DIGISAT. Dossier de Présentation

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1 DIGISAT Dossier de Présentation A : Création et distribution de l image analogique...2 B : Création et distribution de l image numérique...4 C : Numérisation de la source...5 C-1 : Numérisation des signaux analogiques...5 C-2 : Comparaison entre la SDTV et la HDTV...5 D : Techniques de codage utilisées en télévision numérique ( norme de codage MPEG-2 )...6 D-1 : La Compression de l image...6 D-2 : La compression par estimation du mouvement...7 D-3 : Les performances atteintes par les procédés de codage de source sont les suivantes :...9 D-4 : Compression du son...9 D-5 : Multiplexage...10 E : Codage de canal et modulation en DVB-S...11 E-1 : Caractéristique du support de diffusion...11 E-2 : Contexte économique et multiplexage...11 Exemple de multiplex :...11 E-3 : Transmission Vidéo et bruit...12 E-4 : Le modulateur...12 Tableau 1 : Bandes passantes et débits possibles...14 Tableau 2 : BER en relation avec le rapport énergie moyenne par bit à bruit (après démodulation)...14 F : Les satellites...15 F-1 : Schéma fonctionnel du satellite...15 F-2 : Zones de couverture des satellites géostationnaires HOT BIRD 2,3 et G : La Réception...15 G-1 : L installation chez l usager...15 G-2 : Schéma synoptique simplifié d un LNB et caractéristiques...16 G-3 : Le récepteur DIGISAT...16 G-4 : Les caractéristiques du récepteur DIGISAT...18 PRESENTATION 1

2 Positionnement du problème : En France les bouquets "satellite" ont été lancés en 1996 (TPS et Canal Satellite). Ces systèmes utilisent des satellites géostationnaires, ce qui permet à l usager d avoir des antennes fixes. Canal Satellite utilise un satellite Astra à 19 Est et TPS un satellite Eutelsat Hot Bird à 13 Est. La télédiffusion directe par satellite est une activité en forte croissance. Nous avons décidé de nous intéresser à ce mode de diffusion en se concentrant sur la transmission des images numériques, ce qui nous permettra, par la suite, de dimensionner une installation de réception et d analyser la structure d un décodeur satellite. Pour comprendre ce qu il se passe au niveau de la télévision numérique, il est important d'examiner comment les signaux de télévision sont acheminés depuis leur lieu de production jusqu'au téléspectateur. A : Création et distribution de l image analogique Le diagramme conceptuel qui suit illustre de façon simplifiée les opérations effectuées dans les différents maillons de la chaîne de l'image dans un contexte analogique, La phase de production englobe l'ensemble des opérations de préparation d'un programme de télévision : la saisie des composantes de programme image et son. En sortie de la caméra, le signal vidéo se présente sous la forme de 3 composantes RVB analogiques. Le son se présente sous la forme d'un signal analogique mono ou stéréo en bande de base. les traitements de production englobent le montage, le mélange ou l'incrustation de plusieurs signaux vidéo. Ces traitements peuvent s'appliquer sur des signaux produits localement ou à distance tels que des reportages ou des programmes provenant d'autres sites de production. le codage des composantes audio et vidéo sous une forme qui soit "transportable" et "diffusable". Les procédés NTSC, PAL et SECAM permettent de réaliser cela par codage et multiplexage des trois composantes vidéo RVB en incorporant le signal audio. Le signal "composite" résultant transporte un programme de télévision prêt à être diffusé. D'autres opérations telles que l'insertion de données (télétexte) dans les intervalles de "suppression trame" du signal vidéo ou l'embrouillage du signal composite dans les systèmes à péage peuvent être réalisées en aval du studio de production. La phase transport assure l'acheminement des programmes vers les points de diffusion. Différents supports de transmission tels que le câble, la fibre optique ou les faisceaux hertziens sont utilisés. Ce segment "transport" peut se réduire à une simple connexion locale si les lieux de production et de diffusion sont proches. PRESENTATION 2

3 La phase de diffusion recouvre l'ensemble des opérations de conditionnement des signaux composites avant leur diffusion sur les supports hertziens terrestres 1, satellite 2, et câble 3. En hertzien terrestre et sur le câble, les programmes sont diffusés dans les bandes VHF et UHF où un canal de 8MHz ( 6 MHz aux USA) est attribué à chaque programme. Par satellite, chaque programme occupe une largeur de bande qui est de 27, 33 ou 36 MHz. Les opérations suivantes sont réalisées sur les signaux composites avant diffusion : modulation d'amplitude à bande latérale résiduelle (câble et hertzien terrestre) ou modulation de fréquence (satellite). transposition fréquentielle de la bande de base vers la bande du canal alloué. amplification puis filtrage. Le système de diffusion analogique attribue à chaque chaîne de télévision un canal de diffusion (bande de fréquence). Enfin, à l'autre bout de la chaîne, le récepteur réalise les opérations inverses pour livrer aux organes de visualisation ( tube cathodique, écran plat... ) et de restitution sonore les signaux analogiques de chaque composante RVB et de la composante sonore. Ces opérations sont les suivantes : sélection du signal diffusé dans le canal qui lui a été alloué, puis transposition de fréquence en bande de base. démodulation. décodage NTSC, PAL ou SECAM. amplification des composantes vidéo RVB et de la composante son à destination du tube cathodique et des haut-parleurs. Grandeurs caractéristiques pour la diffusion de la télévision analogique en Hertzien. Pour obtenir une "image télé", il faut 625 lignes. Une image est composée de deux "trames" comportant chacune 312 lignes et demi. Chaque ligne a une durée de 64 µs ( entre chaque "tops" lignes ). Sur 20ms, nous verrons une "trame" soit 312,5 lignes. Un signal vidéo composite se compose de : la luminance qui porte les niveaux de gris ( souvent appelée signal Y ) ; les "tops" de synchro ligne et trame des informations de couleur ajoutées au signal Y qui déterminent le standard "chroma", en France, on utilise le SECAM, mais en production on utilise le PAL. Le codage "chroma" consiste à créer deux signaux R-Y et B-Y ( ou E'r et E'b ) qui moduleront chacun une porteuse de fréquence différente. En SECAM, on utilise la modulation BLA ( à bandes latérales atténuées ) pour moduler, par le signal Y, la porteuse "vision " et la modulation de fréquence pour moduler les porteuses "chroma" : 4,406 Mhz modulé par R-Y et 4,250 Mhz modulé par B-Y. 1 Les faisceaux Hertziens : Le système de télévision analogique fonctionne essentiellement grâce à des signaux transmis dans les bande V.H.F. et U.H.F.. Aujourd hui, on commence à faire de la Télévision Numérique sur ces faisceaux, avec les inconvénients propres à ce mode de diffusion tels le bruit et les réflexions multiples. 2 Le satellite : La télévision par satellite est un système de télévision où la diffusion des programmes est assurée à partir d'un satellite géostationnaire qui est situé à environ Km de la terre. Le signal de télévision est transmis vers la terre dans la bande Ku et reçu par des antennes paraboliques individuelles de 0.40m à 1.50m de diamètre pointées vers le satellite. Le satellite est un répéteur qui reçoit des informations émises à partir de la terre, il les diffuse vers une région terrestre de grande surface (au moins l équivalent de la France). 3 Le câble :Du point de vue physique, le câble est un lien qui permet d interconnecter les composants d un système. Aujourd'hui, la plupart des réseaux câblés en France sont en fibre optique. Les fibres sont réalisées à partir de silice ou de fibre plastique. Elles transportent l information par l intermédiaire de rayons optiques. La télévision par câble utilise les réseaux câblés par des câblo-opérateurs qui commercialisent une offre "télé". PRESENTATION 3

4 Les canaux occupent un espace spectral de 8Mhz. Les porteuses "son" et "vision" sont espacées de 6,5 Mhz. Les bandes 1 et 3 correspondent à la VHF (L'), qui comprend les canaux 2 à 4 et 5 à 10. Les bandes 4 et 5 correspondent à l'uhf (L), qui comprend les canaux 21 à 69. B : Création et distribution de l image numérique Historiquement, la numérisation du signal vidéo a d'abord eu lieu dans la phase de la production. Elle a permis d'effectuer des traitements de production de plus en plus complexes tout en évitant la dégradation des signaux. Les techniques numériques ont ensuite été appliquées à l'échange des programmes de télévision entre studios. Il est alors apparu nécessaire de comprimer les signaux vidéo numériques qui avaient initialement un débit brut de 2l 6 Mbit/s pour les transmettre sur des voies de télécommunication offrant des débits de 34 Mbit/s à 140 Mbit/s. La phase de production nécessite de la qualité pour réaliser les opérations de traitement demandées par les opérateurs des programmes, pour cela il a été difficile de comprimer à des débits inférieurs à 34 Mbit/s. Par contre, pour le téléspectateur, une fois les opérations de traitement effectuées, les exigences de qualité sont moindres et il est alors possible de pousser la compression à des débits inférieurs. Pour acheminer un grand nombre de programmes sous forme numérique et se donner la possibilité d offrir des services plus importants aux téléspectateurs il était nécessaire d atteindre des débits compris entre 4 et 8 Mbit/s. C est l'objectif qui a été atteint par le groupe de normalisation " MPEG 4 ". La seconde étape a consisté à diffuser dans les canaux existants les programmes numériques. Des techniques dites de modulation numérique propres à chacun des supports de diffusion ont été développées. Ces techniques permettent aujourd'hui de diffuser des flux binaires entre : 20 et 45 Mbit/s dans un canal satellite; 25 et 40 Mbit/s dans un canal câble ; 8 et 25 Mbit/s dans un canal hertzien terrestre. On constate que les procédés de modulation numérique permettent d'acheminer plus d'un programme par canal. Pour exploiter au mieux cette possibilité, il apparaît nécessaire d'introduire dans le segment transport un multiplexeur de programmes chargé d'en effectuer le regroupement. Les codeurs vidéo et audio, le multiplexeur de composantes, le multiplexeur de programmes et le modulateur numérique viennent compléter la chaîne de distribution de l'image analogique pour donner naissance à la chaîne de distribution de l'image numérique dont le schéma conceptuel est illustré par la figure suivante : 4 MPEG signifie Moving Picture Experts Group PRESENTATION 4

5 C : Numérisation de la source La numérisation 5 des images consiste à faire correspondre au signal de télévision un certain nombre de points (ou pixels pour "picture éléments") eux-mêmes représentés par plusieurs bits. Les paramètres de numérisation de la télévision font l'objet d'un standard international du Comité Consultatif International de Radiodiffusion (CCIR) depuis le début des années 80. Une image de télévision (SDTV) est, selon ce standard, représentée par 625 lignes (576 lignes actives) et 720 points par ligne dans le système européen à 50 trames par seconde (soit 25 images). La télévision à Haute Définition (HDTV) est par ailleurs un standard de plus haute résolution avec 1920 points par ligne, 1152 lignes et un format 16/9 en Europe. C-1 : Numérisation des signaux analogiques Définition des fréquences d'échantillonnage des signaux analogiques pour plusieurs niveaux de qualité : Le niveau standard, utilisé par la majorité des équipements vidéo en studio (SDI) est le 4:2:2. Il est transporté par l'interface numérique série à 270 Mbits/s et disponible dès la sortie de la caméra. La dénomination 4:2:2 indique avec quel multiple d'une fréquence unitaire seront échantillonnés les signaux de luminance et de chrominance. Cette fréquence unitaire commune aux systèmes 625 et 525 lignes est de 3,375 MHz. Le multiplexage des signaux Y, Cr et Cb aux fréquences d'échantillonnage de 13.5 MHz, 6.75 MHz et 6.75 MHz donne une fréquence d'horloge de 27 MHz pour chacun des 8 ou 10 bits. Le taux de transfert total est donc de 270 Mbits/s en 10 bits (27 x 10) et de 216 Mbits/s en 8 bits (27 x 8). Le débit utile, qui ne considère que la partie affichable de l'image, est de 207 Mbits/s en 10 bits et de 166 Mbits/s en 8 bits. 4:2:2 4:2:0 4:1:1 Fréquence d'échantillonage : Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz Fréquence d'échantillonage : Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 6,75 MHz une ligne sur 2 Fréquence d'échantillonage : Luminance : 13,5 MHz Chrominance : 3,375 MHz Echantillon de luminance et de chrominance Echantillon de luminance C-2 : Comparaison entre la SDTV et la HDTV HDTV SDTV Fréquence trame Lignes actives Pixels actifs Balayage Entrelacé Entrelacé Débit net 885 Mbit/s 166 Mbit/s 5 Résolution de quantification pour diffusion : 8 bits ; Résolution de quantification pour travail en studio : 10 bits PRESENTATION 5

6 D : Techniques de codage utilisées en télévision numérique ( norme de codage MPEG-2 ) D-1 : La Compression de l image Le codage de source consiste à réduire le débit des images à la plus faible valeur possible tout en maintenant une qualité subjective acceptable par les téléspectateurs. Le codage MPEG2 consiste en la mise en oeuvre des outils JPEG utilisés sur les images fixes associés à une technologie d estimation du mouvement. Schéma d un compresseur JPEG : Le signal de télévision est formé d'une succession d'images dans le temps. La réduction du débit est fondée sur le fait qu'à l'intérieur des images et entre des images successives il existe des redondances. Les techniques de réduction de débit comprennent donc : une phase qui exploite la redondance spatiale interne à une image. Le codage spatial se repose sur les similitudes entres les pixels d une image et sur les fréquences spatiales dominantes de la région traitée; une phase qui exploite la redondance temporelle entre images successives. Celle-ci est réduite en premier en utilisant les similitudes entres les images successives ; un codage à longueur variable. D-1-1 : la D.C.T L'algorithme "intra-image" le plus connu utilise la Transformation en Cosinus Discrète (DCT : Discrete Cosine - Transform). Il consiste essentiellement à diviser l'image en blocs de 8x8 pixels et à transformer les 64 échantillons de luminance (ou de différences de couleur) obtenus en 64 coefficients par Transformation en Cosinus Discrète. Ces 64 coefficients ont un débit supérieur aux 64 échantillons. La réduction de débit résulte du fait que beaucoup de ces coefficients (en particulier ceux qui correspondent aux fréquences élevées) sont proches de zéro et ne sont donc pas transmis. Les coefficients non nuls peuvent être quantifiés sur un nombre restreint de bits et le flux de données série est constitué par une lecture en zigzag du tableau sans dégradation perceptible de la qualité. L'écriture de la DCT est : F(u, v) 2 N N 1 N 1 = c( u). c( v) π 1 π 1 Img(x, y).cos u x +.cos v y + N 2 N x= 0 y= 0 2 PRESENTATION 6

7 La transformation inverse est donnée par : Img( x, y) 2 N N 1 N 1 = π 1 π 1 c( u). c( v).f(u, v).cos u x +.cos v y + N 2 N u= 0 v= 0 2 où c ( 0) = ( 2) c( w) = 1/ 2 1pour w = 1,2,..., N -1 On se ramène dans le cadre de la compression JPEG utilisée en MPEG à N=8 F(i, j) 2 N N 1 N 1 = c( i). c( j). + Img(x, y).cos 2N ( 2x 1) iπ ( 2y 1) +.cos x= 0 y= 0 2N j π D-1-2 : Le codage Le codage à longueur variable est réalisé d abord par un codage "entropique" suivi d un codage de Huffman. Le codage de Huffman exploite les propriétés statistiques des coefficients quantifiés pour diminuer le débit de transmission en utilisant des mots courts pour représenter les évènements les plus probables et des mots plus longs pour les occurrences rares. H(X) est l'entropie du codage, elle est le nombre moyen de bits pour coder chaque symbole. Elle s exprime en bits/symbole : L X H ( X ) = p ( i)log p ( i ou (i) représente la probabilité d'apparition du symbole i i= 1 x 2 x ) p x D-2 : La compression par estimation du mouvement Pour réduire la redondance inter-image, on utilise la plupart du temps un algorithme de "prédiction compensée" en mouvement. Cet algorithme procède de la façon suivante : deux images successives comportent des parties très semblables qu'il est inutile de transmettre deux fois. A cet effet on repère, pour chaque bloc de l'image courante, le bloc le plus semblable de l'image précédente : cela réalise une prédiction du bloc courant. On transmet alors, en mode inter-image, la différence entre le bloc courant et sa prédiction ainsi que le vecteur Indiquant la position du bloc de prédiction, ( car en cas de mouvement des objets constituant l'image, le bloc de prédiction n'a pas nécessairement les mêmes coordonnées spatiales que le bloc courant ). Recherche du vecteur de mouvement : Si le contenu d une trame est simplement une version déplacée du contenu de la trame précédente, on transmet le vecteur de mouvement Recherche du vecteur sur 16 x 16 pixels : on déplace un "macrobloc" de la trame courante au voisinage de cette position dans la trame précédente pour trouver le plus ressemblant Ce vecteur de mouvement s applique à Y, Cb et Cr pour le "macrobloc" PRESENTATION 7

8 D-2-1 : Procédure d estimation de mouvement 1. Calcul du vecteur de mouvement 2. Déplacer le "macrobloc" de l image N grâce au vecteur pour former l image prédite N Comparer l image prédite (N+1) avec l image actuelle N 4. Envoyer l erreur de prédiction avec le vecteur de mouvement D-2-2 : Organisation d une séquence vidéo Les images d une séquence sont organisées en groupes d images : GOP ( group of pictures ) longueur : nombre d images entre 2 images de type I ( typique: N=12 ) ; nombre d images entre 2 images type P ( DVB: M=3 ). Pour coder un groupe d images, nous devons utiliser une trame complète (appelée trame Intra, I) comme base de codage des autres trames. Il y 3 types de trames : images I (Intra) : codées sans prédiction, elles servent de référence, la taille moyenne du message est de 1000 kbit; images P (Prédites) : définies à l aide de vecteurs de mouvements à partir des images passées. la taille moyenne du message est de 300 kbit; images B (Bidirectionnelles) : interpolées à partir d images passées et futures de type I et/ou P. la taille moyenne du message est de 100 kbit; Structure d un groupe d image N = 12 et M = 3 (standard DVB). Résumé du découpage d une séquence vidéo. 1. Séquence vidéo : ensemble de GOP ; 2. GOP : permet l accès aléatoire dans la séquence avec I comme 1ère image, la durée moyennes est de 480ms ; GOP de 12 images : 1xI, 3xP, 8xB : I B B P B B P B B P B B I B B P 3. Image : pour l affichage de l élément de référence I de chaque GOP ; 4. Tranche (slice) : permet d accéder à l adressage d une ligne de macrobloc dans l image 5. Macrobloc: ensemble de 16x16 pixels sur lequel nous appliquons la prédiction avec compensation de mouvement 6. Bloc : ensemble de 8x8 pixels sur lequel nous appliquons la DCT PRESENTATION 8

9 Composition d un "macrobloc" en fonction du format de transmission ( Norme ISO/IEC ) D-2-3 : Ordre des opérations dans la compression MPEG2 Images P et images B : la prédiction se fait avant la D.C.T., le débit est faible Images I : l image est complète, le débit est important D-3 : Les performances atteintes par les procédés de codage de source sont les suivantes : Exemple de réduction en SDTV Facteur de compression passage d une résolution de 10 bits à 8 bits ( codage transport versus studio ) 1,25 échantillonnage au format ( par rapport au codage ) 1,33 DCT par blocs de 8x8 pixels avec quantification, lecture en zigzag et codage 8 Estimation de mouvement 4 total 53,2 Format d image Débit avant Codage Débit après Codage HDTV 885 Mbit/s Mbit/s SDTV 166 Mbit/s 2-6 Mbit/s D-4 : Compression du son Les procédés de compression ont donné, dans ce domaine, des résultats aussi spectaculaires que dans celui de l'image. Le procédé MUSICAM utilise les propriétés acoustiques de l'oreille pour comprimer le débit d'un signal sonore stéréo de 3072 Kbit/s à 192 Kbit/s avec une qualité similaire à celle offerte par le disque compact. Ce système a été normalisé sous le nom de ISO/IEC MPEG-Audio Layer II. Le débit obtenu après la compression audio varie de 32 kbit/s à 384 kbit/s. PRESENTATION 9

10 D-5 : Multiplexage La spécification MPEG-2 Systems [3] décrit comment les composantes de programmes ou les programmes qui se présentent sous ta forme de flux élémentaires numériques ( "Elementary streams" ) sont "mutiplexés". Outre la fonction de multiplexage proprement dite, le multiplexeur réalise l'insertion des informations suivantes : références temporelles pour assurer la synchronisation des différentes composantes de programme après décodage dans le récepteur. tables d'informations de service relatives aux composantes de programme, à la structure du "multiplex" ainsi que certaines informations nécessaires à l'acheminement du "multiplex" sur le segment du transport. informations pour le contrôle de l'embrouillage des programmes ou composantes de programme à accès conditionnel. enfin, des flux de données spécifiques à certaines applications. La première opération du multiplexeur est de convertir les flux binaires des composantes de programmes en des flux élémentaires de paquets ( Packetised Elementary Streams ou PES ). Un paquet est constitué d'un en-tête qui indique en particulier la composante à laquelle appartient le paquet, la longueur du paquet et les références temporelles pour le décodage et la présentation du paquet ainsi que d'une partie à longueur variable contenant le flux élémentaire proprement dit. Les PES sont organisés ensuite en deux sortes de flux suivant l'utilisation qui en est faite : le flux "programme" ( Programme Stream ) utilisé pour le stockage ou le travail d arrangement informatique. le flux "transport" ( Transport Stream ) utilisé pour le transport et la diffusion. Ce dernier est une succession de paquets de 184 octets précédés chacun d'un en-tête de 4 octets qui identifie le flux élémentaire ( Packet Identifier ou PID ) contenu dans le paquet ainsi que l'ordre de succession des paquets. Les P.C.R. Program Clock Reference sont les éléments primordiaux de la synchronisation. Ils sont émis dans les T.S. ( Transport Stream ) à une cadence de 20 fois par seconde dans un champ de l Adaptation Field. Le décodeur pourra ainsi asservir son horloge locale de 27 MHz par comparaison entre la valeur du compteur envoyé et la valeur prise par le compteur local. Le flux de transport permet de véhiculer plusieurs programmes. Dans ce flux, les informations contenues dans chaque paquet sont identifiées par un numéro de "PID". Le récepteur doit pouvoir associer un programme à chaque "PID". Il est prévu pour cela de transmettre la table de programme ( Programme Map Table ) qui associe à chaque programme les "PID" des composantes associées. Une table dite d'accès conditionnel ( Conditional Accès Table ) informe le récepteur sur le système d'embrouiliage utilisé par les programmes à accès conditionnel et fournit les valeurs des "PID" contenant les mots de contrôle (Entitlement Checking Message ou ECM) ainsi que les clés de chiffrage ( Entitlement Management Messages ou EMM ) destinés à l'équipement de désembrouillage. Le débit nécessaire à la transmission de ces tables est supérieur à 1 Mbit/s. PRESENTATION 10

11 E : Codage de canal et modulation en DVB-S E-1 : Caractéristique du support de diffusion Les canaux "satellite" sont disposés dans la bande Ku. Les flux d information montants (terre vers satellite) sont dans une bande comprise entre 14 et 14.5 GHz, les flux descendants sont compris entre 10.7 et 11.7 GHz ainsi qu entre 12.5 Ghz et Ghz. Du point de vue de la propagation des ondes à ces fréquences, seulement 2 régions de l atmosphère ont une influence : la troposphère (de 0 à 15 km) et l ionosphère (de 70 à 1000 km). Les régions avec maximum d influence se trouvent près de la surface de le Terre pour la troposphère et à une altitude d environ 400 km pour l ionosphère. Il y a peu d'interférences avec les systèmes terrestres mais la pluie et la neige (troposphère ) sont la cause de phénomènes d absorption et de dépolarisation. Les pertes équivalentes à ces phénomènes peuvent être importantes ( environ 7 db). Ces bandes de fréquence sont généralement affectées de bruit blanc gaussien. Les signaux présentent une forte non-linéarité provoquée par les tubes à ondes progressives utilisés pour l'amplification des signaux à bord du satellite. Pour optimiser la puissance diffusée tout en évitant les distorsions on choisit un type de modulation qui produit un signal à enveloppe quasi constante. D'autres sources d'interférences proviennent des émissions sur les canaux adjacents ou sur les mêmes canaux avec une polarisation orthogonale. Les canaux présentent une large bande de ou 36 MHz qui autorisent des modulations à forte robustesse. Pour pouvoir émettre plus de chaînes dans une même bande de fréquence, lors de l'émission par le satellite, les ondes électromagnétiques sont polarisées "verticalement" ou "horizontalement". La densité d'onde porteuse est importante, on utilise donc les deux polarisations en alternance. Pour une porteuse de fréquence F 1 polarisée horizontalement, la porteuse de fréquence F 2 immédiatement supérieure sera polarisée verticalement. La porteuse immédiatement supérieure sera de nouveau polarisée horizontalement, etc. E-2 : Contexte économique et multiplexage Les opérateurs de télévision louent des canaux de transmission pour diffuser leurs chaînes, chaque canal est loué pour une somme voisine de 4 millions d Euros par an. Chaque opérateur a le soucis de diffuser un maximum de programmes en un minimum de débit, une contrainte importante pour lui est de garder une qualité optimale. Une réduction de débit ferait apparaître des gels d image importants qui montreraient les limites du codage MPEG. La solution adoptée est que chaque programme utilise un débit approprié à la complexité de l'image en cours de diffusion. Par exemple pendant une rencontre sportive (handball, etc.) il y a du mouvement, le débit de la chaîne monte rapidement à 6 Mbit/s et lorsque l on montre une chaîne d information avec le présentateur quasiment en image fixe, il descend à 2 Mbit/s. Les deux situations peuvent s inverser et l assemblage de ces deux chaînes nécessite un suivi séquence par séquence. Le multiplexage temporel utilisé est appelé «Multiplexage Statistique». Dans la plupart des cas le diffuseur donne le SR (Symbol Rate) du multiplex. En Multiplexage Statistique, le débit d'un codeur n'est plus fixe mais alloué dynamiquement en fonction de la complexité de l'image à coder. En pratique on alloue un débit total à un ensemble de codeurs qui "alimentent" le même multiplexeur. A chaque image, chaque codeur calcule la complexité de l'image courante et fait une demande d'allocation de débit au gestionnaire du multiplexage statistique. Celui ci examine toutes les demandes et renvoie à chaque codeur la valeur du débit qu'il peut utiliser. Ce système optimise l'utilisation du débit dans un multiplex et permet une amélioration globale des programmes. Exemple de multiplex : Satellite: Hot Bird 4/6 at 13.0 E Freq.Typ : MHz Polarisation : V SR: FEC: 2/3 LCI France 5 France 2 EuroSport France France 3 Sat Paris Première ARTE Français I>Télé!!! PRESENTATION 11

12 E-3 : Transmission Vidéo et bruit Le multiplex numérique de transport décrit précédemment doit, avant diffusion, être transformé en une forme d'onde et garantir que le signal vidéo fortement compressé puise être reconstitué. Pour cela, à la réception, il est nécessaire de garantir que le flux transmis au décodeur MPEG2 soit quasi-complet (le taux d erreur autorisé sur les bit transmis sera très faible BER 6 = ). A l émission, nous devrons convertir le flux binaire en un flux "durci" résistant aux erreurs de transmission puis convertir de nouveau ce flux en un signal analogique dont les caractéristiques permettent une diffusion de la meilleure qualité possible. E-4 : Le modulateur Le flux d'éléments binaires à l'entrée du modulateur se présente sous la forme de paquets de transport MPEG-2. Le dispositif de codage canal effectue les 4 opérations suivantes: dispersion de l'énergie des paquets de transport par une séquence pseudo aléatoire : l objectif est d éviter les longues suites de «0» et de «1» de façon à ce que le signal ait une énergie uniformément répartie sur le canal de transmission, ceci est obtenu par le brassage des données par une séquence pseudo aléatoire : 6 BER : «Bit error ratio» soit taux d erreur binaire, par exemple un BER de 0,1 % correspond à une erreur binaire qui se produit lors d une mesure effectuée pendant une seconde avec une vitesse de transmission de 1000 bits/s. PRESENTATION 12

13 codage externe assurant la protection de chaque paquet par un code en bloc REED-SOLOMON raccourci RS[ ], il sert à corriger au plus 8 octets erronés par les erreurs introduites dans le canal de transmission. Il rajoute 16 octets aux octets d information : entrelacement externe, cela sert à réaliser un entrelacement temporel convolutif des octets en modifiant l ordre initial de façon à segmenter l erreur et à rendre le codage Reed-Solomon plus efficace à la réception Les polynôme générateur est P(X) =1+ X + X + X + X + X un codage interne "convolutif" réalisé par un code de VITERBI poinçonné. C est un codage complémentaire 4 au Reed-Salomon dont l objectif est de garantir un taux d erreur BER = lors de la réception du message avant le passage par le décodeur Reed Salomon. Ce codage permet aussi de faire une opération de poinçonnage selon une séquence définie à l avance sur les bits en sortie et de ne pas transmettre tous les bits. Dans la norme DVB, on spécifie souvent le FEC qui est le produit de R C ( Inner Code Rate ) par r RS (188/204). Souvent, r RS est considéré égal à 1, on confond donc le FEC et R C. Cette grandeur représente donc le rapport entre le débit utile ( flux MPEG ) et le débit brut lié à RS ( Symbol Rate ). La modulation utilisée est du type QPSK. C est une opération qui consiste à construire des groupes de deux éléments binaires (ou symboles) et à faire correspondre à chaque symbole la phase d'un point de la constellation à 4 points (QPSK). Cela permet de coder 2 bits par point. Après le codage binaire, on dispose des coordonnées I et Q d'un point de la constellation correspondant à un symbole. Pour éviter les interférences inter-symboles à la réception, les signaux I et Q sont alors filtrés par un filtre en cosinus surélevé (filtrage de Nyquist) puis utilisés pour moduler une porteuse. Ces opérations de filtrage et de modulation peuvent s'effectuer en numérique ou en analogique. La fonction de transfert du filtre en Cosinus Surélevé est donnée dans le Document Annexe 2. PRESENTATION 13

14 Caractéristiques des paramètres de modulation du système satellite (DVB-S) : Norme EN V1.1.2 ( ) séquence pseudo aléatoire de dispersion d'énergie : 1+ X + X ; Code externe : RS[ T=8] ; Entrelacement externe Forney(l=12); Code interne Convolutif ou FEC: R C = FEC = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 ; Types de constellations : QPSK ; Roll-off du filtre de Nyquist : 35% ; Tableau 1 : Bandes passantes et débits possibles Rs : (symbol Rate) débit des symboles transmis en «Mbaud» Ru : (useful bit Rate after MPEG-2 transport multiplexer) débit utile en «Mbits/s» Tableau 2 : BER en relation avec le rapport "énergie moyenne par bit à bruit" ( après démodulation ) Eb/No est le rapport énergie moyenne par bit au bruit. Eb est l'énergie par bit ( P puissance du signal et D le débit binaire, dans ce cas P = D Eb ). No = kto est la densité spectrale "monolatérale" de puissance de bruit en Watt/hz avec k constante de Boltzmann (1, ) et To température de bruit en Kelvin. PRESENTATION 14

15 F : Les satellites Les communications par satellite utilisent ceux-ci comme relais hertziens : comme tout corps céleste, les satellites obéissent aux lois de Kepler. Les satellites géostationnaires ont une orbite située à km au-dessus de l équateur, à cette distance la durée d une révolution est de 24 heures. L'orbite est extrêmement encombrée et l'on trouve presque un satellite tous les deux degrés. L'avantage de cet orbite est le fait que le satellite reste fixe par rapport à la Terre (pas d effet Doppler) et qu'il n'est pas nécessaire de le poursuivre au moyen d'antennes mobiles au sol. L'avantage vient aussi du fait que l'altitude du satellite étant très élevée (environ km), ce dernier "voit" environ 42% de la surface de la Terre. F-1 : Schéma fonctionnel du satellite F-2 : Zones de couverture des satellites géostationnaires HOT BIRD 2, 3 et 4 G : La Réception G-1 : L installation chez l usager L installation nécessite une parabole avec en son foyer une tête de réception appelée L.N.B ( "Low Noise Block Converter" ). Le LNB convertit la bande de fréquence du signal émis par le satellite en une bande de fréquence en Fréquence intermédiaire ( BIS : Bande Intermédiaire Satellite ) utilisable par le démodulateur et amplifie le signal reçu. PRESENTATION 15

16 Une chaîne de réception satellite comporte au minimum un "LNB" mais elle peut aussi contenir deux "LNB" ou un positionneur d antenne et d autres éléments. Le câble de liaison (coaxial) qui permet la descente du signal reçu du satellite, sert aussi à alimenter les éléments raccordés et à les piloter. Pour cela on superpose, le signal descendant avec la tension d alimentation et des signaux de commande. Pour différencier les signaux de commande on utilise un protocole appelé «DiSEqC» G-1-1 : Information en direction de la tête de réception (LNB) n utilisant pas le protocole «DiSEqC» Choix de la bande de fréquence de réception : Elle est subdivisée en 2 bandes de fréquence en sortie : basse Mhz ( entrée entre 10,7 11,7 GHz) et haute Mhz ( entrée entre 11,7 12,75 GHz ), il faut commuter l oscillateur local à la bonne fréquence. Pour cela on utilise un signal de fréquence 0 / 22 khz qui permet de transmettre l ordre ; Choix du type de polarisation à utiliser (verticale ou horizontale). Cela se fait en changeant la valeur de la tension d alimentation du "LNB" Une valeur comprise entre +11,5 et +14,0 V correspond à la polarisation verticale. Une valeur comprise entre +16,0 et +19,0 V correspond à la polarisation horizontale. G-1-2 : Information en direction du positionneur utilisant le protocole «DiSEqC» positionnement de l antenne ; limites de déplacement du positionneur. Le protocole DiSEqC a été développé par Eutelsat : Organisation européenne de télécommunications par satellite. Il respecte les signaux de commande établis précédemment et utilise un porteuse à 22kHz modulée par un code binaire qui correspond à la commande à passer. G-2 : Schéma synoptique simplifié d un LNB et caractéristiques Le gain du LNB est important (50 à 60 db) et le rapport signal / bruit n excède pas 1 db. Les fabricants donnent le type d antenne qui correspond pour chaque LNB «offset» ou «Focus primaire». La commutation des deux bandes de fréquence en sortie : basse Mhz ( entrée entre 10,7 11,7 GHz ) ; haute Mhz ( entrée entre 11,7 12,75 GHz ) se fait par ton (signal 0 / 22 khz ). La commutation polarisation Horizontale / Verticale se fait par tension ( +16,0 +19,0 V / +11,5 +14,0 V ). La prise de raccordement en sortie (sortie BIS) est réalisée par un connecteur de type F. G-3 : Le récepteur DIGISAT A la réception, les opérations inverses à celles de la chaîne d'émission sont réalisées ( les documents sont issus de la documentation constructeur ). Synoptique du récepteur : PRESENTATION 16

17 Synoptique détaillé : Synoptique de la carte «Demodulation Board» : PRESENTATION 17

18 G-4 : Les caractéristiques du récepteur DIGISAT PRESENTATION 18