FEC – BER – Bitrate – Symbol rate

Featured | Παρακάτω θα μιλήσουμε για τις έννοιες που συναντάμε διαρκώς στη συναναστροφή μας με τη δορυφορική τηλεόραση. Οι έννοιες αυτές καθορίζουν κατά πολύ την ποιότητα του ψηφιακού σήματος και η κατανόησή τους βοηθάει στην καλύτερη αντίληψη της δορυφορικής μετάδοσης.

Ο θόρυβος στην ψηφιακή τηλεόραση σε σχέση με το θόρυβο της αναλογικής, έχει τεράστια διαφορά, αφού η βασικότερη πηγή “ψηφιακού θορύβου”, είναι η πιθανότητα εμφάνισης σφάλματος στα μεταδιδόμενα bits. Ως γνωστόν, το ψηφιακό σήμα μεταδίδεται με συνδυασμούς των bits 0 και 1, που αντιπροσωπεύουν στην πραγματικότητα δύο διαφορετικές τάσεις. Οι συνδυασμοί αυτών των δύο τάσεων, δημιουργούν το bitstream της πληροφορίας. Ο θόρυβος σε αυτήν την πληροφορία έχει ως αποτέλεσμα ένα 0 να εκληφθεί σαν 1 (ή αντίστροφα) και αυτό δημιουργεί το σφάλμα (error). Είναι λογικό ότι όσο ισχυρότερο είναι το σήμα, τόσο λιγότερα σφάλματα εμφανίζει, αφού λόγω ισχύος επηρεάζεται λιγότερο από εξωγενείς παράγοντες. Παρόλα αυτά, τα σφάλματα του ψηφιακού τηλεοπτικού σήματος είναι πολλά και γι αυτό το λόγο έχουν προταθεί και εφαρμόζονται μέθοδοι διόρθωσης λαθών.

Ο σκοπός του FEC είναι να μειώσει τα σφάλματα μετάδοσης από θόρυβο και να ελαχιστοποιήσει έτσι την απαιτούμενη ισχύ που χρειάζονται τα συστήματα επικοινωνίας.  Αυτό το πετυχαίνει, όπως είπαμε, προσθέτοντας μια προσεκτικά σχεδιασμένη πληροφορία, στα δεδομένα (data) που εκπέμπονται από το κανάλι. Η διαδικασία πρόσθεσης αυτής της πλεονάζουσας πληροφορίας είναι γνωστή σαν channel coding και αποτελείται από δύο βασικές κωδικοποιήσεις, την Convolutional και την Block. H Convolutional κωδικοποίηση, εφαρμόζεται σε σειριακά δεδομένα, σε ένα ή μερικά bits κάθε φορά, ενώ η Block εφαρμόζεται σε μερικές εκατοντάδες bytes, που διαμορφώνουν ένα λογικό μήνυμα (block).

H Convolutional κωδικοποίηση με αποκωδικοποίηση Viterbi, είναι μια τεχνική FEC, που εφαρμόζεται σε κανάλια, όπου το σήμα τους επηρεάζεται κυρίως από ένα τύπο θορύβου, ο οποίος ονομάζεται Gaussian Noise (AWGN). Αυτός ο τύπος θορύβου έχει χρονική κατανομή τάσης, που περιγράφεται από τη μαθηματική στατιστική κατανομή Gauss.

Τα τελευταία χρόνια, για βελτίωση της απόδοσης του συστήματος, ακολουθείται μια πιο πολύπλοκη τεχνική, που συμπεριλαμβάνει και κωδικοποίηση Reed-Solomon. Τα πλεονεκτήματα των αλγορίθμων Reed-Solomon, είναι ότι χρησιμοποιούν τα ελάχιστα δυνατά check bits, αποκωδικοποιούνται ευκολότερα και επιτρέπουν πρόσθετους τύπους διορθώσεων (erasure), που τα άλλα συστήματα δυσκολεύονται ή αδυνατούν.

Τυπικά, η πληροφορία προς μετάδοση, κωδικοποιείται πρώτα με τον αλγόριθμο Reed-Solomon και εν συνεχεία με Convolutional κωδικοποίηση. Στην αποκωδικοποίηση, χρησιμοποιείται πρώτα ο αλγόριθμος Viterbi και εν συνεχεία o Reed-Solomon. Αυτή είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται από τα περισσότερα, αν όχι όλα τα δορυφορικά (DBS) συστήματα και σε αρκετά από τα VSAT συστήματα.

Πρόσφατα, μια καινούρια τεχνική, γνωστή και ως turbo coding, που θεωρητικά προσφέρει καλύτερα αποτελέσματα από τις Viterbi και Reed-Solomon, έχει αρχίσει να εφαρμόζεται σε ορισμένα συστήματα.

Η φέρουσα ενός ψηφιακού τηλεοπτικού σήματος αποτελείται από παλμούς, που απαρτίζουν ένα συνεχές σήμα. Κάθε παλμός είναι και ένα Symbol. Κάθε Symbol παριστάνει τον αριθμό των μεταδιδόμενων bits. Ανάλογα με τη διαμόρφωση και τα bits, κάθε Symbol μπορεί να είναι 1 ή 2 ή 3 κλπ. Αυτός ο αριθμός των bits/symbol, δημιουργεί μια νέα παράμετρο, που ονομάζεται συντελεστής διαμόρφωσης (modulation factor), συμβολίζεται με m και έχει τιμές για BPSK=1, για QPSK=2, για 8PSK=3 κλπ. Αυτό που τελικά μεταδίδει ο παροχέας, είναι τα Symbols και έτσι δημιουργείται ο ρυθμός μετάδοσης των Symbols, που είναι το Symbol Rate (SR) και μετριέται σε symbols/sec. H σχέση Symbol Rate και Bitrate (BR) δίνεται από τη μαθηματική σχέση:

SR = ΒR / (m x CRv x CRrs)

όπου m είναι ο συντελεστής διαμόρφωσης (για  QPSK=2),  CRv είναι τοViterbi  forward error correction (FEC), δηλαδή 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 και CRrs είναι το Reed Solomοn forward error correction (FEC), με τιμή 188/204.

Επομένως, για να επιτευχθεί η καλύτερη τελική ποιότητα του σήματος, θα πρέπει όλοι αυτοί οι παράγοντες να ληφθούν υπόψη και να βρεθεί η χρυσή τομή. Βέβαια, μετά τις αποδιαμορφώσεις, αλγόριθμους FEC κλπ, αυτό που θα απομείνει είναι το MPEG-2 σήμα, με το αρχικό bitrate που έχει επιλέξει ο παροχέας και αυτό τελικά θα καθορίσει την ποιότητα του σήματος που θα δει ο θεατής. Προσωπικά, όταν καλούμαι να τεστάρω την ποιότητα ενός δορυφορικού μπουκέτου, ασχολούμαι μόνο με την τελική ανάλυση και bitrate (BR) του σήματος που φθάνει στην τηλεόρασή μου, χωρίς να ασχολούμαι με το πώς έγινε η διαμόρφωση τα FEC κλπ.