White Paper December 2010 Linee guida per l’implementazione di sistemi broadcasting televisivi digitali terrestri di seconda generazione (DVB-T2)

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White Paper December 2010

Linee guida per l’implementazione di sistemi broadcasting televisivi digitali terrestri di seconda generazione (DVB-T2)

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INDICE 1 Introduzione ..............................................................................................................................4

2 Glossario ...................................................................................................................................4

3 Visione generale del DVB-T2...................................................................................................4

3.1 Requisiti commerciali ..........................................................................................................5

3.2 Benefici del DVB-T2 rispetto al DVB-T...............................................................................5

4 Visione generale del sistema ..................................................................................................6

4.1 Architettura del modello ......................................................................................................6

4.2 Specifiche dello strato fisico...............................................................................................8

4.3 Punti chiave della tecnologia..............................................................................................9 4.3.1 PLPs ........................................................................................................................... 10 4.3.2 Larghezze di canale addizionali ................................................................................. 11 4.3.3 Modalità di portante estesa ........................................................................................ 11 4.3.4 MISO basato sulla codifica Alamouti .......................................................................... 12 4.3.5 Preamboli (P1 e P2) ................................................................................................... 13 4.3.6 Patterns pilota............................................................................................................. 14 4.3.7 256-QAM .................................................................................................................... 15 4.3.8 Costellazioni ruotate ................................................................................................... 16 4.3.9 Dimensioni FFT 16K e 32K e frazione intervallo di guardia 1/128 ............................. 17 4.3.10 LDPC/BCH error control coding ............................................................................. 18 4.3.11 Stadi di interleaving (tempo, bit, cella, frequenza) ................................................. 18

5 Scelta dei parametri............................................................................................................... 19

5.1 Scelta della dimensione FFT............................................................................................ 20

5.2 Scelta della modalità portante normale o estesa........................................................... 20

5.3 Scelta dell’intervallo di guardia ....................................................................................... 21

5.4 Scelta del pattern pilota.................................................................................................... 22

5.5 Scelta della lunghezza del frame ..................................................................................... 24

5.6 Scelta del modo input (A o B) .......................................................................................... 25

5.7 Scelta dei parametri di interleaving temporale .............................................................. 26

5.8 Scelta di code-rate, lunghezza del blocco e costellazione ........................................... 27

6 Performance di un sistema DVB-T2..................................................................................... 27

6.1 Modelli di canale utilizzati per le simulazioni ................................................................. 27 6.1.1 Canale gaussiano....................................................................................................... 27

6.2 Canale di Rice.................................................................................................................... 27

6.3 Canale di Rayleigh ............................................................................................................ 28

6.4 Canale mobile, TU-6 .......................................................................................................... 29

6.5 Profilo a due contributi, eco a 0 dB................................................................................. 30

6.6 Canale MISO ...................................................................................................................... 30 6.6.1 Canale MISO Rice...................................................................................................... 31

6.7 Canale MISO Rayleigh ...................................................................................................... 32

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6.8 Prestazioni del sistema simulate per canale 8 MHz ...................................................... 33

Bibliografia...................................................................................................................................... 37

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1 Introduzione

Il seguente documento ha lo scopo di illustrare le principali linee-guida per l’implementazione di sistemi broadcasting televisivi digitali terrestri di seconda generazione (DVB-T2) [1][2].

2 Glossario

SFN Single Frequency Network

DVB-T Digital Video BroadCasting Terrestrial

GSE Generic Stream Encapsulated

TS Transport Stream

MISO Multiple Input Single Output

SISO Single Input Single Output

RF Radio Frequency

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex

LDPC Low Density Parity Check

BCH Bose – Chaudhuri-Hocquenghem multiple error correction binary block code

FEC Forward Error Code

PLP Physical Layer Pipe

PSI/SI Programme Specific Information / Signalling Information

ISI Inter Symbolic Interference

SNR Signal to Noise Ratio

FFT Fast Fourier Transform

GIF Guard Interval Fraction

AWGN Additive White Gaussian Noise

3 Visione generale del DVB-T2

Il DVB-T2 è uno standard relativo al broadcasting televisivo digitale terrestre che offre numerosi benefici rispetto allo standard DVB-T [2].

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3.1 Requisiti commerciali L’organizzazione DVB ha definito una serie di requisiti commerciali ai quali lo standard DVB-T2 deve soddisfare:

• Le trasmissioni T2 dovrebbero poter utilizzare installazioni di antenna domestiche esistenti e dovrebbero essere in grado di ri-utilizzare infrastrutture di trasmettitori esistenti;

• T2 dovrebbe principalmente indirizzarsi a servizi di tipo fisso e/o portatile;

• T2 dovrebbe fornire un incremento minimo di capacità del 30% rispetto ad una configurazione DVB-T che lavora sotto gli stessi vincoli e condizioni di progettazione;

• T2 dovrebbe migliorare le prestazioni di una rete SFN rispetto a quelle ottenibili con il DVB-T;

• T2 dovrebbe possedere un meccanismo in grado di fornire livelli di robustezza specifici per differenti servizi; in altre parole in un canale a 8 MHz dovrebbe essere possibile veicolare sia servizi indirizzati a ricezione fissa (roof-top) sia servizi indirizzati a ricezione portatile;

• T2 dovrebbe fornire flessibilità in larghezza di banda e frequenza;

• T2 dovrebbe possedere un meccanismo per ridurre il rapporto tra potenza di picco e potenza media per ridurre i costi di trasmissione.

3.2 Benefici del DVB-T2 rispetto al DVB-T Come risultato dell’introduzione del DVB-T2, si può ottenere (Tabella 3-1) un incremento potenziale di capacità del 50% rispetto al modo DVB-T attuale. Un incremento ancora maggiore di capacità si può ottenere nei modi designati per operazioni SFN, grazie all’utilizzo in questi modi di frazioni di intervallo di guardia maggiori. Nella Tabella 3-2 vengono confrontati due modi DVB-T e DVB-T2 con lo stesso valore assouto di intervallo di guardia. Questo fornisce un incremento di capacità del 67% del DVB-T2 rispetto al DVB-T.

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Tabella 3-1 - Potenziale incremento di capacità di quasi 50% confrontato con il modo DVB-T a maggiore

capacità utilizzato in UK

Tabella 3-2 - Potenziale incremento di capacità del 67% in un modo SFN

4 Visione generale del sistema

4.1 Architettura del modello Il diagramma a blocchi della catena di trasmissione end-to-end per un sistema DVB-T2 è mostrata in Figura 4-1.

Fondamentalmente l’intero sistema DVB-T2 si può suddividere in 3 sotto-sistemi principali dal lato rete (SS1, SS2, SS3) e 2 sotto-sistemi (SS4, SS5) dal lato ricevitore:

• SS1: sotto-sistema di codifica e multiplexing. Questo blocco determina la generazione dei flussi di trasporto (MPEG-2 TS e/o GSE TS). In pratica nel funzionamento più comune dello standard vengono creati dei flussi logici denominati PLP ognuno dei quali porta un TS con caratteristiche di modulazione e codifica differenti. Il sotto-sistema è anche responsabile di riadattare i flussi TS in presenza di un PLP comune (utilizzato per segnalazione/controllo).

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• SS2: sotto-sistema T2 – Gateway. Include funzionalità di Mode adaptation e Stream adaptation, oltre alla allocazione di capacità e alla schedulazione. Alla sua interfaccia di uscita il gateway T2 consegna un flusso “T2-MI”: si tratta di una sequenza di pacchetti T2-MI ognuno contenente un frame in banda base (BBFRAME) e le opportune informazioni di segnalazione (L1 o SFN). Il flusso T2 – MI contiene tutte le informazioni richieste per descrivere il contenuto e il tempo di emissione dei frames T2 e va ad alimentare uno o più modulatori.

• SS3: sotto-sistema modulatore DVB-T2. I modulatori DVB-T2 utilizzano i le istruzioni di assemblaggio dei BBFRAME e del frame T2 contenuti nel flusso T2-MI per creare frames DVB-T2 ed emetterli al tempo giusto per una corretta sincronizzazione SFN.

• SS4: sotto-sistema de-modulatore DVB-T2. Questo sotto-sistema riceve un segnale RF da uno o più trasmettitori di una rete e produce un flusso di trasporto dati (TS). L’interfaccia con il sotto-sistema SS5 avviene attraverso l’interfaccia D. I flussi dati che passano attraverso le interfacce B e D sono identici.

• SS5: sotto-sistema di decodifica del flusso. Questo sotto-sistema riceve il flusso di trasporto e produce output video e audio decodificato.

Figura 4-1 - Diagramma a blocchi della catena DVB-T2

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Figura 4-2 - Pila protocollare di riferimento per DVB-T2

4.2 Specifiche dello strato fisico Il modello generico per lo strato fisico DVB-T2 è mostrato in Figura 4-1. L’input è caratterizzato da uno o più MPEG TS o GSE. Tali flussi possono essere modificati laddove appropriato dal gateway T2 in modo che abbiano una corrispondenza uno a uno con i canali dati nel modulatore. Le specifiche dello strato fisico si riferiscono alla combinazione del gateway T2 e del modulatore di Figura 4-1. L’output dello strato fisico T2 è un segnale RF su singolo canale RF. Opzionalmente si può splittare in un secondo segnale di output che viene indirizzato ad una seconda antenna (trasmissione MISO) con la codifica di Alamouti.

Gli approcci PLP e time-slicing implementati dal T2 consentono differenti livelli di codifica, modulazione e profondità di interleaving nel tempo per ogni PLP e questo fornisce robustezza diversa in base al servizio. Il ricevitore può inoltre concentrare le sue risorse di decodifica al solo PLP che contiene i dati di interesse (questo consente una maggiore profondità di interleaving rispetto al caso del singolo modo PLP).

L’elaborazione dei dati e il FEC sono compatibili con gli equivalenti meccanismi utilizzati nel DVB-S2 (esempio LDPC/BCH FEC). Tuttavia per tenere conto della differente natura della modulazione terrestre (basata sulla tecnica COFDM) usata dal DVB-T si sono introdotte nuove tecniche di bit-interleaving e mappatura delle costellazioni in T2.

In accordo con i requisiti commerciali, e’ stato esteso rispetto al DVB-T il set dei parametri COFDM standard:

• Dimensioni della finestra FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K;

• Frazioni dell’intervallo di guardia: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, ¼;

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• Pattern delle portanti pilota diffuse (scattered-pilot patterns): esistono 8 differenti versioni che si adattano agli intervalli di guardia;

• Portanti pilota continue, simili al DVB-T ma con una migliore ottimizzazione per ridurre l’overhead;

• Una modalità estesa per consentire l’utilizzo efficiente della larghezza di banda insieme alle dimensioni maggiori della finestra FFT. Sostanzialmente quando questa opzione è utilizzata (8K,16K e 32K FFT) la spaziatura tra le portanti è la stessa utilizzata nel modo normale, ma vengono aggiunte portanti addizionali ad entrambe le estremità dello spettro;

• Interleaving esteso che include bit, cella, tempo e frequenza.

Il sistema T2 fornisce inoltre alcune nuove caratteristiche per una maggiore versatilità:

• Una struttura di frame che contiene uno speciale simbolo di identificazione che può essere utilizzato per una rapida scansione del canale e acquisizione del segnale e che contiene anche alcuni parametri base della struttura di frame;

• Costellazioni ruotate, che forniscono una forma di diversità in modulazione, per migliorare la ricezione dei segnali a più elevato bit-rate;

• Tecniche speciali per la riduzione del rapporto tra potenza di picco e potenza media del segnale trasmesso.

Figura 4-3 - Diagramma a blocchi dello strato fisico per DVB-T2

4.3 Punti chiave della tecnologia Vengono di seguito introdotti i punti chiave delle tecnologie utilizzate nel DVB-T2 con particolare attenzione a quelli che non sono utilizzati nel DVB-T.

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4.3.1 PLPs

I requisiti commerciali di robustezza specifica per il servizio insieme alla necessità di trasportare differenti tipi di flusso dati sono ottenuti grazie al concetto di PLPs (Figura 4-4). Questo consente il trasporto di dati indipendentemente dalla sua struttura, con parametri fisici specifici del PLP. La capacità allocata e la robustezza possono essere adattate alle particolari esigenze del fornitore e dipendono dal tipo di ricevitore e dall’ambiente di utilizzo.

Il DVB-T2 consente l’assegnazione di costellazione, code rate e profondità di interleaving per ogni PLP.

Tipicamente un gruppo di servizi condivide elementi comuni come l’informazione PSI/SI. Per evitare la necessità di duplicare l’informazione per ogni PLP, il DVB-T2 introduce il concetto di PLP comune, condiviso da un gruppo di PLP. In questo caso il ricevitore dovrà decodificare due PLPs per ricevere il servizio: il PLP dati e il PLP comune:

• Modo A: La configurazione più semplice dello standard DVB-T2 è costituita da un unico PLP su un unico canale a radio-frequenza. Questa modalità si può pensare come una estensione diretta del DVB-T. C’è un solo PLP che trasporta un singolo flusso dati. Di conseguenza viene applicata la stessa robustezza a tutto il contenuto, come accade nel DVB-T2.

• Modo B: è la modalità operativa più complessa del DVB-T2: in questo caso lo strato fisico del DVB-T2 consente una codifica personalizzata per ogni servizio o gruppo di servizi. Si possono utilizzare fino a 256 PLP distinti, ognuno dei quali opera indipendentemente operazioni come adattamento di modo, FEC, mappatura di bit nelle costellazioni e interleaving temporale. Ogni PLP è costituito da slice (blocco di celle consecutive) che si ripetono nelle trame spazio-frequenza ciclicamente. Per poter ottenere la massima diversità temporale si può scegliere di distribuire le celle di un PLP su tutti i simboli di una trama (o di più trame). In questo caso si parla di sub-slice che sono mappate in alternanza con i sub-slice degli altri PLP. Se si vuole invece ottenere il massimo risparmio energetico si può concentrare temporalmente le celle di un PLP su simboli OFDM adiacenti. In questo modo il ricevitore è attivo solo nel periodo temporale necessario alla trasmissione dei simboli del PLP di interesse.

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Figura 4-4 - Struttura tempo frequenza di differenti PLP.

4.3.2 Larghezze di canale addizionali

Per rendere il DVB-T2 adatto ad uso professionale è stata introdotta l’opzione di utilizzo 10 MHz. I ricevitori commerciali non supportano tale modalità. Inoltre per poter consentire l’uso del DVB-T2 in assegnazioni di canali RF più stretti (es. in banda III o L), è stata inclusa anche la larghezza di canale 1,712 MHz.

4.3.3 Modalità di portante estesa

Dal momento che lo spettro del segnale ai bordi della banda decade molto rapidamente per le configurazioni FFT più larghe(Figura 4-5 e Figura 4-6), è possibile estendere lo spettro del segnale OFDM ad entrambe le estremità. Questo significa in pratica aggiungere delle portanti dati ottenendo un incremento di efficienza del 2% (modo 32 K).

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Figura 4-5 - Spettro teorico del segnale DVB-T2 per le varie configurazioni di portanti

Figura 4-6 – Dettaglio dello spettro

4.3.4 MISO basato sulla codifica Alamouti

Sebbene il DVB-T supporti la modalità SFN, la presenza di segnali di intensità molto simile in una rete può causare una significativa perdita di margine dovuta ai “notches” del canale risultante. La ricezione di servizi portatili potrebbe soffrirne. Per questo il DVB-T2 incorpora l’utilizzo della tecnica di Alamouti per trasmettere il segnale da una coppia di trasmettitori. In pratica in questo schema MISO i segnali delle due antenne trasmettono gli stessi dati, ma codificati in maniera differente in spazio e frequenza (Figura 4-7), in modo che il ricevitore possa combinarli per decodificare correttamente la sequenza originale.

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Figura 4-7 - Schema di Alamouti e corrispondente codifica spazio - frequenza.

4.3.5 Preamboli (P1 e P2)

I simboli iniziali dello strato fisico DVB-T2 sono simboli di pre-ambolo, che trasportano un numero limitato di dati di segnalazione in modo robusto. Il frame inizia con il simbolo P1 che è modulato BPSK differenziale e possiede un intervallo di guardia ad entrambe le estremità (Figura 4-8). Sostanzialmente vengono traslati in frequenza i primi 542 simboli e gli ultimi 482. Il simboo trasporta 7 bits di informazione, tra cui la modalità di trasmissione, la dimensione FFT e la configurazione SISO/MISO. Grazie alla sua struttura, il simbolo P1 consente la rilevazione del segnale DVB-T2 e dei suoi parametri chiave. I simboli P2 il cui numero è fissato per una data dimensione FFT trasportano tutta la segnalazione di livello 1 (statica, configurabile o dinamica). La parte dinamica può essere anche trasmessa come segnalazione “in-banda”, ovvero all’interno di ogni flusso PLP. I primi bit (pre-segnalazione L1) hanno modulazione e codifica fissa; i rimanenti

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(post-segnalazione L1) hanno rate di codifica fissato a ½ ma modulazione che può essere scelta (QPSK, 16-QAM, 64-QAM). Il preambolo P2 trasporta anche le portanti pilota (Figura 4-9) che consentono di cominciare il processo di stima del canale di trasmissione.

Figura 4-8 - Struttura del simbolo di preambolo P1

Figura 4-9 - Simbolo P2 nella configurazione portanti 8K (sono evidenziate le portanti pilota)

4.3.6 Patterns pilota

Come il DVB-T, anche il DVB-T2 prevede la dispersione in tempo e frequenza di portanti pilota “scattered” e/o “continue” di ampiezza e fase definita e inserite ad intervalli regolari nel frame di trasmissione. Queste portanti servono al ricevitore per stimare la risposta del canale in tempo e frequenza.

A differenza del DVB-T che applica lo stesso pattern di portanti pilota indipendentemente dalla dimensione FFT e dall’intervallo di guardia, DVB-T2 utilizza un approccio più flessibile, definendo otto patterns legati ai parametri di cui sopra adottati per la particolare trasmissione. Questo consente una riduzione dell’overhead assicurando una sufficiente qualità per la stima del canale. Solitamente la distanza tra le portanti è circa pari all’inverso dell’intervallo di guardia utilizzato. Nell’esempio mostrato (Figura 4-10) utilizzando un pattern PP3 con intervallo di guardia 1/8 si ha una riduzione di overhead da 8% a 4%.

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Per le portanti pilota (utilizzate per il recupero “fine” di frequenza nel ricevitore e per la rimozione dell’errore di fase comune (CPE) sul simbolo OFDM si ha anche in questo caso uno schema che dipende dai parametri trasmissivi e una conseguente riduzione di overhead.

Figura 4-10 - Patterns di portanti pilota "scattered" per DVB-T (sinistra) e DVB-T2 (destra)

4.3.7 256-QAM

Mentre nel DVB-T2 la costellazione di ordine maggiore è la 64-QAM, che produce un data rate di 6 bit per simbolo, in DVB-T2 l’utilizzo della costellazione 256-QAM incrementa il data-rate a 8 bit per simbolo (incremento del 33% di efficienza spettrale e capacità trasportate per un dato code rate).

Normalmente questo richiederebbe un valore di C/N richiesto molto più alto: infatti la distanza tra due punti vicini della costellazione è la metà della configurazione 64-QAM e quindi il ricevitore è molto più sensibile al rumore (Figura 4-11).

Tuttavia le prestazioni dei codici LDPC è molto migliore dei codici convoluzionali utilizzati nel DVB-T: pertanto se si sceglie un code rate leggermente superiore, è possibile mantenere lo stesso C/N ottenendo un significativo incremento del bit-rate.

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Figura 4-11 - Diagramma della costellazione 256-QAM

4.3.8 Costellazioni ruotate

Una nuova tecnica di rotazione della costellazione e ritardo Q è stata introdotta nel DVB-T2 (Figura 4-12). Nelle costellazioni tradizionali i vari punti sono allineati orizzontalmente e/o verticalmente. Pertanto per poter decodificare correttamente un simbolo è necessario che vengano ricevute correttamente entrambe le coordinate I,Q. Ruotando invece la costellazione di un certo angolo, ogni simbolo avrà una coppia di coordinate diverse rispetto a qualunque altro. Per poter quindi decodificare il simbolo stesso sarà sufficiente ricevere correttamente una delle due coordinate. Una volta ruotata la costellazione, introducendo un ritardo ciclico per l’ordinata Q è possibile disperdere su differenti celle OFDM ascissa e ordinata dello stesso punto. Al ricevitore se anche una delle due componenti fosse affetta da disturbi selettivi sul canale radio, ci sarebbe comunque l’altra a garantire una corretta decodifica. Questo consente in presenza di canali molto critici l’utilizzo di FEC con tasso di codifica più elevato.

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Figura 4-12 - Costellazione 16 - QAM ruotata prima e dopo il ritardo ciclico Q

4.3.9 Dimensioni FFT 16K e 32K e frazione intervallo di guardia 1/128

L’incremento delle dimensioni della finestra FFT risulta in una spaziatura delle sotto-portanti più stretta e in una durata maggiore del simbolo. Il primo attributo provoca maggiori difficoltà nel caso di interferenza tra le portanti, per cui può essere tollerata una più bassa frequenza Doppler. Pertanto l’utilizzo di finestre FFT grandi non è la soluzione preferita per la ricezione mobile in UHF banda IV/V. Il secondo attributo significa invece a partire dallo stesso intervallo di guardia assoluto una riduzione dell’overhead rispetto alla durata totale (Figura 4-13). Questo determina un aumento di troughput dal 2,3 % al 17,6%.

L’intervallo di guardia 1/128 è inoltre nuovo in DVB-T2; esso consente per esempio di trasmettere in modo 32K con un intervallo di guardia assoluto pari a 8K 1/32 con una risultante riduzione di overhead.

Figura 4-13 - Riduzione dell'overhead di intervallo di guardia con dimensioni FFT maggiori

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4.3.10 LDPC/BCH error control coding

Laddove la codifica interna ed esterna in DVB-T si basa rispettivamente sui codici convoluzionali e Reed – Solomon, lo sviluppo tecnologico ha reso possibile la gestione della decodifica LDPC nei ricevitori. DVB-T2 utilizza la concatenazione LDPC/BCH (come nel DVB-S2). Questi codici consentono una migliore protezione e un trasporto di una maggiore quantità di dati su un dato canale. I rapporti di codifica FEC ammessi nel DVB-T2 sono: ½, 3/5, 2/3, ¾, 4/5, 5/6. Il livello di protezione fornito da tali codici non è uniforme su tutti i bit, perché è legato al peso della colonna nella matrice di parità. Per poter ottimizzare la associazione dei bit della parola di codice con quelli del punto della costellazione viene operato un interleaving di bit tra FEC e il mapper (che associa i bit ai punti della costellazione).

In Figura 4-14 vengono confrontate le prestazioni dei codici convoluzionale e LDPC in termini di C/N. Al punto QEF (10-4) si ottiene un guadagno di circa 5 dB.

Figura 4-14 - Confronto delle prestazioni dei codici di controllo per DVB-T e DVB-T2

4.3.11 Stadi di interleaving (tempo, bit, cella, frequenza)

L’obiettivo degli stadi di interleaving è di diffondere il contenuto nel piano tempo/frequenza in modo che né rumore impulsivo né fading selettivo in frequenza possa distruggere lunghe sequenze del flusso dati originario. Inoltre come visto in precedenza l’interleaving è progettato per adattarsi al comportamento dei codici di correzione (che non proteggono tutti i dati in modo uguale). Infine l’interleaving è introdotto anche a livello di cella affinchè i bits trasportati da un dato punto della costellazione non corrisponda ad una sequenza di bits consecutivi nel flusso dati originario.

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• Interleaver di bit: opera all’interno del blocco FEC mescolando i bit della parola di codice tenendo conto che sia nel codice LDPC che nelle modulazioni QAM i bit non sono protetti allo stesso modo;

• Interleaver di cella: effettua una permutazione delle celle all’interno di un blocco FEC. Sostanzialmente questo consente in presenza di canali molto critici, l’errore si presenti in posizioni casuali all’interno della parola di codice, evitando una presentazione “regolare” in contrasto con la struttura del codice. Nelle costellazioni ruotate, l’interleaver di cella aumenta la distanza tra le celle che portano la stessa informazione;

• Interleaver di tempo: ha il compito di distribuire le celle di un blocco FEC su più simboli OFDM di una trama o eventualmente su più trame (Figura 4-15); questo consente di proteggere il segnale contro disturbi molto concentrati nel tempo (impulsivi) e nel caso di canali tempo-varianti. Si basa su un interleaver a blocco (righe x colonne) e viene applicato a livello di PLP. L’interleaver viene caricato per la durata di una trama con il numero di blocchi FEC scritti per colonna. La lettura del blocco avviene invece per riga;

• Interleaver di frequenza: ha il compito di contrastare il fading selettivo in frequenza, con una struttura a blocco a livello di simbolo OFDM e sparpaglia i dati associati alle portanti OFDM in modo casuale. L’interleaver di frequenza è l’unico stadio che opera su celle di PLP diversi, mentre gli interleaver visti in precedenza operano all’interno del singolo PLP.

Figura 4-15 - Struttura dell'intearleaver di tempo

5 Scelta dei parametri

Ci sono molti modi di configurare un sistema DVB-T2 e questo è legato alla scelta di ognuno dei principali parametri di volta in volta.

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5.1 Scelta della dimensione FFT I fattori che influenzano la scelta della dimensione FFT sono ben note. Aumentando tale valore, a parità di intervallo di guardia frazionario, si avranno maggiori tolleranze ai ritardi (tempo di guardia assoluto maggiore), consentendo la costruzione di SFN di dimensioni maggiori. In alternativa, valori più grandi di FFT determinano a parità di tempo di guardia assoluto un overhead minore.

D’altra parte però dimensioni di FFT maggiori conferiscono maggiore vulnerabilità ai canali che variano velocemente nel tempo, con una bassa performance Doppler. Per un certo set di parametri (FFT, costellazione e code-rate) la performance Doppler è in modo approssimativo proporzionale alla larghezza di canale (es. dimezzando la larghezza di canale si dimezza la spaziatura tra le portanti e quindi si dimezza la performance Doppler) e inversamente proporzionale alla frequenza RF.

Per erogazione di servizi ad elevato bit-rate ad antenne fisse (roof-top) nelle bande UHF IV/V si raccomanda il modo 32K FFT.

Per ricezione mobile UHF in banda IV/V, si dovrebbero utilizzare dimensioni FFT più piccole. Per ricezione mobile VHF banda III con 32K e canale 7 MHz si possono ottenere le stesse prestazioni circa del caso 8K a 800 MHz (canale 8 MHz).

Infine il modo 1K FFT offre una performance Doppler maggiore e si intende primariamente per operazioni in banda L (1,5 GHz), utilizzando una larghezza di canale di 1,71 MHz.

5.2 Scelta della modalità portante normale o estesa Il DVB-T2 è stato designato in modo da non presentare requisiti di pianificazione in frequenza più stringenti rispetto al DVB-T. In molti casi questo rimane vero anche utilizzando la modalità di portante estesa.

Lo spettro di un classico segnale OFDM con intervallo di guardia presenta una forma “rettangolare” per la banda del segnale voluto e mostra un roll-off oltre tale banda che dipende dalla spaziatura tra le portanti OFDM. A parità di rate di campionamento e larghezza di banda nominale, più è grande la finestra FFT e più è stretta la spaziatura tra le portanti: ciò porta come conseguenza un più rapido decadimento dello spettro al di fuori della banda nominale. Questo consente per le dimensioni FFT 8K, 16K, 32K di utilizzare la modalità estesa, ovvero di aggiungere portanti dati alle estremità, incrementando il data-rate. Osservando l’esempio di Figura 4-6 si può notare che anche in modalità estesa, oltra un offset di 3,88 MHz dalla frequenza centrale lo spettro del segnale 32 K estesa si mantiene al di sotto di quello 2K.

L’utilizzo della modalità estesa può complicare la risoluzione di alcuni casi estremi

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di interferenza da canale adiacente, in quanto l’utilizzo di un offset in frequenza durante il processo di frequency-planning è ristretto ad un intervallo di valori più limitato che nel caso normale.

5.3 Scelta dell’intervallo di guardia Il DVB-T2 offre un ampia gamma di possibili intervalli di guardia in grado si supportare le esigenze dei broadcaster. E’ necessario distinguere due concetti:

• Durata dell’intervallo di guardia Tg;

• Frazione dell’intervallo di guardia GIF = Tg/Tu.

L’intervallo di guardia può essere visto come il limite massimo di estensione del canale che può essere tollerato dal sistema. Seguendo un approccio che tenga conto di vari aspetti tra cui lo scenario di propagazione, la capacità del sistema e le prestazioni Doppler, si potrebbe utilizzare il seguente processo decisionale:

• In base allo scenario si determina la massima estensione del canale;

• si considera il valore di Tg più vicino;

• si determina lo scenario Doppler del canale;

• da questo si determina la dimensione FFT massima accettabile;

• si considera la più grande dimensione FFT che offre il desiderato intervallo di guardia (fissato il valore frazionario GIF) pur soddisfacendo i vincoli Doppler.

Tuttavia questo approccio è piuttosto semplicistico. E’ vero che se l’estensione del canale eccede l’intervallo di guardia si ha un certo grado di ISI, ma l’impatto di questo fenomeno dipende da alcuni fattori:

• la parte del segnale che cade fuori dall’intervallo di guardia contiene una porzione significativa dell’energia del segnale ricevuto?

• Quanto cade distante?

• Quale è il punto di lavoro? È tollerabile meno ISI se si lavora con un modo che richiede un SNR più alto.

Bisogna anche confrontare inoltre l’estensione di canale scelta con il limite di Nyquist per il pattern delle portanti pilota scelto, perché eccedere tale limite significherebbe rendere impossibile la corretta equalizzazione del canale.

Si deve anche osservare che la stessa “procedura” per stabilire un valore di “massima estensione del canale” è lontana dall’essere lineare.

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Nel caso di SFN ad esempio assumendo che le trasmissioni sono sincronizzate l’estensione massima del canale è chiaramente limitata dalla distanza tra le stazioni più lontane della rete. Questo valore potrebbe essere molto grande e maggiore dell’intervallo di guardia massimo disponibile in DVB-T2.

Questo però non significa dover scegliere tale valore, anche perché i contributi di path a così lunga distanza sono influenzati dalla propagazione (potrebbero essere fortemente attenuati in quanto oltre la linea di vista).

In Tabella 5-1 vengono riportate le durate degli intervalli di guardia per canali 8 MHz per ogni combinazione possibile di dimensione FFT e frazione dell’intervallo di guardia. I valori di GIF con 19 al numeratore corrispondono a particolari FFT e pattern pilota, per garantire contemporaneamente il più grande intervallo di guardia sotto i vincoli Doppler.

Tabella 5-1 - Valori di intervallo di guardia disponibili per ogni dimensione FFT

5.4 Scelta del pattern pilota Il ricevitore DVB-T2 effettua le misure di canale utilizzando le Scattered Pilots (SPs) e interpolando tra queste misure per costruire stime di canale per ogni cella OFDM. Queste misure dovrebbero essere sufficientemente dense da poter seguire le variazioni di canale sia in tempo che in frequenza.

Sono disponibili otto pattern, da PP1 a PP8, con l’intenzione di fornire opzioni per differenti scenari. I parametri caratteristici per ognuno sono descritti in Tabella 5-2.

Ogni pattern è caratterizzato da una separazione di portanti pilota (Dx) e dal numero di simboli che formano una sequenza pilota (Dy).

Dx è in realtà la separazione tra due portanti pilota ma non all’interno dello stesso simbolo, in quanto c’è un pattern diagonale che si ripete ogni Dy simboli.

Ogni pattern è caratterizzato da un limite temporale e in frequenza oltre oltre i quali le variazioni di canale non consentono più di stimare correttamente il canale:

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• Limite di Nyquist temporale: )(2

12 guy

sNy TTD

ff

+±

== Hz, essendo fs la

frequenza di simbolo per la sequenza pilota.

• Massima estensione di canale: x

u

DT , essendo

u

x

TD la spaziatura tra due

portanti consecutive del pattern in Hz.

In realtà i limiti riportati sopra fanno l’ipotesi che il ricevitore operi una interpolazione sia nel tempo che in frequenza.

Se si opera interpolando solo in frequenza si può supportare una larghezza di canale Doppler maggiore, alle spese della estensione di canale supportata. Evitando l’interpolazione nel tempo inoltre si eviterà la necessità di memorizzare i dati nel ricevitore.

L’operatore dovrebbe pertanto scegliere un pattern pilota che consenta un trade-off tra capacità e prestazioni a seconda naturalmente del tipo di uso desiderato.

Incrementando la densità delle portanti pilota l’overhead aumenta (si può esprimere com frazione 1/(Dx*Dy). Come si può vedere dalla Tabella 5-3 gli schemi PP1 e PP2 hanno il maggiore overhead mentre PP7 e PP8 il minore.

PP1 offre il migliore limite di Nyquist per l’estensione del canale, mentre PP6 e PP7 il peggiore. Al contrario PP2, PP4, PP6 offrono il più alto limite di Nyquist per Doppler.

L’utilizzo di una certa configurazione DVB-T2 (FFT + GIF + PPX) è possibile solo se la massima estensione del canale (tempo di guardia scelto) non superi il limite di Nyquist della configurazione PP. Per questo ad esempio solo alcune delle configurazioni PP sono possibili (Tabella 5-4) se il ricevitore lavora esclusivamente in interpolazione di frequenza.

Tabella 5-2 - Parametri caratteristici dei pattern pilota

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Tabella 5-3 - Confronto tra pattern pilota

Tabella 5-4 - Combinazioni FFT - GIF per le quali è possibile (verde) o non è possibile (nero) utilizzare la sola

interpolazione di frequenza delle portanti pilota

5.5 Scelta della lunghezza del frame La lunghezza del frame T2, vale a dire il numero di simboli in un frame T2 è un parametro configurabile e può essere scelta come richiesto dal broadcaster o dall’operatore di rete. I vincoli imposti riguardano la massima durata del frame (250 ms) e il minimo numero di simboli presenti. Altri fattori che influenzano la scelta della lunghezza del frame possono essere i seguenti:

• Un lunghezza maggiore del frame generalmente diminuisce l’overhead percentuale associato ai simboli di preambolo P1, di segnalazione L1 e alla densità di portanti pilota in P2, aumentando il bit-rate totale;

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• Una lunghezza minore del frame significa che P1 e P2 vengono trasmessi più frequentemente e questo consente una acquisizione del servizio più rapida;

• Frames più lunghi possono teoricamente supportare profondità di interleaving maggiori.

In realtà incrementando la lunghezza del frame bisogna considerare alcuni effetti secondari che potrebbero peggiorare le prestazioni del sistema:

• Essendoci un numero fisso di blocchi FEC in un frame T2, se si aumenta il numero di simboli, le celle che non riescono a formare un blocco frame saranno generalmente vuote con conseguente perdita di capacità. Dal momento che il bit-rate totale dipende in dettaglio dall’esatto numero di simboli in un frame, a volte ridurre la lunghezza dello stesso di un simbolo può incrementare il bit-rate riducendo il numero di celle vuote;

• Nel momento in cui si incrementa il numero di simboli, aumenta il numero di celle per frame. Dal momento che c’è un limite al numero di celle in un blocco di Interleaving temporale, c’è un momento in cui è necessario aumentare il numero di blocchi TI per frame. L’effetto prodotto è di conseguenza una riduzione della profondità di interleaving. In Figura 5-1 è mostrato l’andamento del bit-rate e della profondità di interleaving per un sistema DVB-T2 a massima capacità. Il numero di simboli per cui si ottiene massimo bit-rate e massima profondità di interleaving è 60.

5.6 Scelta del modo input (A o B) Esistono due modi di input base per sistemi DVB-T2: modo input A e B.

Il modo A prende in input un singolo TS di bit-rate totale costante. Il TS può contenere un numero di servizi, possibilmente multiplexati statisticamente insieme.

Nel modo B il sistema T2 trasporta più di uno stream in input. Ogni stream è portato da un PLP separato; potrebbe esserci un multiplexing statistico tra i PLPs in modo che il bit-rate di ogni PLP è variabile e potrebbero esserci uno o più PLP comuni, condivisi da gruppi di PLP.

Sostanzialmente si può considerare il modo A come una “degenerazione” del modo B con un numero di PLPs pari a uno e un unico PLP mappato nel frame T2 sempre negli stessi indirizzi di cella.

In Tabella 5-5 vengono confrontate le principali caratteristiche dei modi di input A e B.

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Figura 5-1 - Data rate e profondità di interleaving in funzione del numero di simboli del frame T2

Tabella 5-5 - Confronto tra modi input A e B

5.7 Scelta dei parametri di interleaving temporale La scelta del numero di blocchi TI per Interleaving Frame dipende da due fattori. Incrementando il numero di blocchi TI per una data durata di frame si riduce il tempo di interleaving e quindi la diversità: questo implica una minore resistenza a fenomeni di interferenza impulsiva e canali tempo-varianti. D’altra parte incrementare il numero di blocchi TI significa incrementare il data-rate, dal momento che il numero di celle in un blocco è fissata.

Un alternativa importante è il multi-frame interleaving, che consiste nel diffondere un blocco TI su più frame T2. Questo viene utilizzato tipicamente per PLP a basso data-rate, che altrimenti avrebbero una diversità temporale piuttosto limitata nel singolo frame (un solo sub-slice per frame).

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5.8 Scelta di code-rate, lunghezza del blocco e costellazione I criteri che influenzano la scelta di costellazione e code-rate sono simili a quelli del DVB-T. Code rate più alti e costellazioni di ordine superiore danno entrambi maggiori bit-rate ma richiedono rapporti C/N maggiori. Comunque le performance dei codici LDPC è significativamente migliore di quella dei codici convoluzionali utilizzati nel DVB-T. Di conseguenza i requisiti SNR di un dato code-rate LDPC sono più bassi di quelli di un codice convoluzionale allo stesso rate.

Le performance dei codici corti (16200 bit per FEC frame) sono di qualche decimo di dB peggiori dei codici normali (64800 bit per FEC frame). Possono essere utilizzati per applicazioni a basso code-rate che richiedono latenza più breve.

6 Performance di un sistema DVB-T2

I risultati presentati indicano le prestazioni di un sistema DVB-T2 in un range di canali terrestri. Si basano su simulazioni e validazioni effettuati durante e dopo lo sviluppo dello standard DVB-T2.

6.1 Modelli di canale utilizzati per le simulazioni Durante lo sviluppo delle specifiche DVB-T2 sono stati utilizzati differenti modelli di canale per fornire i risultati delle performance simulate. In aggiunta ai noti modelli di canale per il DVB-T sono stati aggiunti altri modelli specifici del DVB-T2. Tali canali sono stati scelti per verificare le prestazioni del sistema in un ampio raggio di condizioni di ricezione, che includono ricezione fissa, portatile, mobile e SFN e MISO.

6.1.1 Canale gaussiano

In questo modello di canale si somma al segnale il solo rumore bianco Gaussiano (AWGN) e c’è un solo contributo.

6.2 Canale di Rice Lo stesso canale di Rice F1 definito nelle specifiche DVB-T è utilizzato per descrivere le condizioni di ricezione di un antenna su tetto (ricezione fissa outdoor): il canale non include Doppler e dovrebbe pertanto essere considerato come una “fotografia” istantanea del canale Rice tempo-variante.

Il modello è definito nella Equazione 6-1, dove:

• x(t) e y(t) sono i segnali di input ed output rispettivamente;

• il primo termine prima della somma rappresenta la linea del raggio in vista;

• N è il numero di echi ed è pari a 20;

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• Θi è la variazione di fase dallo scattering del contributo i-esimo (Tabella 6-1);

• ρ i è l’attenuazione del contributo i-esimo (Tabella 6-1);

• Τi è il ritardo relativo del contributo i-esimo (Tabella 6-1).

Equazione 6-1 - Modello di canale Rice

Il fattore di Rice K è definito come il rapporto tra la potenza del raggio diretto rispetto alla somma delle potenze dei raggi riflessi ed è dato da:

Equazione 6-2 - Fattore di Rice

Per le simulazioni è stato utilizzato un fattore di Rice pari a 10.

6.3 Canale di Rayleigh Si tratta dello stesso canale di Rayleigh definito nelle specifiche DVB-T per descrivere le condizioni di ricezione portatile indoor o outdoor. Il canale non include Doppler e dovrebbe pertanto essere considerato come una “fotografia” istantanea del canale Rayleigh tempo-variante. Il modello è definito nella Equazione 6-3, dove:

• x(t) e y(t) sono i segnali di input ed output rispettivamente;

• Θi, ρ i e Τi sono dati in Tabella 6-1.

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Equazione 6-3 - Modello di canale Rayleigh

Tabella 6-1 - Potenza, fase e ritardo relativo per F1 e P1

6.4 Canale mobile, TU-6 Questo profilo riproduce la propagazione terrestre in una area urbana. E’ stato definito da COST 207 come un profilo tipicamente urbano ed è caratterizzato da 6 paths che hanno ampia dispersione in ritardo e potenza relativamente ampia. I parametri del profilo sono dati in Tabella 6-2.

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Tabella 6-2 - Parametri del profilo TU6 (profilo urbano)

6.5 Profilo a due contributi, eco a 0 dB Questo profilo include due contributi. Ogni contributo i è definito da αi, τi, ∆fi, che rappresentano l’ampiezza, il ritardo e lo sfasamento. I parametri del profilo sono dati nella Tabella 6-3. Il parametro ∆ denota la durata dell’intervallo di guardia.

Tabella 6-3 - Parametri del profilo eco a 0 dB

6.6 Canale MISO Dal momento che la trasmissione MISO proviene da due antenne trasmittenti differenti, la simulazione di canali MISO richiede almeno due canali di fading indipendenti, uno per ogni trasmettitore. Per il primo trasmettitore si utilizzano i valori di Tabella 6-1, mentre per il secondo trasmettitore si utilizzano i valori in Tabella 6-4.

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Tabella 6-4 - Canale MISO: valori di potenza, fase e ritardo relativi per il secondo contributo (F2 e P2)

6.6.1 Canale MISO Rice

Il canale MISO Rice è molto simile al normale canale SISO Rice, tranne per il fatto che si aggiunge il contributo di un secondo segnale. La definizione del canale è data da Equazione 6-4, dove:

• x1(t) e x2(t) sono i segnali di input dai due trasmettitori, mentre y(t) è il segnale in output ;

• il primo termine prima della sommatoria rappresenta il contributo diretto per ogni tx;

• N è il numero di echi ed è pari a 20;

• Θ1,i e Θ2,i sono le variazioni di fase dallo scattering del contributo i-esimo (Tabella 6-1 e Tabella 6-4);

• ρ1,i e ρ2,i sono le attenuazioni del contributo i-esimo (Tabella 6-1 e Tabella 6-4);

• τ1,i e τ2,i sono i ritardi relativi del contributo i-esimo (Tabella 6-1 e Tabella 6-4);

• ∆2 è il ritardo del secondo trasmettitore rispetto al primo;

• f∆ è l’offset in frequenza tra i due trasmettitori;

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• A è l’attenuazione del secondo trasmettitore rispetto al primo.

Equazione 6-4 - Modello canale MISO Rice

Il fattore di Rice Kj per ogni canale è dato da:

Equazione 6-5 - Fattore di Rice per ogni tx del modello MISO Rice

6.7 Canale MISO Rayleigh Il canale MISO Rayleigh è molto simile al corrispondente P1 SISO, tranne per il fatto che viene aggiunto il contributo di un secondo segnale.

Il canale MISO Rayleigh è dato dall’Equazione 6-6, dove il significato dei parametri è lo stesso descritto per il canale MISO Rice.

Equazione 6-6 - Modello di canale MISO Rayleigh

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6.8 Prestazioni del sistema simulate per canale 8 MHz Le tabelle Tabella 6-5 e Tabella 6-6 forniscono le prestazioni simulate ipotizzando una perfetta stima di canale, perfetta sincronizzazione e assenza di rumore di fase di una combinazione modulazione – code rate e sono soggette a conferma da test. I risultati sono forniti per canale gaussiano, Rice (F1), Rayleigh (P1) e eco a 0 dB, con la portante del segnale DVB-T2 posizionata a 32/7 MHz.

I risultati sono forniti ad un valore di BER pari a 10-7 dopo la de-codifica LDPC e corrisponde approssimativamente a 10-11 dopo decodifica BCH.

Per ottenere risultati credibili le simulazioni sono state effettuate fino a raggiungere le due seguenti condizioni:

• Minimo di 100 blocchi FEC errorati;

• Minimo di 1000 bits errorati.

I parametri OFDM DVB-T2 utilizzati per queste simulazioni sono stati scelti il più possibile simili a quelli per DVB-T: dimensione FFT pari a 8K, GIF = 1/32 e la larghezza di canale pari a 8 MHz con modo a portanti non estesa.

Nelle simulazioni il segnale trasmesso non include del tutto le portanti pilota, né i simboli speciali all’inizio del frame (P1,P2) e alla fine (simbolo di chiusura del frame). Pertanto i valori di (C/N)0 dovrebbero essere corretti per dimensione FFT e pattern pilota come si vedrà in seguito.

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Tabella 6-5 - Valori di (C/N)0 richiesti per ottenere BER = 1 x 10-7 dopo la decodifica LDPC: lunghezza del

blocco LDPC: 64800 bits

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Tabella 6-6 - Valori di (C/N)0 richiesti per ottenere BER = 1 x 10-7 dopo la decodifica LDPC: lunghezza del

blocco LDPC: 16200 bits

6.9 Valori di correzione per portanti pilota I valori di (C/N)0 forniti in precedenza non tengono conto della riduzione nei dati C/N dovuta alla presenza delle portanti pilota “maggiorate”, in funzione del pattern pilota in uso. I valori netti di C/N possono essere derivati calcolando un fattore ∆BP tale che:

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Equazione 6-7 – Valori di C/N corretti da fattore ∆BP

Il fattore di correzione ∆BP è calcolato dalla Equazione 6-8:

Equazione 6-8 - Fattore di correzione ∆BP

Dove:

• Ndata è il numero di celle dati per simbolo OFDM;

• NNBP è il numero di celle pilota non “maggiorate” per simbolo OFDM;

• NBP è il numero di celle pilota “maggiorate” per simbolo OFDM;

• BBP è la maggiorazione di potenza delle portanti “maggiorate” rispetto alle celle dati, pari a ABP

2;

• NCP è il numero di celle pilota continue per simbolo OFDM;

• BCP è la maggiorazione di potenza delle portanti continue rispetto alle celle dati, pari a ACP

2. Il fattore di correzione varia da 0,29 a 0,53 dB ed è valido per l’intero frame T2: i valori per ogni combinazione FFT-pattern pilota sono mostrati in Tabella 6-7.

Tabella 6-7 - Fattori di correzione ∆BP per portanti pilota

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Bibliografia [1] ETSI TS 102 831 V1.1.1 (2010-10) [2] ETSI TS 302 755 V1.2.1 (2010-10)

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