Měření DVB-T a T2 v praxi

04.09.2018

Úkolem tohoto článku je popsat, jak dva odlišné přístroje měří terestricky šířené signály dle standardů DVB-T a DVB-T2 v různých situacích - příjmových podmínkách a porovnat je s laboratorními výsledky. Popíšeme si také problematiku Echa.

V úvodu je třeba jasně uvést, že paleta parametrů, které měříme u DVB-T2 se proti stávajícímu DVB-T nemění. Některé z nich ale nabývají na důležitosti, neboť se v hojnější míře objevují rozsáhlejší jednofrekvenční sítě, než bylo doposud zvykem. Množí se případy, kdy se do tuneru dostává shodný signál vícekrát - časově posunutý (ať už se jedná o předbíhání, nebo opožďování toho užitečného). Tento jev nazýváme ECHO, vyskytuje se v DVB-T sítích od počátku. Anténář má jasný úkol, dovést do přijímače signály, které budou splňovat určité parametry. Pokud to zjednodušíme, musí se především vejít do předepsaného rozmezí úrovně signálu, a předčít u nich minimální hranici odstupu signálu (nosné) od šumu s dostatečnou rezervou.

K měření byla použita anténa LP45F Fracarro, koaxiální kabely Cavel, rozbočovač Toner XGFS-2 (3,5 dB), měřící přístroje Rover HD TAB 7 EVO a Planar IT-15T2. Anténa má dle údajů výrobce nejvyšší zisk okolo kanálů 22 a 23 (9dBd), nejnižší naopak na K60 (8dBd). Na separaci signálů z vysílačů, svírajících s místem příjmu ostrý úhel, není příliš vhodná, ale to se nám dnes hodilo (výrobce udává při poklesu úrovně signálu na polovinu; - 3dB, úhel cca 55°). Měřeno bylo 1,5 metru nad zemí.

Měření č.1:

Jelikož se jedná o ideální stav bez Echa, můžeme brát v úvahu i parametry úrovně signálu a tvaru obálky ve spektrální analýze, jako relevantní údaje. Jasně vidíme, že při extrémně ideální cestě signálu k měřícím přístrojům, se tyto, co se MER týče, rozparádily vždy přes hodnotu 33dB, zde tedy větší rozdíly v interpretaci parametrů signálů T a T2 nenalezneme, byť Planaru kanál 32 až tak nevoněl. Za zmínku však stojí extrémní hodnota MER RMS a C/N u kanálu 32, kterou oficiálně zvládá z testované dvojice jen ROVER. Co se týká hodnoty chybovosti před korekcí, oba přístroje i při vítečném DVB-T2 signálu odmítají na rozdíl od DVB-T zobrazit maximální možnou.

Planar sice nezobrazuje formou stupnic, jako Rover, ale číselné vyjádření PRE BER je dostatečně podrobné a dá se s ním pracovat.

Měření č.2:

Jelikož se místo příjmu nalézá za zalesněnou překážkou, jde z dlouhodobého hlediska o příjem v čase značně proměnlivý, ovlivněný také místními odrazy. V okamžik měření bylo jejich potlačení o více než 22dB. Spektrum, MERbyCarrier, i konstelační diagram vypadají dobře, slušnější tuner by v tento moment problémy neměl. V přehledových oknech ukazují oba přístroje lepší parametry MER i PRE BER u DVB-T, přestože úroveň signálu je srovnatelná. Rover i zde ukazuje lepší MER RMS i C/N u DVB-T2.

Při instalacích přímo za horizontem se mějte na pozoru, signál je značně nehomogenní, kolísavý. Zde se spíše užije soustava sít, než LP, či YAGI anténa. Obecně bývá obtížné docílit stabilního příjmu během celého roku. Taktéž se můžeme setkat s efektem, kdy je příjem vyšších kanálů stabilnější, než nižších.

Měření č.3:

Stejné místo, jen přetočená anténa na Javořici - jiné objekty zájmu, krajina se otevřela. Vysílače a místo příjmu tvoří rovnoramenný trojúhelník. Údaje o úrovni signálů nemůžeme brát u kanálů 26 a 28 vážně, nicméně kanál 30 nám napoví realitu v případě čistého kanálu (o 5 až 6 dB nižší hodnota). Obálka i grafické zobrazení MER nosných je u K30 perfektní. Propadů nosných v MERbyCarrier je u K26 a K28 celkem 27 a sahají cirka k hodnotě 14 dB. V MERbyCarrier okně K26 a K28 vidíme RMS kolem 30dB u K30 je to ovšem přes 35dB. Je libo maxima ? U DVB-T2 vidíme 33dB, u DVB-T se neliší, neboť úrovně mezi nosnými jsou vyrovnané. A co chybovost ? Zatímco u ideálního T2 signálu s vyšší úrovní, lepším C/N hodnota dosahuje na pátý a čtvrtý řád, zde je to nekompromisně až na druhý. Z údajů MER z přehledových oken vidíme výrazně vyšší hodnotu u DVB-T (u obou přístrojů). Planar prezentuje signály obou kanálů 26 i 28 shodně, Rover dává jasně najevo, že K26 je lepší.

Měření č.4:

Abych demonstroval, že efekt "rovnoramenného trojúhelníku" se projevuje také u DVB-T, počkal jsem si na výluku vysílače Kleť a zamířil na louku severně od obce Lažany na Strakonicku, kde vysílače Mařský Vrch a Svatobor tvoří s místem příjmu přibližně tento geometrický útvar. Díky tomu je Echo na K49 čisté (Svatobor nelze od Mařského Vrchu v okně s mikroechem rozeznat). Ideálním způsobem, jak takovéto místo najít je vytvořit si osu trojúhelníku například pomocí webové mapové aplikace v kombinaci s vlastními podrobnými mapkami pokrytí a jejich prolnutí s fotopodkladem terénu. Na rozdíl od Slavče se zde jednalo o 10° větší úhel a propady ve spektru bylo postiženo DVB-T na K49. Oba přístroje, co se MER týče, ukazují podobné hodnoty, preferují DVB-T2, čistý K50. Čistý DVB-T kanál 48 dopadl o něco hůře a nejhůře pak extrémní SFN DVB-T kanál 49. Oba přístroje se shodují v parametru chybovosti na kanálu 48, jako na vítězi a vyjadřují svou obecnou ,,averzi,, vůči DVB-T2. Přesto ale Rover posílá DVB-T K49 na chvost, kdežto Planar to samé činí s kanálem K50 (DVB-T2). Můžeme tedy říci, že pravidelné propady nosných se v rámci parametru chybovosti před korekcí projevují u obou přístrojů jak u DVB-T, tak u DVB-T2, totéž platí u MER.

Krátce se vraťme k předchozímu měření. DVB-T2 mělo o 5dB vyšší úroveň, jen díky přítomnosti dalšího stejně silného signálu na stejném kanálu. Stejný případ máme i zde u DVB-T. Přesto, že má nižší úroveň i C/N, než stejně postižené DVB-T 2, stále se chybovost před korekcí pohybuje ve třetím řádu.

Měření č.5:

V tabulce absentuje a přiblížíme si ho na obrázcích. Tentokráte se pokusíme o korekci propadů u DVB-T2 nevhodnou LP45F anténou a opakované měření, které tentokráte probíhalo v obci Dubné, na střeše RD s překážkami v blízkosti antény, zejména od Votic. Zaměřovalo se opět na porovnání naměřených parametrů SFN DVB-T2 K26 (K28) + singl DVB-T K30 z vysílačů Javořice a Mezivrata. Rozdíl vzdáleností k vysílačům byl tentokráte cca 3km a sevřený úhel činil 50°. Nejprve byla anténa natočena mezi oba vysílače. V okně MERbyCarrier můžeme vidět 83 pravidelných propadů a rovněž pozorovat průběh úrovní propadů jednotlivých nosných. V impulsní odezvě je na K26 a K28 vidět jen dva signály předmětných vysílačů, jinak byly ale kanály 26 a 28 bez dalšího echa (K30 zcela čistý).

Obrázky okna s nosnými se mi podařilo u K28 vyfotit rozmazaně, tak zde figurují ty s K26. Abych minimalizoval počet fotografií, zvolil jsem pro porovnání K28, který měl v místě horší naměřené parametry, než K26 plus K30, který je frekvenčně nejblíže.

Vidíme, že změřený C/N 22dB (oproti potřebnému C/N 17,8dB v čistém kanálu pro dosažení normové chybovosti 1x10-7 za LDPC korekcí) dostačuje k dosažení maximálního měřitelného osmého řádu u obou měřících přístrojů. Úroveň 35,5dBμV u Roveru a 37,3dBμV u Planaru je nad potřebným minimem.

Po přetočení antény pozorujeme zlepšení C/N a u obou přístrojů i MER. Planar je ještě schopen zobrazit zlepšení chybovosti před korekcí, Rover nikoliv. U přístroje Planar se nachází měření úrovně signálu v jiném okně, ale i zde bylo viditelné zvýšení této hodnoty o 2dB na 39dBμV u K28.

Nižší úroveň signálu je způsobena komplikovaným místem příjmu a zhoršuje C/N (SNR) na hodnotu 20 dB, oba přístroje tentokrát ukazují za korekcí měřitelnou úroveň chybovosti v šestém a sedmém řádu. Pro normovou chybovost 2x10-4 za Viterbiho korekcí nám sice stačí C/N 18 dB, ale pro kompletní opravu (osmý řád) nám 20 dB nestačí. Úroveň signálu je nad hodnotou minimální potřebné (32,35 dBμV). Planar ukázal 35,5dBμV.

Vzhledem k podmínkám a použité anténě se již nedaří příjmové parametry na K30 zlepšit a kompletní oprava se nedaří.

Zhodnocení výsledků:

DVB-T2

DVB-T2 díky konstelaci 265QAM "generuje" zcela jiné hodnoty chybovosti před korekcí (PRE BER)v závislosti na C/N, než 64QAM DVB-T. U DVB-T2 s modulací 256QAM a FEC 2/3 v čistém kanálu a laboratorních podmínkách prolomíme hranici šestého řádu při C/N 33dB, na úroveň druhého řádu spadneme již pod C/N 25dB. Maximem DVB-T2 je v těchto podmínkách PRE BER 6x10-6 při C/N nad 36dB. Rover v kombinaci s běžnými podmínkami kopíruje svými výsledky PRE BER Rice kanál. Při prvním měření za "ideálních" podmínek se odchyluje od křivky Rice kanálu směrem k laboratorní ideální hodnotě. V Měření č.1 tedy v praxi ukazuje opravdové maximum pro danou modulaci a FEC. Planar ukazuje vyšší chybovost. Pokud vyjdeme z hodnot C/N přístroje Rover, pak nám tento ukazuje při čistých nosných "správné MER" v přehledovém okně. Při propadech nosných bych spíše přihlížel k hodnotám MER RMS, neb standardní MER v přehledovém okně jsou extrémně nízké. Planar se od Roveru mírně odchyluje, ale při propadech nosných si zdatně vystačí s "jednou veličinou MER".

Při běžných podmínkách RICE kanálu by měl správně měřící přístroj ukázat při hodnotě C/N 25dB hodnotu MER 25dB a s hodnotou C/N 35dB hodnotu MER 34dB, což jsou obdobné výsledky, jako u DVB-T.

DVB-T

U DVB-T s modulací 64QAM a FEC ¾ se v laboratoři dostaneme na PRE BER 1x10-6 už při C/N 26dB, na úroveň druhého řádu spadneme až pokud C/N spadne pod 19dB. Rover se při zobrazování PRE BER drží křivky Rice, jen při pravidelných propadech nosných se odchyluje směrem ke křivce Rayleigh. Planar ukazuje horší PRE BER, než Rover v případech čistého kanálu a pravidelných propadech nosných. Při místních odrazech a v případě extrémně slabé úrovně naopak lepší hodnotu. MER měří přesněji ROVER, Planar ukazuje až příliš příznivé hodnoty.

ECHO ZA OCHRANNÝM INTERVALEM

Pokud se jakékoliv Echo vyskytne v rámci ochranného intervalu, přijímač by neměl mít problém se stabilním příjmem. Podmínkou je uspokojení zvýšeného nároku na odstup nosných od šumu, než kdyby se echo nevyskytlo, který se může u současných přechodových sítí 11 a 12 pohybovat cca do 3dB. Pokud jsou v pásmu kanálu přítomné hluboké pravidelné zvlnění (propady nosných), přispívá to ke zvýšené snaze ekvalizéru vyrovnávat signál, nemožnosti toho docílit a dalším obvodům signál dekódovat. Pokud vzdálenosti těchto minim dosáhnou roztečí pilotního vzoru, přestává fungovat kanálový ekvalizér (Nyquist kritérium bylo překročeno). Toto je dobře vidět na obrázku, kdy světle oranžová křivka začíná strmě padat. V levé části pod křivkou vidíme užitečný signál za ochranným intervalem a vpravo za křivkou se nachází nezpracovatelný signál, který se nazývá virtuálním šumem. Je čistě věcí přijímače jestli nastaví začátek ekvalizačního rámce na počáteční ,,bod,, ochranného intervalu, či nikoliv. Vidíme, že u Pilotního vzoru 2 (PP2) je Nyquist Limit ve formě zlomku vyjádřen poměrem 1/8 a vzor PP4 poměrem 1/16. PP2 umožňuje běžný ochranný interval dle konfigurace modulačních parametrů Přechodových T2 sítí vlastně prodloužit o šanci na příjem i za jeho hranicí. Tam už ovšem musí rušivý signál (například vysílač v době inverze) splnit podmínku - vejít se do určité maximální úrovně. Jak si všímáme, užitečná poloha pro Nyquist Limit je ještě omezena na hodnotu 80,0625%, což je tzv. Ekvalizační faktor. Mezi 80,0625% a 100% rozsahu Nyquist Limitu nedokáže Ekvalizér už správně pracovat. U T2 konstelace 256QAM si můžeme všimnout pozvolnějšího pádu, na rozdíl od případu britského, což dává střípek naděje, že DVB-T2 SFN sítě (zejména České Televize kde je SFN nejrozsáhlejší) budou moci fungovat i za inverze (ze základní hodnoty rozdílu vzdálenosti k vysílačům 134,3km půjde až o 159,7km). Zatímco naměřené hodnoty, jakož i hodnota potlačení 18 dB na hranici Ekvalizačního intervalu u konkrétního případu z Velké Británie je definována jako "Maximum tolerable echo versus delay", u příkladu modulací 256QAM je znát pozvolný pokles a hodnoty pocházejí z měření, kde se definoval zlom rozpadu obrazu jako minimální hodnota C / N, pokud dvě ze tří desetisekundových úseků neobsahují obrazové artefakty rozpadu. Měřeno na přijímačích s šumovým číslem 7 a lepším. Tmavě oranžová s požadovanou minimální citlivostí 10,65dBuV a C/N 20,9dB. Modrá 10,05dBuV a C/N 19,9dB. Úroveň vstupního signálu byla nastavena na 58,75dBuV. Z výsledků je jasné, že u zvolených modulací 256QAM je v bodě Ekvalizačního limitu tolerováno Echo s poklesem více než o 7 resp. 9dB. Pořád se bavíme o laboratorních podmínkách, ale výsledek je to úctyhodný.

BLÍZKÉ ECHO

Tento článek v úvodní části ukazoval případy blízkých (mikro) ozvěn, které mohou být v příslušném okně měření neviditelné. I zde byly prováděny zkoušky na reálných přijímačích, které potvrdily, že stabilní blízké echo se dá jednoduše pokrýt mírnou rezervou C/N. Zůstává tedy případ poslední.

VARIABILNÍ ECHO

Přichází na řadu zejména při mobilním příjmu. Výsledky nerušeného příjmu jsou ovlivněny zejména rychlostí například vozidla (čím vyšší rychlost, tím hůře), střední hodnotou frekvence přenosového kanálu (čím vyšší, tím náchylnější) a jeho šířkou (čím užší, tím náchylnější) módem nosných (čím vyšší je číslo, tím déle trvá jeden symbol a náchylnější příjem) a u DVB-T2 ještě pilotní vzor, kde neplatí úměra v číselném označení. Samozřejmě, že ochranný interval a poměr korekce chyb jsou vždy ve hře. V průběhu jízdy ozvěny různě oscilují, střídají se a vyskytují ve větším množství, C/N musí mít znatelnou rezervu.

ZÁVĚR

Musíme si zvyknout, že měřící přístroje nám budou u DVB-T2 ukazovat jinak, než tomu bylo doposud u DVB-T. DVB-T2 je tzv. Iteračním standardem (pro zlepšení účinnosti opakuje procesy 2D demapování konstelace a dekódování), což vyžaduje dostatečnou výpočetní kapacitu přijímače. Pokud se provede jediný výpočet, může být DVB-T2 méně účinný, než DVB-T. V běžném provozu se tedy počet opakování musí pohybovat v rozmezí alespoň 2 až 20. Jedná se o zcela jiné standardy s jinými definicemi kvalitního příjmu. Měřící přístroje v testu stojí v jiných kategoriích. Rover je univerzálním měřícím přístrojem, kde kompletní parametry pozemních digitálních standardů je jen jednou z mnoha činností, kterou zvládá. Planar naproti tomu analyzuje pouze některé parametry pozemních digitálních standardů T a T2 a také jeho pořizovací cena je nižší.

Pro práce na anténních systémech platí stále stejná doporučení. Bedlivě sledovat Spektrum, Úroveň, MER, C/N, PRE i POST BER, Echo i mikroEcho, konstelaci, MERbyCarrier. Není od věci mít představu o možné přítomnosti signálů z jiných vysílačů v daném místě během roku (např. při inverzi). Znát, jak měřák ukazuje.