Inf.- und Kommunikationstechnik
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Elektrotechnik
DVB-S2-Standard für mehr Bandbreiteneffizienz
ep7/2008, 4 Seiten
Notwendigkeit des neuen Übertragungsstandards Der DVB-S-Standard ermöglicht mit dem Kompressionsverfahren MPEG-2, einem verschachtelten Fehlerschutz nach Viterbi und Reed-Solomon und einer 4-Phasenmodulation (4-PSK) die Übertragung von vier bis sechs Programmen pro Transponder in der Standardauflösung (SD: Standard Definition) von 720 horizontalen und 576 vertikalen Bildpunkten im Halbbildverfahren (interlaced). Beim hochauflösenden Fernsehen HDTV (High Definition TV) fallen zur Zeit bis 1920 horizontale und 1080 vertikale Bildpunkte in einem Bilddurchlauf (progressiv) 50 Mal pro Sekunde an. Mit DVB-S würde die Bandbreite eines Satellitentransponders deswegen für nur ein HDTV-Programm genügen. Aus diesem Grund wurde mit DVB-S2 ein neuer Übertragungsstandard entwickelt, der die Ressource-Frequenz effizienter nutzt. Er schafft mit dem Kompressionsverfahren MPEG-4/H.264 AVC (Advanced Video Coding) im ersten Schritt die Voraussetzungen für eine leistungsfähigere Codierung des Bildmaterials (Quellencodierung). Die bei HDTV an der Quelle (z. B. HDTV-Kamera) entstehenden, gewaltigen Datenmengen werden dadurch auf ein Maß „eingedampft“, das den heutigen Kapazitäten von Übertragungswegen und Speichermedien gerecht wird. In einem zweiten Schritt wird der Übertragungskanal mit Hilfe einer leistungsfähigeren Modulation sowie einer vorwärts gerichteten Fehlerkorrektur (Kanalcodierung) effizienter genutzt. Kompressionsverfahren Ein Wesensmerkmal des bei DVB-S2 angewandten MPEG-4-Kompressionsverfahrens ist die Zerlegung des Bildinhalts in statische und veränderliche Bild- und Tonobjekte (natürliche und synthetische) sowie räumliche Ebenen und deren getrennte Bearbeitung sowie zeit- Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 626 FÜR DIE PRAXIS Digitaltechnik DVB-S2-Standard für mehr Bandbreiteneffizienz K. Jungk, Straubenhardt Die Digitalisierung des Fernsehens über Satellit hat zu dem DVB-S-Standard geführt, mit dem die Übertragung mehrerer Programme pro Transponder in Standardauflösung (SD) möglich ist. Da jedoch DVB-S für hochauflösendes Fernsehen (HDTV) nur sehr bedingt geeignet ist, musste ein neuer Standard für die Programmübertragung gefunden werden - DVB-S2. Autor Karsten Jungk, Straubenhardt, ist freier Fachjournalist und Mitglied der internationalen Vereinigung für Elektronik-Fachjournalisten UIPRE. Dieses Dokument enthält eine · ausführliche Systembeschreibung, · Hinweise zur Leitungsverlegung und zur Dimensionierung der Stromversorgung, · detaillierte Produktbeschreibungen zu allen SI-Geräten und eine · umfangreiche Sammlung von Beispielschaltungen (Tafel ). Aufbau und Umfang dieser Dokumentation sind geradezu beispielhaft. Anhand dieser Unterlage sollte eigentlich ausnahmslos jede Elektrofachkraft innerhalb weniger Stunden in der Lage sein, sich mit der Funktion und der Handhabung dieses System vertraut zu machen. Zur Erleichterung der Kalkulation steht ein einfaches Excel-Tool zur Verfügung. Damit kann zugleich der Platzbedarf in der Verteilung und die Summe der Stromaufnahme zur Dimensionierung der Netzteile ermittelt werden. Für auftretende Detailprobleme gibt es eine Hotline. Um potentielle Kunden für das SI-System zu interessieren gibt es neben einem Prospekt auch ein kleines Video. Fazit Das SI-System der Firma Doepke Schaltgeräte ist ein praxiserprobtes, seit Jahren auf dem Markt befindliches Installationssystem, das sich bezüglich der Funktionalität (und sicher auch bezüglich des Preises) zwischen der herkömmlichen Installationstechnik und der PC-programmierbaren Gebäudesystemtechnik einordnen lässt. Die Vorzüge des Systems sind vor allem im nahezu vernachlässigbarem Einarbeitungsaufwand, der Einfachheit der Bedienung und der aus der verwendeten Technik resultierenden Robustheit zu suchen. Die Modularität des Systems erlaubt vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Neubau, bei der Renovierung und bei der Nachrüstung. Das SI-System schließt nicht nur technisch, sondern auch gedanklich manche, zwischen der herkömmlichen Installationstechnik und den programmierbaren Gebäudeautomationssystemen, bestehende Lücke. Eine gründliche Beschäftigung mit diesem System erscheint daher auch bei der Aus- und Weiterbildung von Elektrofachleuten schon aus didaktischer Sicht geboten. Literatur [1] SI-System - Die alternative Installationstechnik von heute für die Anforderungen von morgen. Planungshilfe und Produktbeschreibung. Doepke Schaltgeräte, Norden. [2] SI-System - für komfortables Wohnen. SI-Bauherreninfo. Doepke Schaltgeräte, Norden. [3] Möbus, H.: Zukunftssichere Installation mit Stromstoßschaltern. Elektropraktiker Berlin 62(2008)3, S. 222-224. [4] Möbus, H.: Lichtsteuerung - vom Dimmer zu DALI und DMX. Elektropraktiker Berlin 60(2006)10, S. 818-820. Serieller Bitstrom fbit 4-QAM=QPSK QPSK-Modulator ...(-1)(+1)(+1)(-1)... ...(+1)(+1)(-1)(-1)... Symbolfolgen fbit ...0I00I0II... 90° Symbolgenerator Phasenschieber Quadraturmodulator Inphasemodulator Trägerschwingung = 4-PSK Schema eines QPSK-Modulators Die vier Trägerphasen ergeben sich durch Überlagerung der Inphase- und Quadraturkomponenten gleiche Übertragung. Die resultierende Bildqualität verblüfft in Anbetracht des geringen Speicherbedarfs bzw. der niedrigen Übertragungsrate. Eine detailliertere Beschreibung der angewandten Methoden würde den Rahmen des Beitrags sprengen und wird Gegenstand eines Folge-Beitrags sein. Modulation Unter Modulation versteht man das Aufprägen einer Nutzinformation auf eine informationslose Trägerschwingung. Dies kann prinzipiell durch einzelne oder kombinierte Beeinflussung von deren Parametern Amplitude, Frequenz oder Phase geschehen. Beim digitalen Satellitenfernsehen (DVB-S - Digital Video Broadcast Satellite) muss man heute schon zwei Varianten unterscheiden: Das bereits bestehende DVB-S für SDTV (Standard Definition TV) und das im Zusammenhang mit HDTV (High Definition TV) stehende DVB-S2. DVB-S nutzt als Modulationsart die 4-Phasen-Umtastung (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying = 4PSK) des Trägers, ohne die Beeinflussung seiner Amplitude. Dies wird durch Umtasten der Inphase-Komponente I und der um 90° verschobenen Quadraturkomponente Q sowie deren anschließende Überlagerung (Summation) erreicht (Bild ). Im Ergebnis nimmt der Träger eine der vier Lagen in der IQ-Ebene gemäß Bild ein. Als Fehlerschutz kommt ein verketteteter Viterbi- und Reed-Solomon-Code zum Einsatz. Die Leistungsfähigkeit der Codierung erfordert Coderaten von 2/3, 3/4, 5/6. Das bedeutet, dass von drei, vier oder sechs übertragenen Bits zwei, drei oder fünf Bits Nutzdaten darstellen. Das verbleibende Bit dient der Fehlerkorrektur. In diesem Sinne bewirkt eine Coderate von 2/3 einen höheren Fehlerschutz als die Coderate 5/6. Dabei repräsentiert jeder Phasenzustand der Trägerschwingung ein Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 627 Leseranfrage Anlagen gemäß neuer DIN VDE 0100-410 warten und erweitern 1. Wenn ich den Teil 411.3.3 in der neuen DIN VDE 0100-410 richtig verstehe, heißt „...von Elektrofachkräften instand gehalten werden ...“, dass ich nicht immer vor Ort sein muss. Dies wäre für mich wichtig, da wir auch eine Niederlassung an einem anderen Standort haben, wo ich Anlagen in unregelmäßigen Abständen erweitere, instand halte und Maschinenfehler behebe. Ist meine Interpretation richtig oder muss ich regelmäßig, z. B. zwei Mal im Monat, vor Ort sein? 2. Wie verhalte ich mich richtig, wenn die Ausnahme „... Industriebetrieb, von Elektrofachkräften instand gehalten und eine Differenzstrom-Überwachungseinrichtung eingebaut wird ...“ gilt, bei Erweiterung a) einen neuen Stromkreis für Steckdosen, b) eine neue Steckdose am bestehenden Stromkreis? Antwort auf über 900 Leseranfragen finden ep-Abonnenten auf www.elektropraktiker.de Signalraum der 4-QAM (QPSK) -1 +1 II 0I Phase = 45° QPSK-Konstellationsdiagramm In vier Phasenzuständen sind bei der QPSK vier zweistellige Symbole codiert 8PSK 000 II0 I00 III I0I 0II 0I0 00I =/4 8PSK-Konstellationsdiagramm In acht Phasenzuständen sind bei der 8PSK-Modulation acht dreistellige Symbole codiert Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 628 FÜR DIE PRAXIS Digitaltechnik 2/3 2,66 3,15 3/4 2,99 2,85 4/5 3,19 2,75 5/6 3,32 2,70 8/9 3,55 2,60 9/10 3,59 2,57 Optimales Konstellationsradius-Verhältnis 0000 I000 I0I0 00I0 III0 IIII II0I II00 0III 00II I0II I00I 000I 0I0I 0I00 0II0 =/4 =/12 16 APSK 16APSK-Konstellationsdiagramm Zwölf Phasen- und zwei Amplitudenwerte repräsentieren sechzehn vierstellige Symbole Äußerer Fehlerschutz BCH-Encoder Innerer Fehlerschutz LDPC-Encoder Bit-Interleaver Codespreizung Modulator Daten FEC bei DVB-S2 FEC bei DVB-S2 Für effizientere aber weniger robuste DVB-S2-Modulation ist verstärkter Fehlerschutz notwendig Shannon-Grenze Spektrale Effizienz/bit/s/Hz 16APSK 32APSK DVB-DSNG 8PSK DVB-S QPSK C/N/dB -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Die spektrale Effizienz der Modulationsverfahren von DVB-S2 liegt nah an der Shannon-Grenze FEC-Frame H FEC-Frame H FEC-Frame H Ungeschützter Header mit Modulations-und Codierunginformationen 8PSK 5/6 QPSK 3/4 16APSK 2/3 Rahmenstruktur bei DVB-S2 Rahmenstruktur bei DVB-S2 Modulationsart und Coderate des geschützten Datenrahmens stehen im ungeschützten Header Zwei-Bit-Muster (Symbol). Die korrekte Wiedergewinnung des Symbols im Demodulator ist immer dann möglich, wenn der reale Träger am Ausgang des Übertragungskanals nur so stark gestört ist, dass er noch im gleichen Quadranten wie am Eingang des Übertragungskanals liegt. Überlagern sich dem Originalträger derart starke Störungen im Kanal, dass er in einen anderen Quadranten fällt, dann wird ein falsches Symbol erkannt. Bis zu einem gewissen Umfang können Fehlerschutzmechanismen dies wieder korrigieren. Höherwertige Modulation DVB-S2 kann QPSK sowie auch drei weitere Modulationsarten einsetzen: 8PSK, 16APSK oder 32APSK (APSK - Amplitude and Phase Shift Keying). Gegenwärtig wird davon ausschließlich 8PSK verwendet (Bild ). Dabei repräsentiert jede der acht Trägerphasen ein drei Bit langes Symbol. Diese Modulation ist offensichtlich effizienter (höherwertiger) als QPSK, bezüglich ihrer Störfestigkeit jedoch weniger robust. Bei 16APSK und 32APSK liegen die Symbole auf Kreisen um den Ursprung der IQ-Ebene, damit sich Nichtlinearitäten der Transponder-Endstufe möglichst wenig auswirken. Das Verhältnis der Kreisradien kann im Hinblick auf möglichst hohe spektrale Effizienz (Datenrate in bit/s bezogen auf ein 1 Hz Übertragungsbandbreite) optimiert werden (Bild ). Je nach Wahl der Modulationsparameter und Coderaten sind spektrale Effizienzen von 0,5 bis 4,5 Bit pro Sekunde und Hertz erzielbar. Die Entscheidungsräume für den Empfangsdemodulator sind jetzt abermals kleiner geworden, die Robustheit gegen Störungen im Übertragungskanal hat somit abgenommen. Neben effizienteren Modulationsverfahren stehen auch drei Roll-off-Faktoren des Basisbandfilters (zur Vermeidung von Intersymbol-Interferenzen) zur Verfügung: 0,35 (DVB-S) sowie 0,25 und 0,20 für schärfere Bandbreitenanforderungen. Angepasste Fehlerkorrektur Um trotz höherer Bandbreiteneffizienz eine kleine Bitfehlerrate zu erhalten, verfügt DVB-S2 über eine leistungsfähige Fehlerkorrektur (FEC - Forward Error Correction) (Bild ). Ein innerer LDPC-Code (Low-Density Parity Check, von Gallager 1960 eingeführter Block-Code mit einer sehr großen Blocklänge von 64800 oder 16200 bits) in Verbindung mit einem verketteten äußeren BCH-Code (Bose Chauduri Hocquenghem) erlaubt mit Coderaten von 1/4, 1/3 und 2/5 die Übertragung nahe am theoretischen Maximum der Shannon-Grenze, obwohl der Signalpegel bereits unter dem Rauschpegel liegt (Bild ). Aufgrund der schnellen rekursiven Codierungsalgorithmen zählt der verkettete BCH-LDPC-Code zu den Turbo-Codes. Datenrahmen Der physikalische Datenstrom wird in Abschnitte unterteilt (physical layer frames), die aus einem nicht-fehlergeschützten Header sowie einem fehlergeschützten Nutzlastteil mit 64800 bit (normal frame) oder 16200 bit (short frame) bestehen (Bild ). Der Header enthält die Informationen über die Art der Codierung und Modulation der nachfolgenden Nutzlast. Deswegen können von Frame zu Frame Codierung und Modulation gewechselt werden, der Decoder stellt sich jeweils auf die veränderten Verhältnisse ein. Dies ist als Teil des DVB-S2-Standards die Voraussetzung für optimal an die vorherrschenden Übertragungsverhältnisse und Dienstearten angepasste Codierung und Modulation (VCM - Variable Coding and Modulation; ACM - Adaptive Coding and Modulation). Die einfachste DVB-S2-Betriebsart CCM (Constant Coding and Modulation) macht davon keinen Gebrauch. Sie codiert und moduliert also mit festen Parametern und gleicht in dieser Hinsicht dem herkömmlichen DVB-S. Rückwärtskompatibilität Für die Übergangsphase vom DVB-S- zum DVB-S2-Standard, in der sicher noch Millionen DVB-S-Receiver in Betrieb sind, wurden rückwärtskompatible Betriebsarten vorgesehen. Dabei werden zwei Datenströme über einen Satellitenkanal übertragen: Einer mit hoher Priorität (HP - High Priority stream), welcher mit DVB-S- und DVB-S2-Receivern kompatibel ist, und einer mit niedriger Priorität (LP - Low Priority stream) ausschließlich für DVB-S2-Receiver. Nach der Übergangsphase kann dann auf die nicht-kompatible Betriebsart umgeschaltet werden, die das volle Potential von DVB-S2 erschließt. Messtechnik für DVB-S2 Für den Antennenbauer erschwingliche Messtechnik wurde zur diesjährigen ANGA Cable bereits ausgestellt (Bild , und Einige der traditionellen Hersteller von Antennenmessgeräten setzen auf Aufrüstung ihrer bestehenden Geräte, andere auf vollständige Neuentwicklungen. Die Darstellung des HDTV-Programms auf dem Gerätedisplay (in einer verringerten Auflösung) ist wegen des preissteigernden MPEG-4-Decoders nicht selbstverständlich. In einer anderen Liga - durch Preis und Features - spielt das Broadcast Test System SFU von Rohde & Schwarz. Es ist mehr für den Einsatz im Labor als im Feld konzipiert und kann als technische Referenz angesehen werden. Zusammenfassung DVB-S2 hat eine um etwa 30% höhere Übertragungseffizienz als DVB-S. In Verbindung mit effizienteren Kompressionsverfahren (MPEG-4 AVC/H.264) lassen sich 20-25 Fernsehprogramme in Standardauflösung oder 5-6 HDTV-Programme über einen normalen 36-MHz-Transponder übertragen. So wird die teure Transponderkapazität optimal genutzt. Auch für professionelle interaktive Anwendungen (z. B. DSNG - Digital Satellite News Gathering) gibt es durch ACM viele Vorteile. Die Verbindung reiner Verteilanwendungen (DTH - Direct to Home) mit DVB-DSNG erlaubt ganz neue Anwendungen. Die von Frame zu Frame veränderbare Modulation und Codierung ermöglicht in Verbindung mit segmentierten Ausleuchtezonen (multi-spot coverage) eine Anpassung der Sendeleistung an die atmosphärischen Dämpfungen in jedem Spot. Eine detaillierte Beschreibung von DVB-S2 wird im Normungspapier ETSI EN 302 307 V1.1.2 (2006-06) gegeben. 6 9 Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 7 629 Messgerät Promax TV Explorer II+ Kompakt, vielseitig und preiswert Messgerät KWS AMA300 Dank modularer Bauweise auf DVB-S2 nachrüstbar und kann HDTV-Programme auf dem Bildschirm darstellen Messgerät Rover S2 8PSK Liefert Qualitätsparameter eines DVB-S2-Signals schnell und unklompliziert Jetzt bestellen! Kompakt und kompetent! Ich bestelle zur Lieferung gegen Rechnung zzgl. Versandspesen zu den mir bekannten Geschäftsbedingungen beim huss-shop, HUSS-MEDIEN Gmb H, 10400 Berlin Expl. Bestell-Nr. Titel /Stück 3-341-01528-5 Schmidt, Mittelspannungsanlagen 39,80 KUNDEN-NR. (siehe Adressaufkleber oder letzte Warenrechnung) Firma/Name, Vorname Branche/Position/z. Hd. Telefon/Fax E-Mail Straße, Nr./Postfach Land/PLZ/Ort Datum/Unterschrift ep0807 HUSS-MEDIEN Gmb H 10400 Berlin Direkt-Bestell-Service: Tel. 030 42151-325 · Fax 030 42151-468 E-Mail: bestellung@huss-shop.de www.huss-shop.de Preisänderungen und Liefer möglichkeiten vorbehalten Aktuell Aktuelles Praxiswissen zum Planen, Errichten, Prüfen und Betreiben von Mittelspannungsanlagen. Praxisnah erfahren Sie alles zu Erdungsanlagen, brandschutztechnischen Forderungen, fachlichen Voraussetzungen und Berechtigungen der Errichter, Bedingungen der Schaltanlagen oder zum Erarbeiten einer Dokumentation. Immer wiederkehrende Errichtungsfehler werden analysiert und fehlervermeidbare Lösungen genannt. Schwerpunkte der praktischen Abnahmetätigkeit runden diesen Band der ep-Bibliothek ab. 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Autor
- K. Jungk
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