Radiocommunication numérique terrestre ISDB-T au Japon

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1 RADIODIFFUSION Générateur de signaux test TV R&S SFQ / R&S SFL Radiocommunication numérique terrestre ISDB-T au Japon Le passage de l analogique au numérique concerne désormais toutes les formes de radiocommunication : réseaux large bande, transmission par satellite et diffusion terrestre. La norme ISDB-T est en cours d adoption au Japon et Rohde & Schwarz participe au développement et à la production avec ses générateurs de signaux test TV R&S SFQ et R&S SFL (fig. 1) Fig. 1 Les deux générateurs de signaux test R&S SFQ et R&S SFL-I maîtrisent la norme ISDB-T. ISDB-T : une norme pour la télévision, la radiodiffusion et les services de données L Association of Radio Industries and Business (ARIB) japonaise a développé au cours des années 90 une norme de transmission pour la radio numérique terrestre. A la différence des autres parties du monde, il devait s agir ici d une norme unique couvrant la télévision, la radiodiffusion et les services de données. La norme de radiodiffusion japonaise ISDB-T (Terrestrial Integrated Services Digital Broadcasting) en résultant permet de transmettre les services mentionnés indépendamment les uns des autres et dans de nombreuses combinaisons [1, 2]. Les essais détaillés menés actuellement sur le terrain dans plusieurs régions du Japon confirment l aptitude opérationnelle de ce système. Les tests portent entre autres sur les prestations suivantes : Télévision, radiodiffusion et services de données Services multimédia mobiles Insertion dans les réseaux câblés Services d urgence Téléachat, services d information commerciale et télévision payante Réseaux isofréquence (SFN) en ville, sur mer et en montagne Services à la demande, etc. 32

2 Les points forts de ce système sont l aptitude à la transmission isofréquence (SFN), les caractéristiques positives en réception mobile, la possibilité de la réception en bande étroite, où une partie seulement des données transmises est analysée (Partial Reception), et la transmission hiérarchique pour s adapter aux différentes conditions de réception. Fig. 2 Le spectre ISDB-T. Les résultats des essais sur le terrain servent à l introduction de l exploitation ISDB-T normale prévue entre 2003 et 2005 dans les trois grandes régions de Tokyo, Nagoya et Osaka. La couverture totale du Japon avec l ISDB-T doit être réalisée d ici 2006 en vue d abandonner les émissions de télévision analogique en Caractéristiques de l ISDB-T Comme toutes les autres normes de TV numérique (p.ex. DVB-T), l ISDB-T utilise le procédé MPEG2 comme codage de source des signaux TV numériques à transmettre. Procédé à la pointe de la technologie, l OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) est employé dans le canal de transmission RF lorsqu il s agit de diffusion TV numérique terrestre. La bande passante de transmission étant de 5,6 MHz, le signal convient pour une transmission sur un canal de 6 MHz (fig. 2 et 3). Fig. 3 Paramètres de transmission pour l ISDB-T (canal 6 MHz). Transmission hiérarchique Un canal de transmission peut être utilisé simultanément pour l acheminement de trois services différents avec des paramètres de transmission différents. Dénommé «transmission hiérarchique», ce procédé adresse généralement divers types de récepteurs (fig. 4). Un canal de 6 MHz de large peut ainsi offrir des services diversifiés sur une infrastructure identique : programme HDTV pour récepteur TV fixe, image de télévision en résolution moindre pour récepteur TV mobile dans un autocar, programme de télévision pour récepteur au format téléphone Mode 1 Mode 2 Mode 3 Nombre de segments 13 Bande passante 5,575 MHz 5,573 MHz 5,572 MHz Ecart entre porteuses 3,968 khz 1,984 khz 0,992 khz Nombre de porteuses des porteuses QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSK Symboles par trame 204 Durée de symbole (eff.) 252 µs 504 µs 1008 µs Intervalle de garde 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Longueur IFFT 2K 4K 8K Code interne Code convolutionnel (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) Code externe Reed-Solomon (204,188) portable avec une résolution réduite en conséquence. Des informations complémentaires relatives au programme émis peuvent même être transmises et appelées en cas de besoin par l abonné. Partial Reception La réception partielle du spectre émis (Partial Reception) est un cas spécial de la transmission hiérarchique. Le spectre OFDM se compose de 13 segments (fig. 4). Si l on limite l influence des paramètres de transmission à un seul segment OFDM, ce segment peut être reçu indépendamment des 12 autres segments. En analysant uniquement ce segment OFDM, un récepteur en bande étroite obtient donc un signal de réception complet. Un choix judicieux des paramètres de transmission permet de renforcer ce segment face aux perturbations. Les services fournis atteignent ainsi en particulier des récepteurs mobiles et portables, de type téléphone mobile et PDA (Personal Digital Assistant). Parmi les applications possibles, citons la réception de l Internet mobile ou le téléchargement vidéo, audio et informatique. 33

3 RADIODIFFUSION Codage des canaux La figure 5 montre la structure fonctionnelle du codage des canaux en ISDB-T. Elle comprend par principe trois branches identiques (codage hiérarchique). Son / Données HDTV Son / SDTV Données (Réception mobile) SDTV (Réception fixe) Le multiplex de transport traverse d abord le codeur externe opérant un codage Reed-Solomon sur chaque paquet de multiplex de transport. Le récepteur est ainsi mis en mesure de corriger jusqu à huit octets erronés dans un paquet de transport. Le multiplex de données protégé de cette façon contre les erreurs traverse ensuite un répartiteur qui divise les paquets de transport en trois couches hiérarchiques. Le Modul suivant ajoute une séquence pseudo-aléatoire (PRBS) au multiplex de données de manière à garantir un nombre suffisant de changements binaires. La modulation et le débit de codes sont obtenus, en fonction des paramètres de transmission, par l entrelacement octet par octet dans l émetteur et par le désentrelacement dans le récepteur des différents décalages des multiplex de données dans les trois branches. Le codeur procède à une compensation du temps de propagation ( ) pour réduire les moyens mis en œuvre dans le récepteur. Ce module retarde les trois multiplex de données de sorte que les différences de temps de Fig. 4 5,6 MHz Spectre Récepteur ISDB-T large bande Principe de la transmission hiérarchique et de la réception partielle. propagation les plus tardives soient déjà compensées. L entrelaceur octet par octet suivant sépare les données adjacentes les unes des autres en triant l ordre. Les erreurs de type rafale apparaissant souvent dans le canal de transmission perturbent toujours les données qui se succèdent. Le désentrelaceur dans le récepteur rétablit cependant l ordre original des données. Au cours de ce processus, les erreurs en rafale sont triées par erreurs individuelles, qui peuvent alors être corrigées par le décodeur Reed-Solomon. Le codeur convolutionnel à poinçonneur intégré ajoute une nouvelle redondance au multiplex de données afin de permettre une correction des erreurs dans le récepteur (décodeur de Viterbi). Le débit 5,6 MHz Spectre Récepteur ISDB-T bande étroite de codes peut être sélectionné en fonction des caractéristiques de transmission recherchées pour le système. La figure 6 montre la structure fonctionnelle du bloc de modulation OFDM en ISDB-T. Le premier bloc effectue la modulation. Elle comprend un entrelacement bit par bit avec compensation du temps de propagation et le «mapping» dans le diagramme de constellation de la modulation. Les constellations possibles en ISDB-T sont DQPSK, QPSK, 16QAM et 64QAM. La constellation peut être sélectionnée en fonction des caractéristiques de transmission recherchées pour le système. L entrelacement bit par bit et la compensation du temps de propagation sont choisis automatiquement de façon à s y adapter. Fig. 5 Le codage des canaux en ISDB-T. Splitter Multiplexing Outer Code RS (204,188) OFDM 34

4 Channel Synthesis of Hierarchical Burst Stream Time Interleaver Frequency Interleaver OFDM Frame Adaptation IFFT Guard Interval Insertion Control Signal Fig. 6 Principe du bloc de modulation en ISDB-T. Le bloc procède ensuite à la synthèse du multiplex de données hiérarchique. Pour ce faire, il concatène les données «mappées» complexes de chacune des trois branches en un multiplex de données série. L entrelacement temporel symbole par symbole qui suit est assuré par un entrelaceur temporel intra-segment dont la profondeur peut être réglée indépendamment pour chaque couche. L entrelaceur temporel est aussi soumis à une compensation du temps de propagation entre les différentes branches. L entrelacement fréquenciel suivant «découpe et dissémine» les données à l intérieur d un symbole OFDM, c est-àdire dans le plan de fréquence. Un entrelaceur inter-segment agit d abord entre les segments OFDM présentant la même modulation. Vient ensuite un entrelaceur intra-segment qui pivote les données à l intérieur d un segment. Les données passent enfin par un embrouilleur intrasegment qui les décalent dans des positions quasi-aléatoires à l intérieur d un segment. TMCC (Transmission and Multi plexing Configuration Control) et des porteuses AC (Auxiliary Channel) en différentes positions dans le multiplex de données. Les données ainsi créées sont soumises à une transformation de Fourier inverse (IFFT) pour passer de la plage fréquence à la plage temps. La longueur de l IFFT est fonction du mode ISDB-T sélectionné et peut être de 2K, 4K ou 8K. L insertion d un intervalle de garde rallonge les symboles OFDM d un facteur donné (1/4, 1/8, 1/16 ou 1/32). Cette mesure a une incidence positive sur les caractéristiques de réception en cas de propagation par trajets multiples. Fig. 7 Le R&S SFQ affiche tous les paramètres sur un écran. Les générateurs de signaux test Rohde & Schwarz pour l ISDB-T Rohde & Schwarz propose la nouvelle norme de modulation numérique dans deux familles de produits. Modèle éprouvé, le générateur de signaux test R&S SFQ [3] peut être étendu de l option Codeur ISDB-T (SFQ-B26). Le R&S SFQ est un appareil multinorme surtout destiné au développement des «settop-boxes». Composée jusqu à présent de cinq modèles différents [4], la série R&S SFL s étoffe du modèle R&S SFL-I qui couvre principalement des applications en production. Le codeur ISDB-T nouvellement développé est à fort degré d intégration et, à l instar des Des trames de 204 symboles OFDM sont alors formées par insertion de porteuses pilotes. Selon le mode et la modulation sélectionnée, le module insère ensuite des porteuses pilotes, des porteuses Actualités de Rohde&Schwarz 35 N o 177 (2003/I)

5 Digital signals for antenna, satellite and cable Wide output frequency range from Antenna DVB-T Internal fading simulator 0.3 MHz to 3300 MHz 2K and 8K COFDM 6 or 12 paths Large output level range for transmission, receiver and module measure- Hierarchical coding Rice, Pure Doppler, Log Normal 6/7/8 MHz bandwidth Profiles: Constant Phase, Rayleigh, ments Antenna ATSC Predefined and user-defined profiles Standard DVB, DTV signals and 8VSB FM satellite signals Cable DVB-C Internal noise generator for high-precision C/N settings Several standards in one unit Selectable QAM (quadrature amplitude modulation):16, 32, 64, Internal BER measurement facility for Satellite FM PAL, SECAM, NTSC 128, 256QAM all digital modulation modes (DVB-C, FM and ADR sound subcarrier Satellite DVB-S DVB-S, DVB-T, 8VSB, J.83B) Flexible input interfaces Selectable puncturing rate for Output and input for I/Q signals ASI QPSK (quadrature phase shift SPI keying) SMPTE310 Cable J.83B Selectable QAM (64, 256 QAM) Digital signals for use in production Various optimized models: Standard-conformant DVB and DTV SFL-T for DVB-T standard signals SFL-V for ATSC/8VSB standard Wide output frequency range from SFL-J for ITU-T J.83/B standard 5 MHz to 1100 MHz Antenna DVB-T Large output level range for broadcast 2k and 8k COFDM and receiver measurements Operating parameters variable in a 6 MHz, 7 MHz and 8 MHz wide range QPSK, 16QAM, 64QAM Internal test signals Antenna ATSC Special signals and error signals for 8VSB limit testing and troubleshooting Cable ITU-T J.83/B 64QAM, 256QAM Data interleaver level 1 and level 2 For use in production environments: Wear-free electronic attenuator Fast setting times Flexible input interfaces SPI ASI SMPTE310 I/Q input for external signals Sweep mode for frequency and level User-defined correction tables RADIODIFFUSION autres codeurs de cette famille de produits, est logé sur une seule carte. Les composants FPGA utilisés autorisent une réaction extrêmement souple aux éventuelles modifications ou extensions de la norme. Une simple mise à jour du logiciel permet l actualisation continue de cette famille de produits. Les générateurs de signaux test R&S SFQ et R&S SFL se distinguent par une commande manuelle remarquable. Le R&S SFQ dispose de la commande par touches habituelle, le R&S SFL offre une «rollkey» pratique. L afficheur de grande dimension du R&S SFQ (fig. 7) visualise tous les paramètres de commande pertinents et aisément réglables. Ces deux appareils peuvent être télécommandés via le bus IEEE 488 et l interface série RS-232-C. Autres informations et fiches techniques : (mot-clé : SFQ ou SFL) Possibilités de simulation Le générateur de signaux test TV R&S SFQ délivre un signal RF conforme en tous points à la norme. Un générateur de signaux test doit cependant être aussi en mesure de simuler des conditions de transmission réelles. Conçu en générateur de stress, le R&S SFQ autorise des tests aux limites de la spécification et même au-delà. Il est ainsi possible d intervenir sur la phase et sur l amplitude du modulateur I/Q pour simuler une partie réception mal réglée. Un générateur de bruit permet d imiter des conditions de réception réelles. La détermination des courbes caractéristiques BER des récepteurs ISDB-T utilise la puissance de bruit réglable avec précision. Il est enfin possible de déterminer le point END, qui est une grandeur importante d un récepteur. Le simulateur de fading optionnel sur le R&S SFQ se prête tout spécialement à la simulation des conditions de réception terrestres, qui comprennent entre autres les réflexions en environnement défavorable et le mouvement propre d un récepteur mobile. Le générateur de signaux test TV R&S SFL dispose d un générateur de bruit numérique optionnel lui permettant d effectuer les mêmes mesures que le R&S SFQ. Il est prévu pour ces deux appareils une option BER qui utilise le taux d erreurs binaires (BER) pour analyser la qualité du dispositif testé. Cette solution offre un encombrement extrêmement faible car, hormis le générateur, elle n exige aucun autre appareil. Conclusion Avec le codeur ISDB-T, le R&S SFQ prouve une nouvelle fois son évolutivité universelle. Cet appareil s utilise pour toutes les normes en offrant des possibilités de simulation étendues, comme celles exigées dans le développement, la maintenance et le contrôle de qualité. Version économique, le R&S SFL représente avec son générateur de bruit numérique optionnel le bon choix pour la production. Ces appareils s adaptent en continu aux évolutions par une simple mise à jour du logiciel. Peter Schmidt ATSC TV Test Transmitter SFQ TV Test Transmitter SFL Fiche technique R&S SFQ Fiche technique R&S SFL BIBLIOGRAPHIE [1] Norme ISDB-T : ARIB STD-B31 [2] Aperçu des spécifications relatives à l ISDB-T : de-2/shosai-e.html [3] Générateur de mesure TV R&S SFQ : Signaux à la norme TV numérique par câble IUT-T / J.83B. Actualités de Rohde & Schwarz (2001) N 170, p [4] Générateur de mesure TV R&S SFL Cinq spécialistes de la production : pour toutes les normes numériques. Actualités de Rohde & Schwarz (2001) N 172, p Résumé des caractéristiques R&S SFQ avec option codeur ISDB-T (-B26) Gamme de fréquence 0,3 MHz 3,3 GHz Gamme de niveau 99 dbm +4 dbm Entrées de données ASI, SPI, TS PARALLEL+AUX Options Codeur (pour plusieurs normes), Fading, BER, générateur de bruit, diversité Télécommande IEC-625 (IEEE 488) et RS-232-C Résumé des caractéristiques R&S SFL-I Gamme de fréquence 5 MHz 1,1 GHz Gamme de niveau 140 dbm 0 dbm Entrées de données ASI, SPI Options BER, générateur de bruit numérique Télécommande IEC-625 (IEEE 488) et RS-232-C 36