COFDM et DVB-T.
Les tentatives de télévision haute définition que furent MUSE ou HD-MAC
montrèrent que le public était plus sensible à la quantité de programme
disponible qu'à la qualité de l'image elle-même.
Le réseau analogique de télévision terrestre est saturé, le numérique doit
donc entrer en jeu afin de gagner de la bande passante et de multiplier le
nombre d'émissions possibles.
Cette première partie du document traite de la télévision numérique terrestre
(TNT) d'un niveau général. Après une brève présentation historique, commerciale
et technique, le principe d'un décodeur numérique terrestre (set top box) est
présenté. Enfin, pour ceux que cela interesse, la conception d'un émetteur est
ensuite détaillée (avec code source en VHDL).
Partie I - Présentation du numérique terrestre.
A - Historique de la télévision numérique - introduction.
B - Numérisation et compression des signaux.
C - Signal numérique de base (PES) et train binaire MPEG-2.
D - Les tables SI/PSI - Repérage dans le transport stream.
Partie II - Synoptique d'un récepteur.
Partie III - Etude d'un émetteur DVB-T.
Partie IV - En savoir plus - Glossaire - Bibliographie.
Partie I - Présentation du numérique terrestre.
A - Historique - introduction.
L'apparition du numérique sur le câble puis le satellite fut à l'origine de la
naissance d'une nouvelle norme de transmission audiovisuelle, permettant une
flexibilité entre le nombre de chaînes et la qualité.
Le consortium DVB fut crée en 1992; c'est un groupe de travail concernant la
télévision numérique. Le marché est à l'époque demandeur d'une augmentation de
la capacité de transmission, la haute définition passant au second plan.
L'émergence des différentes normes HD-MAC, MUSE et autres systèmes ont du mal
à trouver leur place, la présentation du projet DVB de télévision numérique
câble et satellite signe la fin du premier ère numérique (si tant est qu'il
est commencé...)
Cette norme permet donc une grande flexibilité sur le nombre de chaîne et leur
qualité, ce dont le marché est demandeur. A l'époque la pluspart des pays
n'abordent pas le problème de la transmission en numérique sur le terrestre, ne
voulant pas alors risquer de brouiller le démarrage du DVB câble et satellite.
Suite du document , une naissance difficile :
Historique et déboires de la TNT.
B - Numérisation et compression des signaux.
La norme MPEG définit un ensemble d'étapes de codage qui permettent de transformer
un signal vidéo en train binaire.
Le train binaire élémentaire que l'on souhaite transmettre s'appelle ES: Elementary
Stream. Il s'agit généralement soit d'un signal vidéo, soit d'un signal audio ; ces
deux signaux sont de type numérique et compressés selon les normes MPEG. Rappelons
qu'une transmission sans compression nécessiterait une bande passante d'environ 124Mbit/s.
Alors que chaque pixel est représenté par une valeur de luminance, les composantes de
chrominance sont sous échantillonnées de façon à obtenir une valeur de U ou V pour
deux ou quatre pixels. Dans le format 4.2.2 pour quatre échantillons de luminance Y,
il y a deux échantillons de chrominance bleue et deux échantillons de chrominance rouge.
Format 4.2.0 : 1 luminance Y et deux chrominances U,V.
720*576+360*288+360*288 = 622 080 échantillons.
Echantillonnage sur 8 bits avec 25 images par secondes.
Soit un débit brut d'environ 124Mbit/s (vidéo seule).
Numérisation du signal vidéo.
La numérisation est basée sur trois matrices de pixels appelées YUV, ce qui correspond
à une luminance (Y) et deux chrominances U et V (différentiel rouge et différentiel
bleu). La matrice Y est transmise avec une résolution de 720 par 576 alors que les deux
matrices U et V ont une résolution de 360 par 288. La numérisation est effectuée sur
8 bits à raison de 25 images complètes par secondes.
Figure 1 : format 4.2.2 et 4.2.0.
Table 0 : Taille des images selon le format.
| Format A:B:C | Nb col/lignes Y | Nb col/lignes UV | facteur de division horizontal | facteur de division vertical |
| 4:4:4 | 720:480 | 720:480 | aucun | aucun |
| 4:2:2 | 720:480 | 360:480 | 2:1 | aucun |
| 4:2:0 | 720:480 | 360:240 | 2:1 | 2:1 |
| 4:1:1 | 720:480 | 180:480 | 4:1 | aucun |
| 4:1:0 | 720:480 | 180:120 | 4:1 | 4:1 |
C - Signal numérique de base (PES) et train binaire MPEG (TS-MPEG).
PES, Timestamp et notion d'horodatage.
La numérisation des signaux étant faite, il nous reste à les transmettre dans le même train
binaire.
Généralement, on dispose de deux signaux numérique compressés, l'un vidéo et l'autre audio;
il faut les transmettre dans le même train binaire. Pour cela les deux éléments devront être
synchronisés afin que la restitution de la parole soit en phase avec l'image. Des marqueurs
temporels sont associés à chacune des composantes, ces marqueurs indiqueront l'instant auquel
les informations devront être décodés et joués. Par ailleurs, il est impératif que ces deux
signaux partagent la même horloge de référence.
Le PES (Packetized Elementary Stream) est un paquet de données composé d'un en-tête et d'une
charge ; OverHead + payload. La charge contient des données qui n'appartiennent qu'à une seule
des composantes à transmettre (frames audio ou images vidéo), l'en tête est fixe alors que la
charge peut être de longueur variable mais ne doit pas dépasser 64ko.
Figure 2 : Génération d'un transport stream MPEG..
Paquets de transport.
Pour assurer l'efficacité d'un code correcteur d'erreur, il faut transmettre l'information
par paquet de longueur relativement courte. La taille est de 188 octets pour les paquets du
train binaire MPEG-2 ; chaque paquet peut alors contenir des données relatives à n'importe
quelle composante (vidéo, audio, PAT, télétext...).
Figure 3 : paquet de transport train MPEG-2.
Chaque paquet de 188 octets est composé d'un en-tête de longueur fixe de 4 octets et d'un
éventuel champ d'adaptation, la charge (les PES) est donc au maximum de 184 octets. Chaque paquet
commence par un octet de synchronisation 0x47 qui permet donc au récepteur de se synchroniser
sur le flux binaire. Un bit spécifique de l'en-tête, nommé PUSI (Payload Unit Start
Indicator) indique si le paquet correspond à un point d'entrée dans le flux élémentaire
(ce drapeau indique le début d'un PES)
Chaque paquet est identifié par son PID (Packet Identifier), Pour récupérer une composante
élémentaire, il suffit de récupérer tous les paquets qui portent le même PID et de mettre
les charges bout à bout. Quatre bit d'en-tête constituent un compteur de continuité (CC) et
permet d'être sur de récupérer tous les paquets d'un même PID dans l'ordre.
Les PES de taille variable sont décomposés en multiple de 184 octets afin d'être insérer dans le train binaire MPEG-2. Il devient donc nécessaire d'adapter la taille de la charge de certains paquets, pour cela, le champ d'adaptation permet d'inclure des octets de bourrage afin de réduire la taille de la charge (cas du dernier paquet du PES qui ne serait pas un multiple de 184 octets). Deux bit d'en-tête permettent de savoir si la charge contient du bourrage ou de la donnée utile. L'information Adaptation Field Control (AFC) est scindé en deux bits, le premier précise si il y a présence d'un champ d'adaptation dans le paquet ; le second précise si le paquet est de la donnée utile ou non. Ce champ d'adaptation contient une autre donnée essentielle : l'horloge de référence d'un programme (PCR) ; elle permet l'association d'un signal vidéo à un ou plusieurs signaux audio.
D - Les tables SI/PSI - Repérage dans le transport stream.
Le train MPEG-2 est constitué d'une suite de paquets de 188 octets identifiés par leur PID ; la
norme IEC 13818-1 a défini trois tables qui permettent de trouver les différents services dans
le flux.
LA PAT (Programm Association Table) se trouve toujours sur le PID 0x00 ; elle définit le nombre de
programme présents dans le multiplex et donne les PID des tables qui vont permettre de reconstituer
ces services (PID et PMT : Program Map Table). Il existe une PMT par service présent dans le multiplex,
elle indique les différentes composantes d'un programme et donne le PID de chacune de ces composantes
(image, audio1, audio2 ...) ainsi que le PID qui porte le PCR pour la synchronisation. Une table d'accès
conditionnel (CAT) est présente si au moins un des programmes est crypté. (système de contrôle d'accès).
Table 1 : Valeur du PID et fonction associée.
| Valeur | Rôle |
| 0 | Programm Association Table PAT |
| 1 | Conditional Access Table CAT |
| 2 à F | Réservé |
| 10 | Network Information Table NIT |
| 20-1FFE | Video/Audio/données |
| 1FFF | NULL Packets |
Figure 4 : Tables PSI/SI.
Etapes à effectuer pour rechercher un programme dans un multiplex TS-MPEG.
1. Filtrer le PID 0.
2. Construire la table d'association de programme (PAT).
3. présenter le choix de programme à l'utilisateur.
Une fois le choix utilisateur effectué:
4. filter le PID correspondant à la PMT de ce programme.
5. construire la table de programme.
6. Filter le paquet indiqué par le champ PCR_PID, récupérer le PCR et synchroniser
l'horloge système STC.
Le tour est joué, il ne reste plus qu'à regarder la télé.
E - Codage de canal - CCE (FEC) et dispersion d'énergie.
Le codage de source abordé jusque là consistait à mettre en forme le signal avant diffusion. Cette diffusion utilise un canal qui apporte généralement des dégradations au message d'origine. Hors il a fallu compresser les données afin de rendre le transport compatible avec la taille du canal souvent restreinte ; la compression supprime une grande partie de la redondance naturelle du signal : il ne reste donc plus qu'une information sensibles aux perturbations (bruit...). Il est donc nécessaire d'utiliser une partie de la bande passante pour émettre des informations redondantes qui permettront de corriger d'éventuelles erreurs. Pour cela, un codage FEC (Forward Error correction) est utilisé.
Figure 5 : Chaîne de codage de canal.
L'inversion de bloc permet au décodeur de bien se synchroniser (je vois pas trop pourquoi) ; l'octet
de synchronisation 0x47 du train binaire MPEG-2 (occurrence de 188 octets) est inversé tous les huit
paquets et devient 0xB8.
La dispersion d'énergie permet d'éviter la transmission d'une longue suite de 1 ou de 0 ; le signal
est donc rendu quasi-aléatoire par embrouillage de polynôme générateur :
g(x) = 1 + x^14 + x^15
Tous les huit paquets, l'embrouilleur est initialisé avec la séquence 100 1010 1000 0000 ; les octets de synchronisation ne sont pas embrouillés (sinon comment ferions nous!). La période de la séquence pseudo-aléatoire est de 1 503 octets.
Figure 6 : Représentaion électronique de l'embrouilleur.
La partie supérieure représente la séquence pseudo-aléatoire, c'est quinze bascules en séries dont les sorties 14 et 15 sont injectées dans une porte logique ou exclusif, le résultat est ensuite envoyé sur l'entrée de la fonction. La porte logique ET permet de valider ou non la fonction de dispersion d'énergie (Enable). Cette séquence aléatoire est ensuite additionnée exclusivement (ou exclusif) avec le train binaire. La fonction d'embrouillage et de désembrouillage est la même dans ce cas.
Dans un cas général le codage de Reed-Solomonest caractérisé par RS(n,k,2t) avec :
n : taille du bloc après codage,
k : taille du bloc d'origine
t : est le nombre de symboles corrigibles.
Le code utilisé pour la TnT est adapté aux erreurs en rafales introduites par le canal de transmission.
Le code Reed-Solomon ajoute 16 octets de redondance au paquet du train MPEG-2 portant à 204 la
longueur des séquences. C'est donc un code RS(204, 188, t=8) qui est utilisé et qui permet de corriger
jusqu'à 8 octets erroné par paquet. La distance minimale de Hamming est d=17 octets ce qui permet de
corriger jusqu'à t = (d-1)/2 = 8 octets erronés. Le code utilisé est une version raccourcie du code
RS(255, 239, t=8) que l'on peut utiliser en ajoutant 51 octets nuls avant les paquets de 188 octets afin
de former des blocs de 239 octets ; ce dernier code (de 239 octets d'entrée) est utilisé dans G709 pour les
télécommunications CWDM. Après codage, on supprime les 51 octets nuls afin de ramener la séquence à 204 octets.
Les paramètres de ce code sont le polynôme primitif du corps de Galois :
p(x) = x^8 + x^4 +x^3 + x^2 +1
et le polynôme générateur du code RS :
g(x) = (x + λ0) . (x + λ1) . ... . (x + λ15)
où λ = 0x02
F - Modulation COFDM - Approche technique.
Le codage source et le codage canal effectués, le train binaire est prêt à moduler une porteuse. Pour la TNT, la largeur du canal de transmission est de 8 MHz et permet un débit de 36Mbit/s. Les informations à transmettre étant numériques, la largeur de bande nécessaire est théoriquement infinie. Pour contrer cela, et éviter les problèmes d'interférences inter symboles (ISI), on utilise un filtre en cosinus surélevé, aussi appelé filtre de Nyquist. Ce filtre à un paramètre caractéristique α qui est le facteur de roll-off. Le lien entre la bande passante occupée et le temps symbole Ts est :
B = (1 + α).1/2T
Le principe de la modulation OFDM consiste à répartir le train numérique de données à émettre sur un grand nombre de porteuses orthogonales, transportant chacune un faible débit. Cette méthode est très intéressante pour une transmission hertzienne qui génère une transmission de faisceaux à trajets multiples ; le fait de réduire le débit de chaque porteuse fait que la retard introduit par les trajets multiples devient inférieur au temps symbole. Pour cela, un grand nombre de porteuses de période Ts et distantes de 1/Ts sont utilisées (condition d'orthogonalité). L'intervalle de garde est une valeur qu'il est possible de paramétrer; il permet de s'affranchir de l'interférence inter symbole qui résulte, au niveau du récepteur, de la combinaison du signal direct et des différents échos. L'intervalle de garde évite la prise en compte de ce signal déformé et doit donc être d'une période supérieure au retard maximum apporté par les échos. Cependant, plus l'intervalle de garde est grand, moins on transmet de symbole, réduisant le débit et obligeant à augmenter le nombre de porteuses.
Figure 7 : Porteuses orthogonales dans un canal OFDM.
Deux types d'émission différentes sont possibles :
Table 2 : Caractéristiques principales des deux types de modulations.
| Paramètres | Mode 2k | Mode 8k |
| Nombre de porteuses | 1705 | 6817 |
| Durée utile Tu | 224 µs | 896 µs |
| Intervalle de garde Δ | Ts/4, Ts/8 ou Ts/32 | Ts/4, Ts/8 ou Ts/32 |
| Espace entre porteuses | 4 464 Hz | 1 116 Hz |
| Largeur totale | 7,61 MHz | 7,61MHz |
Le réseau multifréquences MFN (Multiple Frequency Network) s'adapte à la configuration actuelle de la planification
analogique ; ce type de réseau permet d'utiliser les canaux interdits (voir ci -dessous les canaux
tabous. L'utilisation de ces canaux permet d'atteindre un meilleur taux de couverture plus rapidement. C'est le
mode le plus facile à planifier que le CSA à choisit pour le déploiement de la TNT en France.
Les réseaux monofréquence SFN (Single Frequency Network) sont caractérisés par un canal identique sur l'ensemble des
émetteurs qui sont alors synchroniséspar une horloge de référence (GPS...). Ce type de réseau nécessite l'utilisation
de fréquences exclusives, ce qui est difficile (impossible) à réaliser au niveau national compte tenu de l'occupation
spectrale.
Le mode 2k comporte le moins de porteuses, il est adapté à la correction d'échos courts (échos naturels). Il sera par
ailleurs mieux adapté à la réception mobile car les porteuses sont plus écartées, donc moins sensible à l'effet Doppler.
Le mode 8k disposant plus de fréquences, permet des intervalles de garde plus grands et est donc adapté aux échos longs ;
ce mode permet la réalisant de réseaux monofréquences large maillecar il devient possible de compenser les interférences
entre émetteurs voisins.
Le signal issue du codage canal est réparti en n suite de bit ou n représente le nombre de bits par symbole selon la modulation choisie (QPSK, QAM16, QAM64...). Chacune de ces suites de bits passe dans un entrelaceur, on construit alors des symboles en prenant un bit sur chaque sortie, une porteuse de la trame OFDM leur est alors assignée...
Les porteuses sont choisit orthogonales entre elles afin de pouvoir les séparer plus facilement à la réception.
Multiplexage par division de fréquence orthogonale ; pour la valeur centrale d'une porteuse, on observe un passage à
zéro du spectre des porteuses voisines.
Figure 8 : Différentes modulations numériques.
Les différentes modulations possibles:
QPSK soit émission de 2 bits par symbole.
MAQ16 soit émission de 4 bits par symbole.
MAQ64 soit émission de 6 bits par symbole.
Le débit peut varier entre 5 et 31,7Mb/s.
Partie II - Synoptique d'un récepteur et pré-étude.
Pourquoi une pré-étude me direz-vous ; tout simplement parce que l'étude complète d'un récepteur de télévision numérique sort largement du cadre de cet exposé, un tel projet ne peut être qu'industriel et demande beaucoup de temps et de moyens...
Le signal de télévision terrestre analogique est essentiellement diffusé en ondes décimétriques (canal 21 à 69, soit un intervalle de fréquences allant de 470 à 854 MHz). Cet intervalle de fréquences est divisé en canaux de 8 MHz planifié dans les années 1960 afin de transmettre trois chaînes dans trois canaux différents ; pour des raisons de sélectivités des tuners, l'usage d'un canal N interdisait l'utilisation des canaux N-1 et N+1. Par ailleurs , les canaux N+4, N-4, N+9 et N-9 sont des canaux générant des interférences dues à la fréquence image. Enfin, des émetteurs voisins doivent utiliser des fréquences différentes (risque d'échos...). Toutes ces contraintes entraînent une très faibles efficacité spectrale et beaucoup de canaux interdits appelés 'tabous'.
Pour ces raisons historique et techniques, la France est couverte de canaux UHF en diffusion analogique organisés par triplets. Entre chaque canal du triplet se trouve deux canaux libres qui seront affectés à la télévision numérique. Leur puissance est de 13 dB plus faible que la puissance analogique (soit une puissance 20 fois plus faible) afin de ne pas perturber ces derniers, assurant une compatibilité des deux systèmes en attendant l'arrêt complet de la télévision analogique.
Figure 9 : Spectre de diffusions analogiques et numériques.
Tuner :
C'est surement la partie la plus sensible, d'elle dépend la sensisbilité du récepteur ;
si en analogique les dégradations apportées par le bruit étaient perçues progressivement,
en numérique, il en vas tout autrement. Passé un certain seuil de taux d'erreurs, l'image
se trouvera complètement dégradée avec l'apparition de macro bloc 16x16...
L'objectif du tuner est donc de fournir un signal d'amplitude constante en fréquence
intermédiaire à partir d'une source d'amplitude variable, potentiellement faible niveau et
de fréquence variable elle aussi, selon les canaux à recevoir.
Figure 10 : Synoptique d'un tuner de récepteur DVB-T.
L'amplificateur faible bruit est suivi d'un atténuateur variable qui permet de conserver
un niveau FI constant dans une certaine plage de variation RF d'entrée. Généralement cet
étage d'amplification à gain variable est piloté en FI avec une information issue du circuit
de démodulation OFDM...
Un niveau constant de la FI permettra par la suite une utilisation optimisée de l'ADC.
Un OL variant dans la plage UHF + FI attaque le mélangeur qui transpose le signal RF incident
en une FI de 36,125MHz. Un FOS (SAW) à cette FI "supprime" les canaux analogiques ou numériques
adjacents... La fréquence intermédiaire attaque le DAC d'entrée du circuit de réception DVB-T.
La fréquence image située à RF+2*FI peut nécessiter l'usage d'un filtre suiveur. Cette configuration
de fréquence image dépend de la topologie du réseau de fréquence en une région donnée. (présence d'un
canal sur un émetteur voisin à F reçue +2FI).
Démodulateur COFDM :
Tous les circuits intègrent un ADC recevant la Fréquence Intermédiaire de 1er ordre
(36MHz) ou, pour certains circuits, de second ordre, ie. après une seconde transposition
transposant le signal à 4MHz ; autres fonctions : coeur DSP, démodulation I/Q, Désembrouilleur,
viterbi, RS... Une information de CAG pilotant l'atténuateur du tuner et un CAF
interne.
Circuits de traitement audio-vidéo :
Les données MPEG-II décompressées sont disponibles au format 422 YUV. Ce signal rentre sur un circuit de type SAA7183 qui fournit sur ses sorties des signaux pour une prise peritel par exemple.
L'audio sort du décodeur MPEG dans un train série au format I2S. Trois files permettent de
véhiculer l'information, un signal d'horloge, un signal Left/Right, un signal de donnée
dans différents format possible, avec ou sans justification...
Ce signal audio numérique est décodé dans un circuit intégrant un modulateur delta sigma et
un DAC pour chacune des voies. La programmation du composant se fait en SPI ou I2C, selon
les fabriquants.
Quelques caractéristiques techiques d'un récepteur.
Entrée RF...........: 470 à 860MHz. Niveau RF...........: A définir min/max à FI=cte. typ: 50dBuV Sensibilité.........: à définir (niveau RFmin), pour BER donné. Seconde FI..........: 36,125MHZ Puissance FI........: à définir. OL de transposition.: 500MHz à 1000MHz. Puissance d'OL......: 10dBm. bruit de phase......: 90dBc/Hz à 10kHz de fo. Norme vidéo.........: Pal/Secam/Ntsc. Sortie Péritel......: Audio L/R, R, V, B, Cvbs, Synchro.
Emetteur de télévision numérique terrestre.
Partie VI - Synthèse - Glossaire - Bibliographie.
CCE/HEC : Code Correcteur d'erreurs.
TNT : Télévision Numérique Terrestre.
SPDIF : Sony/Philips Digital Interface. Transfert de données audio stéréo.
I2S : Serial Digital audio bus.
VGA : Voltage Gain Amplifier. Amplificateur à gain variable.
CVBS : Composite Video Vand Vignal.
Y-C : Luminance/Chrominance.
DVB : Digital Video Broadcasting. (Télévision numérique.)
DVB-C : DVB Cable.
DVB-S : DVB Satellite.
DVB-T : DVB Terrestre.
FI-IF : Fréquence Intermédiaire.
SAW-FOS : Filtre à Onde de Surface.
COFDM : Coded hOrthogonal Frequency Division Multiplex.
MPEG : Motion Picture Experts Group.
SFN : Single Frequency Network : réseau de transmission iso fréquence.
Tous les émetteurs doivent alors émettre le même contenu.
(décrochage régional impossible).
MFM : Multiple Frequency Network.
STB : Set Top Box, boîtier permettant le décodage et la réception des signaux
numériques sur un téléviseur analogique. (estimons le prix à 1000F).
Pour en savoir plus sur la télévision numérique :
Sites des principaux protagonistes et intervenants.
Digital Video Broadcasting.
Conseil Supérieur de l'Audiovisuel.
Europeen Telecommunications Standard Institute.
Digital terrestrial Action Group.
Plannification des fréquences.
Institut National de l'Audiovisuel.
Site de veille sur la TNT.
Source d'information sur la TNT.
Télé-Diffusion de France.
La télévision numérique, MPEG2, système européen DVB.
Hervé Benoit, Edition Dunod.
Dossier de l'audiovisuel : quel avenir pour la télévision numérique terrestre ?
N=98 de juillet aout 2001.
Edition et documentation : INA.
Research and Development Report,
MPEG-2 Overview of the systeems layer,
BBC.
Techniques de l'ingénieur.
Set Top Box par Véronique Kerguelen.
TE-5-875
Nouvelles de l'UIT.
Edition spéciale Numéro 4, mai 2004.
La télévision par voie hertzienne de terre passe au numérique.
BBC research and development report.
MPEG-2, overview of the system layer.
Normes DVB. ETS-300-744 DVB, framing structure, channel coding and modulation for DVB-T. TR-101-291 DVB, usage of the DVB test and measurement signalling channel (PID 0x001D). Normes relatives à la planification de la télévision analogique de terre. Recommandation UIT-R BT.417-4 Recommandation UIT-R BT.655-6 Valeurs minimales de champs pour assurer une bonne protection contre les interférences. Normes relatives à la planification de la télévision numérique de terre. Recommandation UIT-R BT.798-1 Radiodiffusion télévisuelle numérique de terre, notions de base sur la plannification. Recommandation UIT-R BT.1125 Mise en oeuvre et réseau à fréquence unique, conditions de réception. Recommandation UIT-R BT.1299 Principe relatifs au codage bande de base, modulation et codage canal. Recommandation UIT-R BT.1368-4 Paramètres de planification et rapports de protection.