал

„квадрат на мощността на

автопилотите” за AWGN канал с dB10SNR =


„мощност на пилотите” за AWGN

канал с dB10SNR =



34

Функционирането на горните алгоритми е изследвано и за dB0SNR = , като

сигналите са аналогични.

� Резултати за фиксиран (F1) канал

Алгоритмите за оценка на цялата част на честотното отместване на фиксиран канал са тествани симулационно за две стойности на SNR , за които

е изследван и AWGN каналът - dB01SNR = и dB0SNR = . Илюстрация на метричните сигнали, явяващи се показатели за оценката при dB01SNR = , са

фиг. 3.30, фиг. 3.31, фиг. 3.32 и фиг. 3.33. От тях следва изводът, че и 4-те

метрични сигнала позволяват да се получи коректна оценка, тъй като те са с

ясно изразени пикове, което пък означава, че повреждането на дискретите в

защитния интервал, вследствие на многолъчевото разпространение, не засяга

сериозно алгоритмите за след - FFT оценка. Поради това позициите, на които

са разположени максимумите, могат да се определят с използване на прагови

стойности.


„мощност на автопилотите” за

F1 канал с dB10SNR =


„квадрат на мощността на

автопилотите” за F1 канал с dB10SNR =


„амплитуда на пилотите” за F1



„мощност на пилотите” за F1




35

� Резултати за мобилен канал

За мобилен канал са симулирани метрични сигнали, които се базират на мощността и квадрата на мощността на автопилотите, а така също и

на амплитудата и мощността на пилотите.

Резултатите при dB10SNR = (фиг. 3.38 ÷ фиг. 3.41) показват, че в този

случай и четирите алгоритъма функционират коректно, тъй като сигналите са с очертаващи се пикове. Вижда се, че максимумите варират значително,

което се дължи на фадинговия ефект. Поради тази причина не е възможно да се използва фиксирана прагова стойност за откриване на максимумите.

Обобщените изводите, които следват от симулираните зависимости за трите вида канали, са:

• ако синхронизацията трябва да бъде при минимум dB10SNR = , то за оценка на цялата част на честотното отместване най-подходящ е алгоритъмът при който в качеството на метричен показател се използва мощността на сигнала от взаимната корелация (мощност на пилотите), който от една страна

е най-прост, а от друга, е с много добри параметри;

• ако синхронизацията трябва да бъде при ниски стойности на SNR ,

подходящ е алгоритъмът, който се базира на автокорелацията и по-специално

на мощността на автопилотите, независимо, че е най-сложен за реализация.

Фиг. 3.38. Метричен сигнал „мощност

на автопилотите” за мобилен канал с dB10SNR =

Фиг. 3.39. Метричен сигнал „квадрат

на мощността на автопилотите” за

мобилен канал с dB10SNR =


„амплитуда на пилотите” за мобилен


Фиг. 3.41. Метричен сигнал „мощност

на пилотите” за мобилен канал с dB10SNR =



36

3.7. Изводи към трета глава 1. Оценката на отместването във времето и на честотното отместване, като

етапи от синхронизацията в OFDM базираните системи, в частност в

DVB-T системите, може да се извърши чрез 2 основни подхода –

автокорелация и взаимна корелация, като автокорелацията се прилага спрямо сигнала в защитния интервал, а взаимната корелация - спрямо

пилотните символи в честотната област. • За прогнозната оценка на отместването във времето и на дробната част на честотното отместване са подходящи оптимизирани по определени

критерии корелирани сигнали, наричани метрични сигнали или

метрики. За получаване на метрични сигнали са изследвани следните алгоритми:

• Максимална корелация - MC

• Нормирана максимална корелация - MNC

• Минимална средноквадратична грешка - MMSE

• Максимално правдоподобие – ML

2. Оценката и корекцията на отместването във времето и на дробната част на честотното отместване се извършва преди FFT преобразуването, а на цялата част на честотното отместване - след FFT преобразуването в

приемната част на с DVB-T системата.

3. Прогнозната оценка на отместването във времето е извършена на базата на 2 критерия:

• вероятност грешката на оценката да бъде по-голяма от максимално

допустимото отместване във времето

• стандартно отклонение на грешката на оценката.

Резултатите показват, че и за трите вида канали (Гаусов, фиксиран

многолъчев и мобилен) най-подходяща е ML метриката.

4. Изследванията по отношение на дробната част на честотното отместване на базата на стандартното отклонение на грешката на оценката

показват, че за AWGN (Гаусов) канал метриките MC, MNC и ML водят до едни и същи резултати, т.е. те са еднакво приложими, докато за мобилен канал за предпочитане е ML метриката.

5. За оценка на цялата част на честотното отместване са приложени

алгоритми, които се базират на:

• Мощността на автопилотите (автопилоти – подносещи, които

извършват автокорелация)

• Квадрата на мощността на автопилотите

• Амплитудата на пилотите (пилоти – подносещи, които осъществяват взаимна корелация със запаметени в приемника подносещи)

• Мощността на пилотите

6. От анализа на метричните сигнали за оценка на цялата част на честотното отместване за трите вида канали следва, че:



37

• За синхронизация при отношение сигнал/шум, чиято минимална

стойност е 10dB, най-подходящ за оценка на цялата част на

честотното отместване е алгоритъмът, който използва като

метричен сигнал мощността на сигнала от взаимната корелация.

Предимството на алгоритъма в сравнение с останалите се състои в

това, че от една страна той е най-прост, а от друга е с много добри

параметри.

• За синхронизация при ниски стойности на отношението сигнал/шум е

подходящ алгоритъмът, който се базира на автокорелацията и по-

точно на мощността на автопилотите, независимо, че е най-сложен за

реализация.

ГЛАВА ЧЕТВЪРТА - ПРАКТИЧЕСКО ИЗСЛЕДВАНЕ И АНАЛИЗ НА

РАДИОЧЕСТОТНОТО ПОКРИТИЕ ЗА ЦИФРОВА НАЗЕМНА

ТЕЛЕВИЗИЯ (DVB-T)

В тази глава е представено експериментално изследване и анализ на качеството на радиочестотното покритие за цифрова наземна телевизия на територията на гр. Габрово.

4.1. Измерване на параметрите на цифровия поток в

цифровите ефирни телевизионни мрежи (DVB-T) Качеството на цифровия поток, пренасян по ефирната телевизионна

мрежа, може да бъде проверено само чрез специализирани измервания.

Методи за измерване в цифровите телевизионни системи са регламентирани

в документа ETR 290 [51]. Съгласно инструкцията мониторингът и контролът на този вид комуникационна система се състои в използване на измерванията

в телевизионните цифрови разпръсквателни мрежи, разпределени в четири

групи:

� Измерване на параметрите на цифровата разпръсквателна

мрежа по време на изграждане и по време на нейната експлоатация

Тук се отнася измерването на всички параметри и във всички точки на цифровата система. Основите параметри, които се измерват са:

− отношението сигнал/шум;

− коефициентът на цифровата грешка BER;

− коефициентът на грешката при модулация MER;

− мощността на крайното стъпало;

− I/Q дебалансът; − I/Q квадратурната грешка;

− потискането на носещия сигнал;

− еквивалентното влошаване на шума (END);

− кръстосаният фактор;



38

− ехото в кабелните разпределителни мрежи.

Освен това, се подлагат на контрол параметрите: − спектърът на сигнала (със спектроанализатор);

− страничните излъчвания (със спектроанализатор);

− QPSK и QAM вектор-диаграмите.

� Измерване на резерва на цифровата система

Цифровите системи подържат качество на приетото изображение до

известно състояние, след което практически веднага се срива приемането

(например, при увеличаване на отношението сигнал/шум или при

отдалечаване от предавателя, т.е. при намаляване нивото на сигнала). Затова е важно да се знае какъв е резервът за качествено приемане.

� Контрол на параметрите на система

Целта на този тип измерване е контрол на основните параметри на системата по време на работа, като основно е контролирането параметрите на

транспортния поток с анализатори на транспортния поток.

� Измерване с цел откриване и отстраняване на съществуващи

смущения

Тези измервания се извършват, когато има определено смущение в

приемането на цифровите телевизионни сигнали и целят откриване и

отстраняване на причината за смущения.

Измервателната апаратура може да се обособи в следните видове: − апаратура за измерване при разработване и производство на системи

за кодиране и пренасяне на цифрови и звукови телевизионни сигнали. Този

тип апаратура е най-прецизна и съответно най-скъпа.

− апаратура, която се използва при изграждането на телевизионните цифрови мрежи и системи.

− апаратура за контрол и измерване по време на експлоатация на цифровите мрежи и системи.

− преносима контролна апаратура.

4.1.3. Измерване на коефициента на BER грешката

Коефициентът на BER грешката също е един от съществените параметри на цифровата система, който характеризира нейното качество. В

цифровата телевизионна система съществува ясно определена граница на стойностите на цифровата грешка, при която системата функционира.

Двойната защита от грешки чрез конволюционно и RS-кодиране при

наземното разпространяване на програми гарантира квази безпогрешно

приемане. Границата, при която RS-кодирането е способно да коригира сигнала, е BER=10

-4, като след корекцията коефициентът на цифровата



39

грешка става BER = 10-11

. При конволюционното кодиране цифровата грешка

от 10-2

се коригира на 10-4

.

− Стойността на коефициента на цифровата грешка е еднозначно

свързана със стойността на отношението сигнал/шум. Източниците, които

предизвикват влошаване на BER, от една страна са модулаторът и

предавателят, а от друга страна – преносната система.

4.1.4. Измерване и мониторинг на QAM параметрите

Вектор-диаграмата (Constillation Diagrams) на QAM сигнала има 2m

(m = 2 ÷ 8) еднакви по форма и площ квадратни полета, в които е разрешено

да се намира I/Q точката за съответния символ. Всеки символ носи

информация за m бита. Положението на вектора за всеки символ се определя

от амплитудата на сигналите I и Q. В идеалния случай I/Q точката се намира в центъра на съответния квадрат и вектор диаграмата представлява матрица

от равномерно и симетрично разположени 2m точки.

Основните параметри на вектор-диаграмата, които се контролират, са: амплитудното разбалансиране, I/Q квадратурната грешка, фазовият

джитер, подтискането на носещия сигнал и MER коефициентът.

4.1.5. Измерване на мощността

Изходната мощност на аналоговите телевизионни предаватели се измерва по време на предаване на редовите синхронизиращи импулси и се

дава като ефективна върхова мощност на синхронизиращия импулс. В

цифровата телевизия се предава фазово или амплитудно и фазово модулиран

цифров поток, спектралната енергия на който предварително е изравнена в

честотната лента на канала за връзка.

4.2. Експериментално изследване и анализ на параметрите

на DVB-T покритие за територията на гр. Габрово 4.2.1. Информация за обекта и схема на опитната постановка

На територията на гр. Габрово чрез РРТС Градище се приемат сигнали

от мутиплекс 1, 2 и 3, които се излъчват в Република България.

Изследването на радиочестотното покритие на цифровата ефирна телевизия за територията на гр. Габрово е реализирано в контролни точки в 4

различни направления, свързани с основните квартали на града. Тези

направления са представени на фиг. 4.9.

Схемата на опитната постановка, чрез която са реализирани

измерванията на параметрите на DVB-T сигналите, е показана на фиг. 4. 10.

От нея се вижда, че измервателната апаратура е поставена в автомобил, чрез който се извършва обследване в зоните на покритие с цифров телевизионен

сигнал в четирите направления на релефа от картата на фиг. 4.9.



40

Фиг. 4.9. Основни направления на изследване на

качеството на покритието на DVB-T за гр. Габрово

Фиг. 4.10. Схема на опитната постановка за измерване на параметрите на

DVB-T сигнали

Изследването на предаваните от РРТС Градище (поз. 1) сигнали се извършва с помощта на цифров мултифункционален анализатор на DVB-T

сигнали IT-088 (поз. 2), система за глобално позициониране (GPS – поз. 4) и

свързана към тях преносима компютърна станция (поз. 3), осигуряваща събиране и обработка на информацията и връзка с ГИС системата на Община Габрово [92]. Чрез данните от GPS и ГИС системите се получава информация

за географските координати и надморската височина на отделните контролни

точки. Чрез цифровия мултифункционален сигнален анализатор IT-088 се измерват: нивото на сигнала, BER и MER, осъществява се контрол на спектъра на сигнала и на вектор-диаграмата. Реализираната опитна постановка за стационарни измервания в лабораторни условия е представена на фиг. 4.11. За целта сигнален анализатор IT-088 се свързва към компютър (в

случая лаптоп), на чийто по-голям екран по-лесно се визуализира работният прозорец на изследвания спектър – фиг. 4.11 г). Освен това, софтуерът позволява и статистическа хронология на измерванията, които впоследствие могат да се обработят, сравнят и анализират.



41

а)

б) в)

г)

Фиг. 4.11. Измерване на параметрите на DVB-T сигналите чрез цифров

анализатор IT-088: а) общ вид на опитната постановка; б) контрол на

спектъра на сигнала; в) контрол на вектор-диаграмата, BER и МЕR; г)

работен екран от измерванията, визуализиран на екрана на компютър

4.2.2. Резултати от изследването и анализа на качеството на

покритие на DVB-T за територията на гр. Габрово

В непосредствена близост до РРТС Градище е приета да бъде началната контролна точка (KT 0) за всяко от направленията. Спектърът на

сигналите за трите излъчвани мултиплекса, измерен в КТ 0 е представен на фиг. 4.12. От фигурата се вижда, че на три съседни честоти се приемат значително затихнали сигнали и от други три мултиплекса. Това са сигнали



42

от съседна радиорелейна и телевизионна станция, които се приемат поради

високата надморска височина на РРТС Градище.

Измервания, свързани с контрола на вектор-диаграмата, контрола на спектъра на сигнала и на страничните излъчвания, са представени на фиг. 4.13 и фиг. 4.14. Те са извършени в КТ 0 (в непосредствена близост до РРТС

Градище) за мултиплекс MUX-2 на честота 698MHz.

а)

б)

Фиг. 4.12. Измерени нива на каналите а) и спектър на сигналите б) за трите

излъчвани мултиплекса от РРТС Градище

От направените измервания се вижда, че MER на сигнала е в нормални

граници, а нивото на сигнала и на страничните излъчвания отговаря на изискванията на DVB-T стандарта.

Тъй като гр. Габрово се отличава с разнообразен релеф, то основното

предизвикателство е да се осигури качествено ефирно разпространение на телевизионните сигнали дори и в най-отдалечените и сложни откъм релеф

точки на населеното място. За съжаление, без подходящо антенно оборудване с усилвател, сигналите в част от крайните квартали се приемат с параметри,

които са значително под необходимия минимум. Като пример за това са представените на фиг. 4.15 резултати, показващи нивата и спектъра на



43

сигнала за честота 698MHz, измерени в кв. Смирненски (КТ 3.7 на Направление 3).

б)

Фиг. 4.13. Контрол на вектор-диаграмата за КТ 0 и

честота на канала: б) 698MHz;

б)

Фиг. 4.14. Контрол на спектъра на сигнала и страничните излъчвания за

КТ 0 и честота на канала: б) 698MHz;

Фиг. 4.15. Контрол на спектъра на сигнала за

КТ 3.7 и честота на канала 698MHz



44

С помощта на цифровия анализатор на DVB-T сигнали IT-088 са

извършени множество измервания на следните по-важни параметри: ниво на сигнала, preVBER, postVBER и MER. Целта на изследването е да се установят проблемни зони на покритие, вследствие силно изразено влияние на планинския релеф. Проблемните при приемане могат да се коригират с използването на стационарни антени и тяхното правилно насочване, както и с добавянето на антенен усилвател. При предавателите също може да се извърши донастройка на изходната мощност и корекция в диаграмите на насоченост на предавателните антени и техния наклон.

На базата на резултатите са направени графични зависимости за изменението на нивото на сигнала и на MER грешката за отделните направления – 1, и 3. Като примерно за Направление 2 е представено на фиг. 4.18 и фиг. 4.19.

Фиг. 4.18. Изменение на нивото на сигнала в зависимост от релефа по

Направление 2: РРТС Градище – кв. Гачевци

Фиг. 4.19. Изменение на МЕR по Направление 2: РРТС Градище – кв. Гачевци

Анализът на представените графики показва, че нивото на сигнала в

централната градска част е много добро. Но като се отчете, че релефът на



45

града е сложен и в същото време твърде разнообразен, следва, че голяма част от отдалечените и разположени в планинското подножие квартали на града страдат от липсата на качествено приемане на сигналите за DVB-T.

На фиг. 4.24 е представен обобщен алгоритъм, свързан с измерване,

мониторинг и контрол на параметрите на DVB-T сигнал при оценка на качеството на сигналите и цифровото радиопокритие. Чрез отделни стъпки е представена последователността на измерване на параметрите на цифровите DVB-T сигнали и проверката им дали отговарят на изискванията по стандарт EN 300 744. При наличие на отклонения, алгоритъмът позволява откриване

на проблеми в качеството на радиопокритието и дава препоръки с мерки за

отстраняването на тези проблеми.

Първата стъпка е измерване на основните параметри на DVB-T

сигналите непосредствено в самата радиоретранслаторна телевизионна

станция. При наличие на отклонение в измерените параметри извън

стандарта, следва да се проверят и коригират параметрите на радиопредавателното оборудване и при нужда да се направи подмяна на дефектирали модули.

Втора стъпка е изборът на отделни направления в зоната на радиопокритие за провеждане на анализ и оценка на качеството на DVB-T

радиопокритието. Анализът и оценката включват измерване на нивото на сигналите, контрол на вектор-диаграмата и спектъра на сигналите и

измерване на BER и МER.

Във всяко едно от направленията се формират отделни контролни точки

и в последователност от стъпки се провеждат измервания и контрол във

всяка една от тези контролни точки.

При установени отклонения в нивото на DVB-T сигналите следва да се провери дали приемната антена е правилно насочена и дали няма нужда от използване на активна антена и/или антенен усилвател. При необходимост се извършва корекция в насочеността на антената и/или се използват приемни

антени с необходимото усилване.

При отговарящо на стандарта ниво на сигнала следва да се направи

контрол на вектор-диаграмата и спектъра и да се определят BER и MER. При

наличие на отклонения възможните проблеми са в правилната настройка на приемното оборудване, както и в наличието на източници на интерференция

и шум.

Твърде ниски нива на сигналите и лоши стойности на BER/MER в зоната

на радиопокритие показват лошо планиране на радиопокритието и водят до

необходимостта от корекция в насочването на радиопредавателните антени и

до промяна в броя и местоположението на радиопредавателите, както и до

пълня подмяна на използваното оборудване.

Този алгоритъм позволява лесно да се направи мониторинг на

качеството на DVB-T сигналите, да се установят и отстранят проблемни

участъци и да се търсят мерки за оптимизация на цифровото ефирно

радиопокритие.



46

Фиг. 4.24. Алгоритъм за практическо изследване и контрол на DVB-T



47

4.3. Изводи към четвърта глава

От извършените експериментални измервания, свързани с мониторинга и контрола на качеството на радиочестотното покритие за цифрова наземна

телевизия на територията на гр. Габрово, могат да се обобщят следните изводи:

1. Представеният анализ на качеството на радиочестотното покритие за цифрова наземна телевизия на територията на гр. Габрово показва важността на доброто планиране при съблюдаване на всички нужни

параметри. Както се вижда, релефът указва значително влияние върху покритието, в резултат на което в определени крайни части на града е невъзможно надеждното приемане на сигнали от цифровата ефирна телевизия.

2. Чрез оценка на влиянието на параметрите на излъчения сигнал

(формат и кратност на модулацията, защитен интервал, дълбочина на корекцията на грешки и т.н.) върху параметрите на

характеристиките на приетия сигнал може да се намери решение за

оптимална настройка на радиопредавателните станции, както при

първоначалното проектиране, така и при тяхната експлоатация.

3. Чрез проведените експериментални изследвания се установиха

проблемните зони от радиопокритието с цифров ефирен

телевизионен сигнал, като тези резултати могат да послужат при

търсенето на решения и подходи за тяхното отстраняване и

оптимизация на радиопокритието.

4. Създаден e алгоритъм, който дава възможност за практически

подход при мониторинг и оценка на качеството на цифровите

телевизионни сигнали. Чрез алгоритъма може бързо и лесно да се направи диагностика на проблемите свързани с предаване и

приемане в определено направление и зона на влошено покритие.

5. Чрез оптимизиране на разположението и насочването на предавателното антенно оборудване, както и с корекции на изходната мощност или добавяне на допълнителни предаватели,

също могат да се решат проблемите с осигуряване на качествено

покритие в зони със силно изразено влияние на релефа.

6. Резултатите от представените експериментални изследвания за покритието на цифрова наземна телевизия на територията на гр.

Габрово позволяват да се направи независима оценка на качеството

на осигуреното радиопокритие и да се предложат препоръки и

мерки за неговото подобряване.



48

III. КЛАСИФИКАЦИЯ НА ПРИНОСИТЕ НА

ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

В резултат на изследването в рамките на дисертационния труд са

постигнати следните научно-приложни и приложни приноси със значимост и

полезност в комуникационните системи за наземно цифрово разпръскване:

Научно-приложни приноси:

1. Предложен е модифициран, опростен модел, включващ процесите на генериране, предаване и приемане на OFDM сигнал;

2. Разработен е алгоритъм за симулационно изследване на етапите от обработката на сигнала с помощта на подходящи Matlab функции,

проведено е изследване и са формулирани препоръки за избора на

размера на IFFT/FFT преобразуването, параметрите на филтрите в

предавателната и приемната част и честотата на дискретизация.

3. Предложен е подход за пред- и след- FFT прогнозна оценка, явяваща се основен етап в процеса на синхронизация в DVB-T системите.

Предложена е структурна схема на модул за пред- FFT синхронизация.

4. Предложена е идея за корелационна обработка на сигнала в DVB-T

системите, на базата на подходи за автокорелация на сигнала в

защитния интервал и взаимна корелация на пилотни символи в

честотната област, с цел получаване на метрични сигнали, подходящи

за прогнозна оценка на отместването във времето и на честотното

отместване. Синтезирани са структурни схеми за генериране на MNC и

ML метрични сигнали.

5. Обоснована е целесъобразността на различните метрични сигнали и са дефинирани препоръки относно приложимостта им за три вида канали

за връзка (Гаусов, фиксиран многолъчев и мобилен).

Приложни приноси:

1. Изследвано е влиянието на отношението сигнал/шум върху сигналното

съзвездие, око диаграмата и BER грешката в DVB-T система.

2. Установени са изискванията по отношение на продължителността на симулационния процес с разширения Simulink модел с цел максимално

доближаване на симулационните до теоретичните резултати.



49

3. Предложена е постановка за експериментални изследвания, свързани с

мониторинга и качеството на радиочестотното покритие за цифрова телевизия на територията на гр. Габрово. Въз основа на анализа на резултатите е установено значителното влияние на релефа върху

покритието, както и проблемните зони в града.

4. Проведени са експериментални изследвания на покритието за цифрова наземна телевизия на територията на гр. Габрово. Получените

резултати позволяват да се направи оценка на качеството на радиопокритието и да се предложат препоръки за неговото

подобряване.

5. Предложен e практически подход за мониторинг и оценка на

качеството на цифровите ефирни сигнали, даващ възможност да се установят, диагностицират и отстранят проблеми, свързани с ниски

нива на сигнала в зоната на радиопокритие, с неподходящ подбор и

насочване на антенното оборудване и с необходимост от допълнителни

радиоретранслатори и тяхното подходящо позициониране.



50

IV. ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

[A.1] Карапенев Б., Й. Кънев, С. Садинов, П. Когиас, Синтез на симулационни модели за изследване на основни процеси от кодирането на канала за връзка при системата DVB-T, Научна конференция – РУ &

СУ’12, Русенски Университет, Научни трудове на Русенски Университет – 2012, ISSN 1311-3321, том 51, серия 3.2, стр. 78÷84.;

[A.2] Садинов С., П. Данева, П. Когиас, Й. Кънев Симулация на двоична фазова модулация с Matlab, Научна конференция – РУ & СУ’13, Русенски

Университет Научни трудове на Русенски Университет – 2013, ISSN 1311-

3321, том 52, серия 3.2, стр. 84÷90.;

[A.3] Sadinov S., P. Daneva and P. Kogias, OFDM (Ortogonal Frequensy

Division Multiplexing) Transmission simulation, International Scientific

Conference “UNITECH 2013” – Gabrovo, 22-23.11.2013, Proceedings Vol.2,

ISSN 1313-230X, pp.121÷126.;

[A.4] Когиас П., С. Садинов, П. Данева, Й. Кънев, Симулационно

изследване на честотна синхронизация за DVB-T системи, Научна конференция – РУ & СУ’14, Русенски Университет, Научни трудове на

Русенски Университет – 2014, ISSN 1311-3321, том 53, серия 3.2.;

[A.5] Kogias P., Performance analysis of radiofrequency coverage of digital

terrestrial television (DVB-T), International Scientific Conference “UNITECH

2014” – Gabrovo, 21-22.11.2014, Proceedings Vol.2, ISSN 1313-230X,

pp.180÷186.;

[A.6] Sadinov S., P. Daneva and P. Kogias, Description and Simulation of

OFDM Reception Process, JOURNAL OF ENGINEERING SCIENCE AND

TECHNOLOGY REVIEW, Kavala, Greece, ISSN:1791-2377, Vol.7, Issue 3,

2014, pp. 18-22.;

[A.7] Kogias P., S. Sadinov, P. Daneva, Simulation Study of time

Synchronization for DVB-T systems, Journal of the Technical University of

Gabrovo, ISSN:1310-6686, Vol. 50’2014, pp.32-37.

Технически Университет Габрово Факултет...

Documents

Transcript of Технически Университет Габрово Факултет...