Application du système MIMO-OSM sur les systèmes de télévision numérique DVB-T2

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1 MADA-ETI, ISSN , Vol.2, 2014, Application du système MIMO-OSM sur les systèmes de télévision numérique DVB-T2 Rajaonarison T.R. 1, Randriamitantsoa P.A 2, Randriamitantsoa A.A. 3, Ecole Doctorale en Sciences et Techniques de l Ingénierie et de l Innovation (ED-STII) Laboratoire de Recherche - Télécommunication, Automatique, Signal et Images (LR-TASI) Ecole Supérieure Polytechnique - Université d Antananarivo BP 1500, Ankatso Antananarivo Madagascar 1 poutsyrajao@yahoo.fr, 2 rpauguste@gmail.com, 3 andriau23@gmail.com Résumé : Cet article consiste à implémenter le système antennaire MIMO (Multiple Input Multiple Output) précodé OSM (Orthogonalized Spatial Multiplexing) dans les systèmes de télévision numérique DVB- T2 (Digital Video Broadcasting-Terrestrial 2 nd generation). Le système antennaire MIMO précodé OSM présente des efficacités spectrales élevées en démultiplexant le train binaire entrant dans les différentes antennes. Le multiplexage spatial est très pratique parce que les signaux reçus peuvent être décodés en utilisant les récepteurs linéaires. Cet article présente la performance de l application du système antennaire MIMO précodé OSM sur les systèmes de télévision numérique DVB-T2. Mots clés : antenne, DVB, MIMO, MMSE, OSM, ZF. Abstract : This article consists in implementing the MIMO (Multiple Input Multiple Output) antenna system precoding OSM (Orthogonalized Spatial Multiplexing) in the systems of digital video broadcastingterrestrial 2nd generation DVB-T2. The MIMO antenna system precoded OSM achieve high spectral efficiencies by demultiplexing the incoming bit stream into multiple substreams. Spatial multiplexing is of practical importance because the multiple substreams can be decoded using linear receivers. This article presents the performance of the application of the MIMO antenna system precoded OSM on the DVB-T2 Keywords : antenna, DVB, MIMO, MMSE, OSM, ZF. 1. Introduction L apparition récente de nouvelles techniques de transmission très prometteuses telles que les codes correcteurs de type Turbo-code ou LDPC (Low Density Parity Check) permettant d augmenter de façon significative le débit et d offrir une meilleure qualité de transmission et les techniques 73

2 MADA-ETI, ISSN , Vol.2, 2014, MIMO dont le principe est d utiliser plusieurs antennes à l émission et à la réception, ont amené la communauté DVB (Digital Video Broadcasting) à réfléchir à une seconde génération de systèmes de diffusion de télévision numérique dans les années Ainsi, le système de télévision numérique par satellite DVB-S2 (Digital Video Broadcasting Satellite 2 nd generation), dont la modification majeure par rapport à son prédécesseur DVB-S (Digital Video Broadcasting satellite) est l intégration d un code correcteur de type LDPC, est standardisé par l ETSI (European Telecommunication Standards Institute) en De même pour le système de télévision numérique par câble DVB-C (Digital Video Broadcasting Cable) basé sur une modulation mono-porteuse, son successeur DVB-C2 (Digital Video Broadcasting Cable 2 nd generation), intégrant une modulation OFDM et un code correcteur de type LDPC, est standardisé en Il a d ailleurs été constaté lors du développement de DVB-C2 que le code LDPC ramenait les performances du système. Quant aux systèmes de TNT (Télévision Numérique Terrestre), bien que le standard DVB-T soit encore en cours de déploiement sur le territoire européen et coexiste avec la télévision analogique terrestre dont l arrêt est prévu au plus tard pour 2012 dans l Union Européenne, le consortium DVB a lancé en avril 2007 un appel à projet technologique pour définir le standard DVB-T2. Les principales améliorations requises pour le standard DVB-T2 par rapport à son prédécesseur étaient une amélioration de la robustesse visà-vis de la mobilité et des interférences entre les émetteurs d un réseau mono-fréquence, et une augmentation de l efficacité spectrale et du débit utile. 2. Systèmes de télévision numérique DVB-T2 2.1 Normes DVB Afin de fournir une norme propre à chaque technologie de transmission, une norme existe pour chacune d elles afin d assurer une transmission parfaite des données depuis son point d origine jusqu au décodeur du client final, en respectant les spécificités propres à chaque média de transport. En plus, afin de définir la manière de transporter un flux DVB d un point A vers un point B, plusieurs autres normes définissent l interactivité, les sous-titres, l accès conditionnel et bien d autres. Donc, pour un réseau donné, plusieurs normes sont mises en application pour se conformer au standard. Le tableau 1 illustre les différentes normes de DVB. Normes Description DVB-S Transmission Satellite DVB-S2 Transmission Satellite 74

3 MADA-ETI, ISSN , Vol.2, 2014, version 2 DVB-C Transmission Câble DVB-CS Transmission satellite DVB-T Transmission Terrestre DVB-T2 Transmission Terrestre version 2 DVB-H Récepteur portable DVB-SH Récepteur portable transmission par satellite DVB-MDS Transmission satellite multipoint DVB-DSNG Transmission satellite temporaire Tableau 1 : Liste des normes DVB. 2.2 Système de transmission DVB-T2 La norme DVB-T2 a été conçue à la base pour répondre au besoin commercial et pour offrir une meilleure performance pour la transmission de la TVHD. Elle a été créée essentiellement pour les récepteurs fixes, quoiqu elle permette une certaine mobilité avec les mêmes caractéristiques de spectre qu en DVB-T. La Figure 2 illustre les principaux étages d une chaîne de transmission DVB-T2, la rotation de constellation et l implémentation MISO sont des étages optionnels. MPEG transport BCH/LDPC Bit interleaver Bit to cell symbol mapping Constellation rotation Cell interleaver Time interleaver Modulation and RF Guard interval IFFT Pilot insertion STBC MISO Frequency interleaver OFDM Frame adaptation Figure 2 : Chaîne de transmission DVB-T2 L innovation majeure réside dans la stratégie de correction d erreur, en effet la norme DVB-T2 utilise le même principe de codage satellite). L algorithme de codage est basé sur la combinaison de LDPC et de BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) codes qui de la norme DVB-S2 (Digital Video offre un excellent résultat en termes de Broadcasting - Satellite 2nd generation ou standard européen de télévision numérique de 2 ème génération pour la réception par robustesse du signal de réception. Le LPDC est basé sur la technique FEC (Forward Error Connection) qui offre une amélioration 75

4 majeure comparée au code correcteur convolutif de la norme DVB-T. Concernant la modulation utilisée, tout comme la norme DVB-T, le DVB-T2 utilise la modulation multi-porteuse OFDM. Tout en conservant la longueur de symbole IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) 2K et 8K, le nouveau standard introduit aussi les symboles de longueur 16K et 32K pour augmenter la longueur de l intervalle de garde sans diminuer l efficacité spectrale du système. Les nouvelles spécifications offrent plusieurs possibilités pour les paramètres de modulation en combinant les différents nombres de porteuse avec la longueur des intervalles de garde ; de ce fait le standard est très flexible. De plus la taille de la constellation a été augmenté jusqu à 256 symboles (256QAM). Comme on le voit sur la Figure 2, une importante innovation proposée par le DVB- T2 est l utilisation de trois formes de cascade d entrelacement, qui sont : l entrelacement de bit, l entrelacement de temps et l entrelacement fréquentiel. Le but de ces entrelacements est d éviter les erreurs par rafales ou burst error. appliquant une opération de rotation à l émetteur et en transmettant deux flux de données indépendants, puis utiliser un décodage par MV à la réception pour diminuer la complexité de détection des symboles. Le précodeur P-OSM est un précodeur non linéaire qui maximise la distance minimale dmin. Il est donné dans une représentation réelle par : = + = (1) est une matrice de précodage réelle de taille 2 2. La contrainte de puissance est : = (2) Ce précodeur n est pas optimal au profit de la simplicité. Ainsi, la matrice de précodage se décompose comme suit : 0 = 0 2 ² avec : = cos sin sin cos (3) 3. Précodeur OSM (Orthogonalized Spatial Multiplexing) Le système OSM est une technique qui consiste à orthogonaliser le canal en Les paramètres, et maximisent la distance dmin et se calculent comme suit : θ est calculé à partir de la matrice H : 76

5 =tan + ² + 4² 2 Où : = (4) (5) et sont respectivement la première et la deuxième valeur singulière et de la matrice du canal. Voici une solution pour une modulation MAQ-4 : =. et sont choisis suivant la modulation = où : = mise en jeu et un paramètre défini par : = (6) (7) si 17 : = 1 = 45º si 7 : = 2 et = 26,5º Avec l orthogonalité et la représentation réelle du système, le P-OSM rend les symboles indépendants et permet de faire moins de test dans le récepteur MV (Maximum de Vraisemblance avec 2 tests) tout en maximisant dmin. Le schéma bloc du précodeur P-OSM est représenté sur la figure 3 : et Figure 3 : Schéma bloc d un précodeur P-OSM. 4 Simulation et résultats La Figure 4 montre le système de transmission numérique DVB-T en utilisant le système antennaire MIMO. La figure 5 illustre notre nouveau schéma qui est 77

6 l implémentation du système MIMO précodé OSM sur les systèmes de télévision numérique DVB-T2. Figure 4 : Système de transmission numérique DVB-T en utilisant le système MIMO. Figure 5 : DVB-T2 proposé avec un système MIMO précodé OSM. 78

7 La figure 6 représente le taux d erreur pour notre système : Figure 6 : Taux d erreur pour DVB-T2 MIMO-OSM. Ce résultat nous montre que : le récepteur utilisé n influe pas la performance de notre système notre système est plus performant que les autres systèmes, surtout pour SNR élevé. 5. Conclusion Cet article nous a permis de récapituler le principe des systèmes de télévision numérique. En effet, il nous a montré les systèmes de télévision numérique DVB-T2. On a présenté aussi le principe du précodeur OSM. Cet article est axé sur l implémentation du système antennaire MIMO précodé OSM dans les systèmes de télévision numérique DVB-T2. D après notre étude, le nouveau schéma qu on a proposé est très intéressant pour les opérateurs de télévision numérique DVB-T2 parce qu il rend un très bon compromis débit et taux d erreur. Mais, son inconvénient réside sur la complexité du système. Comme l Etat Malagasy voudrait implémenter les systèmes de télévision numérique terrestre, notre étude est très importante et peut l aider à concevoir et mettre en place ses systèmes. 6. Bibliographie [1] Arnoult D., «La TNT, Télévision Numérique Terrestre», CNAM Nantes, 2004 [2] Huttl O., Kratochvil T. «DVB-T channel coding implementation in matlab», University of Technology Purkinova, 2004 [3] Lorena M., Mendicute M., Pello O., Iker S., «New Signal Processing Algorithms for a Challenging Digital VideoBroadcasting Standard», Ecole Polytechnique Fédérale de 79

8 Lausanne, 2006 [4] Metzger J., «Variance of DVB-T2 Performance Gains over different channels», Université des Saarlandes, 2009 [5] Vargas D., «Low Complexity Iterative MIMO Receivers for DVB-NGH Using Soft MMSE Demapping and Quantized Log-Likelihood Ratios», Université de Valences, [6] Helberg M., «Integration of MIMO support in DVB-T2 simulator», Thèse : Abo Akademy University, 2009 [7] Collin L., Berder O., Rostaing P., Burel G., «Optimal minimum distance-based precoder for MIMO spatial multiplexing systems», IEEE Trans. Signal Processing, vol. 52, no. 3, pp , Mars [8] Kim Y., Lee H., Park S., Lee I., «Optimal precoding for orthogonalized spatial multiplexing in closed-loop MIMO systems», IEEE Journal on Selected Areas in communication, vol. 26, no. 8, [9] Lee H., Park S., Lee I., «Orthogonalized spatial multiplexing for closed-loop MIMO systems», IEEE Transaction on communication, vol. 55, pp , [10] Lee H., Park S., Lee I., «A new MIMO beamforming technique based on rotation Transformations», IEEE Conference on communication,