Η τεχνολογία της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης …συνοδευόμενη από φωτογραφικό υλικό από το σταθμό της EΡΤ

Αυτή την στιγμή στον… πλανήτη Γη υπάρχουν 5 διαφορετικά επίγεια ψηφιακά συστήματα εκπομπής. Αυτά είναι το DAB-T, το DVB-T (που χρησιμοποιούμε κι εμείς), το ISDB-T, το ATSC-8VSB και το νεοσύστατο DRM. Τα 4 εξ’ αυτών (φυσικά και το DVB-T), είναι βασισμένα στην διαμόρφωση COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex Modulation). H διαμόρφωση COFDM, δεν επελέγη φυσικά στην τύχη. Η επιλογή της έγινε, γιατί δίνει την καλύτερη λύση στα προβλήματα, που αντιμετωπίζει η επίγεια ψηφιακή. Για να κατανοήσουμε όμως την λύση, πρέπει να καταλάβουμε το πρόβλημα. Το πρόβλημα που έχει η επίγεια ψηφιακή, δεν διαφέρει καθόλου από τα προβλήματα που έχει οποιαδήποτε εκπομπή σήματος, που υπακούει στους νόμους της κυματικής. Το φέρον κύμα κατά την μετάδοσή του, ανακλάται σε διάφορες επιφάνειες, με αποτέλεσμα στο σημείο λήψης να φθάνουν περισσότερα από ένα κύματα. Όσον αφορά τις ανακλάσεις, τα δευτερεύοντα κύματα, ανάλογα με την διαφορά φάσης που έχουν μεταξύ τους, καθώς και την έντασή τους, είναι δυνατόν να ενισχύουν ή να εξασθενούν την βασική φέρουσα. Σε θεωρητικό μάλιστα επίπεδο (δεν συμβαίνει εύκολα στην πράξη) μπορούν να διπλασιάσουν (ίδια ένταση, διαφορά φάσης 0^ο) ή να μηδενίσουν (ίδια ένταση διαφορά φάσης 180^ο) το βασικό κύμα. Στην πράξη, αυτό που συμβαίνει, είναι μια ανομοιογένεια της έντασης, ανάλογα με την συχνότητα.

Αν δούμε την αναλογική τηλεόραση, είναι γνωστά τα προβλήματα λήψης με δίπλα είδωλα, λόγω των ανακλάσεων ή του «μπουκώματος» του χρώματος, λόγω υπερβολικής ενίσχυσης ή ασθενούς σήματος, λόγω εξασθένησης (το τελευταίο μπορεί να οφείλεται και σε απορροφήσεις). Όλα αυτά έπρεπε να ξεπεραστούν στην ψηφιακή τηλεόραση. Η βασική ιδέα ήταν να επιλεγεί ένας μηχανισμός διαμόρφωσης, ο οποίος σε πρώτο επίπεδο, θα δημιουργούσε διασπορά δεδομένων σε πολλαπλές υπο-περιοχές με παραπλήσιες συχνότητες, ώστε να εξασφαλίσει τις λιγότερες δυνατές απώλειες πληροφορίας. Αυτό είναι το «Frequency Division Multiplex». Σε δεύτερο επίπεδο, αφού είναι σίγουρο ότι αρκετά δεδομένα θα χάνονταν κατά την επίγεια εκπομπή, έπρεπε με κάποιο τρόπο ο δέκτης να μπορεί να τα ξαναδημιουργεί. Για το λόγο αυτό τα δεδομένα κωδικοποιούνται με error correction code (κώδικα διόρθωσης λαθών), πριν την εκπομπή. Αυτό γίνεται με την διαδικασία πρόσθεσης checkbits στα ωφέλιμα bits του συστήματος. Ο λόγος των χρήσιμων bits, προς το συνολικό bit rate, ονομάζεται code rate και μπορεί να είναι 1/2, 2/3, 3/4, 5/6  και 7/8. Αυτή η διαδικασία προσθέτει και το.. «Coded», στην ονομασία της διαμόρφωσης COFDM.

 

Το COFDM βασίζεται στην διαίρεση του καναλιού RF σε στενές περιοχές συχνότητας και μικρά γειτονικά χρονικά διαστήματα (time segments). Σχηματικά, η διαίρεση αυτή μπορεί να παρασταθεί με ένα διάγραμμα από μικρά τετραγωνάκια (κυψέλες), όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Στον έναν άξονα, υπάρχει η συχνότητα και στον άλλο ο χρόνος. Κάθε χρονικό διάστημα αυτού του σχήματος, ονομάζεται OFDM symbol και κάθε περιοχή συχνότητας frequency sub-band. Με αυτό τον τρόπο κάθε υποφέρουσα (sub-carrier) συχνότητα που θα χρησιμεύσει για την διαμόρφωση των δεδομένων, έχει την δική της περιοχή.  Ένα πολύ σημαντικό στοιχείο στη διαμόρφωση COFDM, είναι η επιλογή  του αριθμού των υποφερουσών (subcarriers) Αυτές μπορεί να είναι είτε 8k (6817 υποφέρουσες), είτε 2k (1705 υποφέρουσες).

Το πλεονέκτημα της 8k είναι η ικανότητα για κάλυψη μεγαλύτερου μονοσυχνοτικού δικτύου (έννοια την οποία θα αναλύσουμε παρακάτω), αλλά με μικρή ταχύτητα, ενώ στην 2k έχουμε υψηλή ταχύτητα, αλλά μικρό μονοσυχνοτικό δίκτυο.

Ένα πρόβλημα που πρέπει να λύσουμε με τις τόσες πολλές υποφέρουσες, είναι η μεταξύ τους αλληλεπίδραση. Αυτό λύνεται εξασφαλίζοντας την μαθηματική ορθογωνιότητα των συναρτήσεων των υποφερουσών, ώστε να μην παρεμβάλει η μία την άλλη. Από εκεί προκύπτει και το Orthogonal της διαμόρφωσης COFDM.

Ένα ακόμη πρόβλημα που υπάρχει, είναι το φαινόμενο της  ενδοσυμβολικής παρεμβολής (inter-symbol interference), δηλαδή ενός τύπου ενδοδιαμόρφωσης του κάθε συμβόλου (symbol), με το επόμενό του. Αυτό λύνεται με την εισαγωγή ενός χρονικού διαστήματος φύλαξης (Guard Interval), που εισάγεται πριν από κάθε περίοδο COFDM συμβόλου. Στην βιβλιογραφία συμβολίζεται σαν Tg, αλλά στον δέκτη σας θα το δείτε… ξεκάθαρα σαν GI. Υπάρχουν 4 διαφορετικά Guard Intervals στο DVB-T, τα οποία είναι 224μs (μικροδευτερόλεπτα), 112μs, 56μs και 28μs.

 

Είπαμε μέχρι τώρα τον τρόπο που χωρίζουμε ένα κανάλι σε OFDM symbols, πώς εισάγουμε τις υποφέρουσες, πόσες χρησιμοποιούμε και πώς τις προστατεύουμε από παρεμβολές. Δεν είπαμε όμως πώς τις διαμορφώνουμε.  Στο COFDM υπάρχουν τρία είδη διαμορφώσεων, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις υποφέρουσες α) η 4QAM, β) η 16QAM και γ) η 64QAM. Να λοιπόν γιατί ο δέκτης «κλειδώνει» στο 16-QAM και έχει… μπερδέψει αρκετούς. Οι διαμορφώσεις αυτές, αναφέρονται στην διεθνή βιβλιογραφία σαν constellations, που η ελληνική τους μετάφραση είναι «αστερισμοί». Στα μενού αρκετών δεκτών που υποστηρίζουν ελληνικά, θα δείτε τον όρο «αστερισμός», γι αυτό μην παραξενευτείτε. Όχι δεν βρισκόμαστε στους δορυφόρους… έχει και η Γη τους αστερισμούς της. Εδώ θα αναφέρω κάτι αδόκιμο και μη εξακριβωμένο, αλλά που έχει μεγάλη πιθανότητα (σχεδόν βεβαιότητα) να ισχύει. Στην πραγματικότητα δεν γνώριζα πως προέκυψε η ονομασία constellations. Όταν όμως δοκιμάσαμε όλα αυτά που αναφέρω με ένα επαγγελματικό πεδιόμετρο, η γραφική απεικόνιση τoυ QAM ήταν ολόιδια με «αστερισμό» (για του λόγου το αληθές παρατίθεται και η φωτογραφία).

Έτσι, λοιπόν, δημιουργείται το επίγειο ψηφιακό σήμα, το οποίο βασίζεται σε COFDΜ και διαμορφώνει κάθε υποφέρουσα με QAM.

 

Για την εφαρμογή του COFDM στο σύστημα DVB-T, έχουμε δυνατότητα επιλογής ιεραρχικής ή μη ιεραρχικής (βασικής) διαμόρφωσης. Η βασική διαμόρφωση είναι αυτή που αναφέραμε παραπάνω. Ολόκληρη δηλαδή η ροή δεδομένων (data stream), διαμορφώνεται σε 4QAM, 16QAM  ή 64QAM

Η ιεραρχική διαμόρφωση αποτελείται από δύο διαφορετικά data streams Το πρώτο ονομάζεται «Υψηλής προτεραιότητας» (High Priority HP), το οποίο εμπεριέχεται μέσα σ’ ένα δεύτερο stream «Χαμηλής προτεραιότητας» (Low Priority LP). Το HP stream χρησιμοποιεί πάντα 4QAM διαμόρφωση, ενώ το LP stream χρησιμοποιεί είτε 4QAM, είτε 16QAM. Εξ αιτίας τούτου, το High-Priority (HP) έχει μεγαλύτερη ανθεκτικότητα, αλλά πιο χαμηλό ρυθμό μετάδοσης. Aντίθετα, το Low-Priority έχει μικρή ανθεκτικότητα, αλλά πιο υψηλό ρυθμό μετάδοσης. Το γινόμενο των δύο δίνει την τελική διαμόρφωση 16QAM (4×4) ή 64QΑΜ (4×16)

Οι δέκτες με καλή ποιότητα λήψης, μπορούν να λάβουν και τα δύο stream, ενώ αυτοί που δεν έχουν καλή ποιότητα λήψης, μπορούν να λάβουν μόνο το stream με την υψηλή προτεραιότητα που είναι και πιο ανθεκτικό.

 

Η όλη λογική σχεδιασμού του COFDM, βασίστηκε στην αποφυγή παρεμβολών από ανακλάσεις. Στην πραγματικότητα το COFDM, έχει την δυνατότητα να χρησιμοποιεί υπέρ του όσες ανακλάσεις αυξάνουν την ένταση του σήματος (τις θετικές δηλαδή) και να απορρίπτει τις αρνητικές. Αν και ο βασικός σχεδιασμός έγινε για αποφυγή των παρεμβολών, η τεχνολογία αυτή άνοιξε ένα νέο δρόμο στο Broadcast. Ακριβώς λόγω του  COFDM τρόπου διαμόρφωσης, ο παροχέας (broadcaster) έχει την δυνατότητα να εκπέμπει από διαφορετικούς πομπούς ταυτόχρονα, στο ίδιο κανάλι. To COFDM απλά θα απορρίψει οτιδήποτε αρνητικό και θα κρατήσει μόνο τις θετικές συνιστώσες. Αυτό είναι το λεγόμενο SFN (μονοσυχνοτικό δίκτυο), που δίνει δυνατότητα σ’ ένα δίκτυο να εκπέμπει από την ίδια συχνότητα σε μια μεγάλη περιοχή, γεγονός που επιφέρει μεγάλη οικονομία συχνοτήτων. Οι χρυσοί κανόνες του SFN είναι ότι κάθε πομπός πρέπει να εκπέμπει:

Α) στην ίδια συχνότητα

Β) την ίδια χρονική στιγμή και

Γ) τα ίδια data bits