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Telecomunicazioni Multimediali – Introduzione Scopo del corso: fornire agli allievi le conoscenze di base necessarie per comprendere alcuni dei più importanti.

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Presentazione sul tema: "Telecomunicazioni Multimediali – Introduzione Scopo del corso: fornire agli allievi le conoscenze di base necessarie per comprendere alcuni dei più importanti."— Transcript della presentazione:

1 Telecomunicazioni Multimediali – Introduzione Scopo del corso: fornire agli allievi le conoscenze di base necessarie per comprendere alcuni dei più importanti sistemi multimediali di comunicazione oggi disponibili. Durata del corso: 42 ore Crediti: 5 CFU Calendario del corso: dal al (giovedì dalle 09:00 alle 13:00 – venerdì dalle 09:00 alle 11:00 Tipo di corso:fondamentale Frequenza:consigliata (non obbligatoria) Prerequisiti:corsi di Teoria dei Segnali, Elaborazione delle Immagini, Sistemi di Telecomunicazione, Comunicazioni Elettriche, Teoria dell'Informazione e Codici Testi di riferimento:Digital Video and Audio Broadcasting Technology - W. Fisher Ed. Springer – 2nd Edition - ISBN Fondamenti di Telecomunicazioni - Leon W. Couch – 2002 – Ed. Apogeo - ISBN , Wikipedia (www.wikipedia.org)www.wikipedia.org Esame:Scritto o tesina + Orale Argomenti tesine:DAB, compressione audio, misura della qualità dei segnali video, correzione errori, MPEG2, modulazioni digitali Riferimenti:Alessandro Barducci Una solida base di conoscenze matematiche è indispensabile per seguire il corso ed ottenere un buon voto negli esami di profitto. Si assume che tutti gli allievi abbiano familiarità con i concetti e le tecniche matematiche tipiche dei corsi di Teoria dei Segnali, Elaborazione delle Immagini, Sistemi di Telecomunicazione e Teoria dell'Informazione e Codici.

2 Colorimetria e Visione Spettri e visione umana Tristimolo: il sistema fondamentale (s, m, l) Osservatore, illuminante e riflettanza Il sistema x, y, z Metamerismo Gli spazi di colore percettivi: CIELab, LCH Nozioni di Base e Richiami Trasformata di Fourier Trasformata di Hilbert Modulazione analogica di ampiezza (AM) Teorema del Campionamento Quantizzazione e modulazioni impulsive (PCM, PAM, PPM, PWD) Phase Lock Loop (PLL) Televisione analogica (PAL, SECAM e NTSC) Telecomunicazioni Multimediali – Programma 1/3

3 Digital Video Broadcasting DVB-S DVB-T DVB-C DVB-H DVB-SH DVB-IPDC Sistemi DVB di seconda generazione HDTV (Standard Europeo) Le modulazioni Numeriche ASK, FSK, PSK Modulatore IQ BPSK e QPSK QAM COFDM Demodulatore IQ Telecomunicazioni Multimediali – Programma 2/3 Digital Audio Broadcasting …. Cenni sulla qualità, robustezza e cifratura dei segnali Codifica ridondante a correzione derrore di Reed-Solomon

4 The perception of color teaches us a lot about ourselves; We universally believe that objects look colored because they are colored. Nothing could be further from the truth. Color is a psychological property of our visual experience, not a physical property. Concetto base Newton è stato uno dei primi scienziati dellera moderna ad occuparsi del colore, della sua percezione negli esseri umani e della possibilità di darne una rappresentazione quantitativa. The rays to speak properly are not colored. In them there is nothing else than a certain Power and Disposition to stir up a Sensation of this or that Color…so Colours in the object are nothing but a Disposition to reflect this or that sort of Rays more copiously than the rest Isaac Newton (1704) Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 1/29

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6 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 3/29 La descrizione fisica del colore percepito dagli esseri umani parte quindi dallo spettro della radiazione elettromagnetica che veicola questa sensazione. La luce bianca può essere decomposta nelle varie frequenze elettromagnetiche mediante prismi (rifrazione), reticoli (diffrazione), e filtri (interferenza, assorbimento).

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8 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 5/29 La luce che entra nellocchio è sovente indicata con Le( ) è detta radianza spettrale o anche intensità specifica del campo di radiazione. Fissata Le( ), ogni elemento della retina è colpito da una definita radiazione elettromagnetica. I fotoni, una volta raggiunta la retina, hanno una probabilità di essere assorbiti che dipende dalla sensibilità spettrale dei fotorecettori. Siano s( ), m( ) e l( ) le sensibilità spettrali rispettivamente dei coni con maggiore sensibilità alle corte lunghezze donda (coni S), alle medie (coni M) ed alle lunghe (coni L). Secondo il principio dellunivarianza di Rushton un fotone, una volta assorbito dal pigmento di un cono, innesca un processo chimico che non dipende dalla sua energia. Ciò comporta che la sensazione di colore dipende solo dal numero di fotoni N S, N M e N L assorbiti dai tre diversi tipi di fotorecettori nellunità di tempo. Si suole considerare una terna di numeri (S,M,L) detti valori di tristimolo, che per una radiazione luminosa avente radianza spettrale Le( ) terna vale

9 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 6/29 Le costanti k S, k M e k L definiscono le unità di misura della terna (S,M,L) ed in generale sono scelte in modo che S = M = L per la radiazione luminosa esattamente grigia, avente L e ( ) = costante (lo stimolo di colore associato alla terna corrispondente viene chiamato stimolo equienergetico). Le tre funzioni contenute negli integrali alla destra delle equazioni sono dette Funzioni Colorimetriche e furono introdotte e misurate per la prima volta da Maxwell nel Queste funzioni vengono spesso indicate col nome inglese Color Matching Functions (CMF). Gli integrali di queste funzioni devono sempre estendersi a tutto lintervallo spettrale visibile. Le equazioni assegnate mostrano che alla somma di più radiazioni corrisponde la somma delle rispettive terne, cioè che vale per lo stimolo di colore il principio di sovrapposizione degli effetti. È lecito dunque considerare le terne (S,M,L) come vettori di uno spazio lineare tridimensionale. Essi sono detti rispettivamente Vettori Tristimolo e Spazio del Tristimolo. Questo sistema di riferimento definito nello spazio del tristimolo è noto come fondamentale.

10 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 7/29 Siamo abituati a considerare un fenomeno fisico quale la riflessione della luce sulla superficie di un dato corpo materiale, come un processo esclusivamente superficiale, che avviene cioè esclusivamente alla superficie di separazione tra il corpo e lo spazio esterno. Questa concezione in parte intuitiva è tuttavia fuorviante e sostanzialmente errata. La riflessione della luce non avviene infatti sulla superficie, ma riguarda uno strato finito (pellicola) del corpo materiale, il cui spessore può variare in ragione della natura del materiale, della lunghezza donda elettromagnetica considerata, etc. In molti corpi materiali reali questo spessore può raggiungere diversi millimetri o nel caso dei fluidi trasparenti (e.g.: lacqua) parecchi metri (fino a 30 m circa). In altre parole si può affermare che la luce riflessa da un corpo materiale non proviene necessariamente dalla sua superficie, ma è prodotta da vari strati del corpo, posti a profondità differenti. Maggiore è la profondità a cui lo strato considerato è posto inferiore sarà il suo contributo alla riflessione totale, poiché la luce attraversando il corpo materiale viene anche assorbita, in accordo alla legge di De Beer. Dove, è la lunghezza donda, z la profondità geometrica sotto la superficie del corpo materiale, lo spessore ottico dello strato di materiale compreso tra la superficie esterna e la profondità geometrica z e k è il coefficiente di assorbimento (misurato ad esempio in cm -1 ). La quantità e - (,z), sempre compresa tra 0 e 1, prende il nome di trasparenza T(,z) dello strato di materiale attraversato dalla luce. La Figura 7 illustra da un punto di vista microscopico linsieme dei processi fisici che producono la riflessione della luce su un corpo materiale.

11 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 8/29 Al fine di isolare gli effetti dovuti unicamente al corpo materiale attraversato, viene definita e misurata la riflettanza spettrale R( ) della superficie. Questo è un coefficiente adimensionale, compreso tra 0 ed 1, che si calcola come rapporto tra la radianza incidente e quella riflessa a ciascuna lunghezza donda.

12 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 9/29 Quando osserviamo un oggetto materiale la luce (L e ( ) o SPD) che esso ci invia dipende da due fattori: la sua riflettanza R( ) e lo spettro della sorgente che lo illumina E( ): Il modello fisico di tristimolo può quindi essere riscritto come:

13 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 10/29 La definizione delle funzioni di Color Matching…………….

14 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 11/29 Lo spazio del tristimolo con il sistema di riferimento fondamentale è stato qui introdotto per ragioni didattiche, ma il riferimento più usato nella pratica colorimetrica è quello proposto nel 1931 dalla Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), nel quale una componente del vettore tristimolo rappresenta la luminanza. Si suole indicare questo spazio, valido per visione foveale con campo visivo inferiore a 4 o, come CIE 1931 e non va confuso con lo spazio CIE 1964, che vale per una visione a campo visivo di 10 o. Per visione foveale si intende la visione che avviene in quella parte della retina, detta fovea, nella quale esiste solo la visione a colori ed i coni sono organizzati in un tessuto compatto ed ordinato idoneo, atto a produrre la più alta acuità visiva. Fuori dalla fovea il tessuto retinico è strutturato in modo diverso ed intervengono nella visione altri fotorecettori (ad esempio i bastoncelli, responsabili della visione crepuscolare). Questo produce una modificazione dello spazio di colore.

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16 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 13/29 Il diagramma di cromaticità è ottenuto mediante il calcolo delle coordinate cromatiche relative x, y e z. Su questo diagramma la cromaticità di un vettore Q=(X,Y,Z) risulta definita dal punto q=(x,y), le cui componenti sono date da: Il bordo della figura, noto col nome di spectrum locus, rappresenta la cromaticità delle radiazioni monocromatiche e nel tratto rettilineo delle radiazioni di tinta porpora.

17 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 14/29 Lo Spazio di Colore RGB Enormemente importante per molti sistemi tecnologici quali le stampanti i monitor, etc.

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27 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 24/29 Lo spazio di colore X, Y, Z, o più banalmente lo spazio più familiare definito dalle coordinate cromatiche R, G, B, può essere rappresentato usando un sistema di riferimento alternativo, di tipo cilindrico. Questa rappresentazione delle coordinate cromatiche fu introdotto per la prima volta da Albert H. Munsell, che intendeva migliorare i sistemi ed i modelli cromatici fino ad allora esistenti. In particolare lopera di Munsell era tesa a fornire un sistema di classificazione dei colori che accomodasse per quanto possibile la percezione dei colori. Il sistema adottato da Munsell corrispondeva matematicamente allintroduzione di un sistema di assi di tipo cilindrico nello spazio del colore. In un sistema di coordinate cilindrico le tre coordinate spaziali sono la quota (direzione verticale), la distanza dallasse centrale (nel piano orizzontale) e lanomalia polare, cioè un angolo misurato attorno allasse delle quote (asse z o di simmetria). La Fig. 5 mostra la schematizzazione del riferimento cilindrico e le principali definizioni ad esso associate. Scegliendo come asse delle quote (asse di simmetria) la retta che rappresenta gli stimoli di valore uguale (ad esempio R = G = B), si ottiene un sistema colorimetrico le cui coordinate sono indicate da: H (Hue) la tinta, ossia un valore (angolo) che indica il colore primario del vettore (stimolo cromatico) considerato. La tinta è langolo formato dalla proiezione del vettore colore considerato in un piano perpendicolare allasse delle quote del riferimento; langolo viene misurato rispetto ad una direzione arbitraria e può essere espresso in gradi, ad esempio nellintervallo [0,360]. S la saturazione, che misura la distanza del vettore colore considerato dallasse delle quote del sistema. I colori puri hanno una saturazione elevata, mentre i colori grigi o tendenti al grigio hanno una bassa saturazione e giacciono in prossimità dellasse delle quote. La saturazione misura la purezza di un colore. L la luminosità o luminanza, o valore, il cui significato fisico si suppone noto.

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29 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 26/29 Riepilogo Spazi di colore analizzati

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31 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 28/29 Nelle applicazioni tecnologiche il sistema colorimetrico più diffuso è il CIELab, derivato mediante trasformazioni non lineari dal CIE 1931 o dal CIE Questo sistema, proposto dalla CIE nel 1976, può essere definito sia per lOsservatore Standard sia per lOsservatore Standard Supplementare e nel secondo caso le grandezze sono caratterizzate dal pedice 10. Le motivazioni e gli scopi che sono alla base di questo sistema sono molteplici ed il suo successo è dovuto al fatto che non vi sono state alternative più vantaggiose. Nella pratica industriale si vorrebbe che il colore fosse esclusivamente una proprietà intrinseca delle superfici osservate, cioè non dipendesse dallintensità e dalla distribuzione spettrale della radiazione illuminante. Tuttavia, i valori tristimolo dipendono da questa caratteristica. Per ovviare a questinconveniente e rendere maggiormente riproducibile la misura del colore si usano i seguenti accorgimenti. 1) Si seleziona un illuminante (sorgente di luce) standard (A, C, D 55, D 65, D 75, etc). 2) Si introduce come riferimento sia nella scala luminosa che cromatica un diffusore ideale (isotropo (lambertiano), con superficie omogenea e fattore di riflettanza spettrale uguale ad 1) al quale si associa la luminosità riflessa massima (spesso pari a 100). 3) Si valuta il vettore tristimolo corrispondente alloggetto illuminato. 4) Si definiscono le nuove coordinate L *, a * e b *

32 Telecomunicazioni Multimediali – Colore e Visione 29/29 Si tratta di un sistema molto simile al sistema HVS di Munsell. Anche in questo caso Lo spazio CIELab è costruito attorno allasse dei grigi, ma a differenze del HVS non utilizza un sistema polare di coordinate attorno a questo asse. In questo caso si impiegano due assi ortogonali che definiscono le coordinate a e b del sistema. Si tratta di crominanze opponenti.

33 Telecomunicazioni Multimediali – Richiami Matematica 1/6 La trasformata di Fourier di un segnale ne costituisce una rappresentazione completa. La trasformata di Fourier (come le altre trasformate integrali) può essere considerata un operatore funzionale (che opera su spazi di funzioni) biunivoco tra spazi di funzioni continue integrabili in modulo (eventualmente in modulo quadro). In altre parole: a segnali diversi corrispondono sempre spettri diversi e viceversa segnali uguali hanno sempre lo stesso spettro e viceversa.

34 Telecomunicazioni Multimediali – Richiami Matematica 2/6 In generale s(t) sarà un segnale reale, quindi S(f) sarà una funzione a valori complessi di una variabile reale (la frequenza f). Il grafico di S(f) dovrà essere disegnato in uno spazio 3-dim, nel quale ci sarà una sola variabile indipendente (f) e due variabili dipendenti Im{S(f)} e Re{S(f)}. Piano complesso Eulero-Gauss: è la fase e il modulo di S(f) Im Re S(f)

35 Telecomunicazioni Multimediali – Richiami Matematica 3/6 Il modulo rappresenta lampiezza del numero complesso, mentre la fase è la sua anomalia polare. Im Re r Im Re r S(f) r E interessante notare leffetto della moltiplicazione nel piano complesso: viene moltiplicato il modulo e addizionata la fase il numero complesso prodotto ruota nel piano Eulero-Gauss.

36 Telecomunicazioni Multimediali – Richiami Matematica 4/6 Il teorema della convoluzione è uno dei risultati più importanti dellanalisi di Fourier.

37 Telecomunicazioni Multimediali – Richiami Matematica 5/6 La trasformata di Hilbert è unaltra trasformata integrale, molto importante nella teoria dei segnale ed in molti sistemi di telecomunicazione moderni. La trasformata di Hilbert è equivalente ad un sistema lineare tempo invariante. E importante notare leffetto della trasformata di Hilbert, utilizzando la trasformata di Fourier: otteniamo che il sistema ha funzione di trasferimento pari a –j volte il segno della frequenza. H(f) f j -j La trasformata di Hilbert lascia invariato il modulo ma cambia la sua fase di /2 applicando due volte consecutive la trasformata di Hilbert otteniamo il segnale di partenza sfasato di, cioè il segnale originale cambiato di segno.

38 Telecomunicazioni Multimediali – Richiami Matematica 6/6 Alcuni esempi di trasformate. Calcolare la HT della funzione rect(t)……

39 Telecomunicazioni Multimediali – Teoria dei Segnali 1/5 Il Teorema del Campionamento Ideale Dato un segnale s(t) a banda limitata (f max è la frequenza massima per la quale il suo spettro è non nullo) e indicato con s c (t) il segnale campionato, è possibile ricostruire a qualunque istante t il segnale originale (analogico) s(t) conoscendo unicamente la serie infinita dei suoi campioni, purché questi siano stati misurati con una frequenza f c maggiore [o uguale] al doppio della frequenza massima f max. T c è il passo di campionamento Formula di interpolazione Frequenza di Nyquist

40 Telecomunicazioni Multimediali – Teoria dei Segnali 2/5 La modulazione analogica di ampiezza Le modulazioni servono per spostare la banda di frequenza occupata dal segnale, trasformando la banda base in una banda passante ad una frequenza opportuna. Normalmente alcune modulazioni codificano il segnale stesso in una forma differente, questa circostanza è verificata per le modulazioni più moderne. La modulazione in ampiezza è una delle modulazioni più vecchie che siano mai state usate e serve appunto per lo scopo suddetto. Oggi, la modulazione AM viene ancora usata per i segnali radio nelle bande di frequenza più basse (onde lunghe). s(t) segnale modulante cos(.) portante Normalmente la frequenza centrale del segnale modulato è molto maggiore della frequenza massima (larghezza di banda) B del segnale in banda base. B-B f S(f) f0f0 f S m (f) 1 -f 0 ½

41 Telecomunicazioni Multimediali – Teoria dei Segnali 3/5 La demodulazione analogica di ampiezza La demodulazione di un segnale modulato AM avviene attraverso una ulteriore modulazione. Si può intuire che unulteriore modulazione riproduce la banda base del segnale più alcune repliche dello stesso a frequenza doppia rispetto a quella originale della portante. Il problema vero è costituito dal fatto che al ricevitore non è nota la fase della portante usata per la modulazione del segnale. Ciò ha conseguenze importanti. La mancata conoscenza della fase della portante usata per la modulazione del segnale ha come conseguenza una difficoltà intrinseca nel demodulare il segnale, in particolare per quanto riguarda la sua ampiezza. Questo problema viene efficacemente risolto dal sistema denominato PLL (Phase Lock Loop), che determina in modo autonomo la fase della portante originale, massimizzando la potenza del segnale demodulato. Vediamo i dettagli.

42 Telecomunicazioni Multimediali – Teoria dei Segnali 4/5 La demodulazione tramite Phase Lock Loop (PLL) Come primo passo calcoliamo lo spettro del segnale x(t), che ancora contiene la fase della portante disponibile nel ricevitore. Filtro passa-basso ideale 2f 0 f Re{X(f)} / cos( ) -2f 0 ¼ ½ 2f 0 f Im{X(f)} / sin( ) -2f 0 ¼ -¼ Evidentemente, isolando la componente a bassa frequenza (mediante un filtro passa-basso) otteniamo proprio lo spettro del segnale in banda base, a meno di un fattore di ampiezza. Indichiamo con y(t) questo segnale filtrato:

43 Telecomunicazioni Multimediali – Teoria dei Segnali 5/5 La demodulazione tramite Phase Lock Loop (PLL) Calcoliamo ora lo spettro di y(t). f Y(f) ½ cos( ) A questo punto è possibile determinare la fase della portante originale semplicemente massimizzando la potenza istantanea del segnale filtrato y(t). Ciò rende possibile la demodulazione completa del segnale, recuperando senza errori la sua ampiezza. Modulazione Filtro passa-basso Calcolo fase (ottimizzazione potenza) Demodulazione PLL

44 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 1/11 La Televisione Analogica La televisione analogica nasce nella prima metà del 1900 e trova la sua prima applicazione negli USA e successivamente in Europa. Originariamente il segnale televisivo era in grado di trasmettere segnali video pancromatici (in toni di grigio) dotati di audio monofonico e privi di informazioni teletext. Esistevano standard diversi per questo tipo di televisione, che successivamente sono tutti evoluti verso la televisione a colori, secondo uno dei tre standard PAL, SECAM e NTSC. Le principali caratteristiche tecniche della televisione analogica furono impostate considerando le caratteristiche della visione umana. Tra di esse vi sono lacuità visiva, la sensibilità ai diversi pattern di oscillazione spaziale a diversi livelli di luminosità, etc.

45 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 2/11 Oltre i 32 Hz (variazione temporale) la sensibilità dellocchio umano ai modelli (variazioni) spaziali di luminosità si riduce drasticamente. Questa caratteristica è di grande rilievo per stabilire le frequenze di aggiornamento delle immagini nei sistemi video e multimediali.

46 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 3/11 Oltre i 32 Hz (variazione temporale) la sensibilità dellocchio umano ai modelli (variazioni) spaziali di luminosità si riduce drasticamente. Questa caratteristica è di grande rilievo per stabilire le frequenze di aggiornamento delle immagini nei sistemi video e multimediali.

47 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 4/11 Rappresentazione della funzione di filtro tipica dellocchio umano mediante vari profili di forma gaussiana. La rappresentazione data dalla figura è relativamente realistica e rappresenta le ali molto estese nella funzione di trasferimento dellocchio. Il filtro si allontana molto dalle condizioni di idealità e rende necessario il sovracampionamento dellimmagine al fine di evitare fenomeni di aliasing. Lefficienza di campionamento c dellocchio è stimata come:

48 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 5/11 I sistemi di ripresa e di riproduzione dellepoca funzionavano tutti mediante un semplice principio di scansione: per righe e poi per colonne. Il segnale televisivo era continuo sulle righe (in orizzontale) e campionato in senso verticale. In realtà i tubi CRT moderni adottano uno schema di campionamento in entrambe le direzioni (orizzontale e verticale). Inoltre, tutte le telecamere moderne, basate sulluso di sensori a matrice a stato solido (CCD, CMOS, etc), ottengono un segnale campionato in entrambe le direzioni spaziali dellimmagine. t s(t)s(t) Riga i Riga i+1 Fine riga: ritorno a capo orizzontale Fine quadro: ritorno a capo verticale Al fine di ottimizzare le condizioni di ripresa e di riproduzione delle immagini bisognerebbe considerare una versione 2-dim del teorema del campionamento. Questa fornisce risultati simili a quelli già noti per il caso 1-dim. La differenza prevalente sta nella disposizione geometrica dei campioni nel piano. Si dimostra che lefficienza di campionamento è massima per una disposizione a cella esagonale (a nido dape). I massimi vantaggi si avvertono nelle direzioni oblique.

49 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 6/11 q rappresenta la frazione del tempo di quadro riservata alla scansione effettiva, mentre (1 - q ) T q è il tempo dedicato al ritorno verticale del pennello elettronico. Sia m il numero di campioni equivalenti in direzione orizzontale (cioè il doppio del numero max di cicli alla massima frequenza spaziale disponibile) ed n il numero di righe attive nellimmagine. Indichiamo con T q il tempo di quadro e con T r il tempo di riga. Siano inoltre l ed h la larghezza e laltezza del quadro (immagine). Si può mostrare che: Indichiamo con r la frazione del tempo di riga dedicato alla scansione; al solito (1 - r ) T r costituirà il tempo dedicato al ritorno a capo del pennello elettronico. In questo modo è possibile calcolare la frequenza max dei campioni equivalenti contenuti nel segnale video della TV analogica in toni di grigio. La TV analogica in toni di grigio assumeva una frequenza di quadro di 50 Hz e per ridurre la larghezza di banda richiesta dal segnale veniva usata la scansione interallacciata. In questa scansione si trasmettono alternativamente un semiquadro pari e un semiquadro dispari alla frequenza complessiva di 50 Hz. Questo limitava lo sfarfallio dellimmagine mantenendo la banda del segnale uguale a quella di una frequenza di quadro di 25 Hz.

50 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 7/11 TV analogica in toni di grigio

51 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 8/11 Nella TV analogica in toni di grigio i segnali di sincronismo sono aggiunti alla fine delle righe e dei quadri rispettivamente. Si tratta di segnali che hanno unampiezza negativa e che non corrispondono a nessun livello reale di luminosità. Il segnale di sincronismo di quadro innesca nella periferica di riproduzione il ritorno a inizio quadro del pennello elettronico, così come il sincronismo orizzontale provoca il ritorno a capo. Il sincronismo di riga ha una durata di 5 s, mentre il sincronismo di quadro ha una durata di 2.5 linee (circa 160 s).

52 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 9/11 Il passaggio alla TV a colori fu eseguito aggiungendo due segnali di crominanza al segnale TV tradizionale. Lo schema generale di questo inserimento di nuovi segnali è sinteticamente descritto nella seguente figura. Luso di una modulazione IQ (in fase e in quadratura) per i due segnali di crominanza permette una grande risparmio di banda di frequenza. Larghezza di banda viene anche risparmiata definendo i segnali di crominanza ad una risoluzione spaziale inferiore. La larghezza di banda riservata alle crominanze è circa 1.3 MHz. CVBS Composite Video, Blanking, and Sync

53 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 10/11 Composizione del segnale TV a colori completo con laggiunta di un segnale audio stereofonico. I segnali TV moderni trasportano nella zona di ritorno ad inizio quadro del segnale anche alcune informazioni supplementari, quali: il segnale teletext (televideo), alcuni segnali di dati opzionali (VPS), linee di test

54 Telecomunicazioni Multimediali – TV Analogica 11/11 Parametri Televideo (Teletext) NRZ Data rate: Mbit / s. Questo valore è attivo solo durante la fase di ritorno a inizio quadro (tempo morto tra due immagini successive). Questo tempo dura circa 0.9 * 1 / 50 s = s, durante il quale possono essere trasmessi al massimo 14 kbit = 1.7 kbyte. Si consideri che una pagina televideo occupa una quantità di memoria pari a circa 1 kbyte. Parità: pari Caratteri per linea: 40 Linee per pagina: 24 Linee di Dati RZ Data rate: 2.5 Mbit / s Volume: 15 bytes / line Video Program System (VPS) Posizione: byte da 11 a 14 della linea 16 di ritorno a inizio quadro Day: 5 bit Month: 4 bit Hour: 5 bit Minute: 6 bit Country: 4 bits Program source: 6 bit

55 Telecomunicazioni Multimediali – DVB 1/69 Il Digital Video Broadcasting (DVB), dalla lingua inglese Diffusione Video Digitale, rappresenta un insieme di standard aperti ed accettati a livello internazionale, concepiti per lo sviluppo e la diffusione della televisione digitale. Attualmente essi sono mantenuti dal DVB Project, un consorzio industriale con più di 270 membri, e vengono pubblicati da un Comitato Tecnico Congiunto (Joint Technical Committee, JTC) dell'Istituto Europeo per gli Standard di Telecomunicazioni (European Telecommunications Standards Institute, ETSI), del Comitato Europeo per la Standardizzazione Elettrotecnica (European Committee for Electrotechnical Standardization, CENELEC) e dell'Unione Europea per la Radiodiffusione (European Broadcasting Union, EBU). Questi standard possono essere scaricati gratuitamente dal sito ETSI previa registrazione libera.lingua inglesetelevisione digitalesito ETSI Il sistema DVB ha prodotto degli standard per ciascun mezzo trasmissivo (terrestre, satellite, via cavo) utilizzato dalla TV analogica. In particolare, si possono annoverare i seguenti: DVB-S (la "S" sta per "Satellite"): per ricevere i segnali video è necessario collegare il televisore ad un ricevitore satellitare collegato ad un'antenna parabolica, che riceve i segnali direttamente dai satelliti posti in orbita geostazionaria;DVB-Santenna parabolicasatellitiorbita geostazionaria DVB-C (la "C" per "Cable"-"Cavo"): il segnale è ricevuto grazie ad un cavo ad alta frequenza (spesso coassiale);DVB-C DVB-T (la "T" sta per "Terrestrial"-"Terrestre"): il segnale video è ricevuto attraverso le normali antenne televisive;DVB-T DVB-H (la "H" sta per "Handheld"-"Portatile"): è lo standard del consorzio europeo DVB per una modalità di radiodiffusione terrestre studiata per trasmettere programmi TV, radio e contenuti multimediali ai dispositivi handheld, come i più comuni smartphone, i palmari e i PDA (Personal Digitale Assistant). Si tratta di uno standard derivato dal DVB-T e funziona combinando gli standard del video digitale con l'Internet Protocol in modo da suddividere i contenuti in pacchetti di dati da trasferire sul cellulare e leggibili da parte dell'utente. Lo standard prevede luso delle bande III, IV, V e L.DVB-H

56 Telecomunicazioni Multimediali – DVB 2/69 Altri standard sono stati aggiunti in anni recenti (2006 – 2009): DVB-IPDC (IPDC" sta per IP DataCasting"): si tratta di un protocollo pensato per la trasmissione di video, audio e dati su una rete Internet (IP sta per Internet Protocol). Questo standard è stato anche pensato per offrire un supporto di comunicazione bi-direzionale agli altri standard, ad esempio la trasmissione DVB-H. Si noti che la maggior parte degli standard di trasmissione, quali i DVB-C/T/H, hanno tutti un supporto fisico della comunicazione che non è bi-direzionale.DVB-IPDC DVB-SH (al solito la "H" sta per "Handheld"-"Portatile, mentre la S indica la banda elettromagnetica utilizzata): si tratta di uno standard parallelo al DVB-H, ed ha le stesse finalità applicative. Il sistema è finalizzato alla trasmissione di segnali audio, video e dati verso dispositivi mobili, come i telefoni celleulari, gli autoveicoli, etc. In termini molto generici si può pensare lo standard DVB-SH come un miglioramento dello standard DVB-H da cui è derivato. Il miglioramento riguarda prevalentemente la banda di frequenza utilizzata. Mentre il DVB-H utilizza le frequenze UHF e VHF che sono affollate di segnali originati ad esempio dalla TV analogica terrestre, il DVB-SH utilizza la banda S a frequenze fino a 3 GHz. In questo modo si suppone che il nuovo standard riesca ad ottenere prestazioni migliori in termini di potenza del segnale, SNR, copertura geografica, etc.DVB-SH

57 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-HDTV 3/69 In Italia ed in altri paesi lo standard DVB è in corso di introduzione usando segnali video con risoluzioni comprese tra quella tradizionale SDTV (Standard Definition Television) ed HDTV full resolution (High Definition Television). Attualmente i segnali video sono inizialmente impacchettati (muxing) e codificati secondo lo standard Mpeg2. Quando lo switch al sistema televisivo HDTV sarà stato completato in Europa, il sistema di codifica DVB passerà da Mpeg2 ad Mpeg4. ITU-R.BT709 European HDTV Standard Aspect ratio16:9 Common Image Format (CIF) 1080 (n V ) x 1920 (n H ) pixel Net data rate1.037 Gbit/s Gross data rate1.440 Gbit/s Quantization accuracy n b 10 bit Frame frequency f q 50 Hz Luminance sampling frequency f L 72 MHz Chrominance sampling frequency f C 36 MHz

58 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-HDTV 4/69 Si noti che esistono standard HDTV diversi per lEuropa, gli USA e lAustralia. Un altro punto di grande interesse è costituito dal filtraggio passa-basso che viene eseguito prima della conversione AD dei segnali di luminanza (cutoff 30 MHZ) e di crominanza (cutoff 15 MHZ), che è stato introdotto per ridurre le possibilità di aliasing nellimmagine ricostruita. Si sottolinea che il segnale HDTV in banda base contiene ancora i segnali di sincronismo ed i tempi di ritorno a capo del del pennello elettronico caratteristico della SDTV e degli schermi CRT. Questo da luogo a differenze significative tra i data rate lordi e netti.

59 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 5/69 Il DVB-S, acronimo di Digital Video Broadcasting - Satellite, è lo standard del consorzio europeo DVB per una modalità di trasmissione televisiva satellitare. Il sistema prevede la trasmissione di un flusso audio/video digitale della famiglia MPEG-2, utilizzando un sistema di modulazione QPSK con codifica concatenata.DVBtelevisiva satellitareMPEG-2 Schema a blocchi di un sistema di trasmissione DVB-S.

60 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 6/69 Descrizione tecnica del sistema di trasmissione Con riferimento alla figura, descriviamo brevemente le caratteristiche e lo scopo di ciascun blocco di elaborazione. Codifica di sorgente e multiplazione (MUX) MPEG-2: un flusso video, uno audio e uno dati sono multiplati insieme a costituire un flusso di programma MPEG-2 PS (MPEG-2 Programme Stream). Uno o più flussi di programma costituiscono un flusso di trasporto MPEG-2 TS (MPEG-2 Transport Stream); tale flusso rappresenta la sequenza digitale che viene trasmessa e ricevuta nei Set Top Box (STB) domestici. La bit rate ammessa per il trasporto MPEG-2 dipende principalmente dalla larghezza di banda del transponder posto a bordo del satellite: essa può variare da circa 19 a circa 68 Mbps (si veda la figura in fondo per l'elenco completo).multiplazioneSet Top Boxbit ratetransponderMbps Adattamento di MUX e dispersione d'energia: il flusso di trasporto MPEG-2 viene identificato come una sequenza di pacchetti dati di lunghezza fissa pari a 188 byte. Con una tecnica chiamata dispersione d'energia (scrambling), la sequenza di byte viene quindi scorrelata.pacchettibytescramblingscorrelata Codificatore esterno: un primo livello di protezione viene fornito ai dati trasmessi, usando un codice a blocchi non binario di tipo Reed-Solomon RS(204,188), che permette la correzione di un massimo di 8 byte errati per ogni pacchetto di 188 byte. Interleaver esterno: si utilizza una tecnica di interleaving convoluzionale per mescolare la sequenza di dati trasmessa, in modo da renderla più robusta in caso di lunghe sequenze di errori.interleaving Codificatore interno: un secondo livello di protezione è affidato all'uso di un codice convoluzionale binario con perforazione, che spesso viene indicato nei set top box con il termine FEC (Forward Error Correction). I valori di codifica ammessi sono cinque: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.Forward Error Correction Modulatore QPSK: questo blocco effettua la modulazione in banda-base digitale della sequenza di bit, producendo una sequenza di simboli. Il metodo di modulazione utilizzato è QPSK.modulazioneQPSK Sagomatura in banda-base: il segnale QPSK è opportunamente filtrato con un filtro a coseno rialzato, che permette di diminuire le interferenze mutue del segnale in ricezione.filtro a coseno rialzato DAC e front-end: il segnale digitale viene opportunamente trasformato in un segnale analogico, grazie ad un convertitore digitale-analogico (DAC, Digital to Analog Converter), ed infine modulato a frequenza radio (11-12 GHz) dal front end ad RF. convertitore digitale-analogico GHzRF

61 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 7/69 Il Satellite La TV via satellite viene trasmessa mediante satelliti in orbita geostazionaria, cioè da una piattaforma che ruota solidalmente con il moto di rotazione diurna della Terra. Si tratta di orbite circolari (eccentricità nulla) che giacciono nel piano equatoriale terrestre. Il periodo di rivoluzione di queste orbite è identico al periodo di rotazione della Terra sul suo asse (24 ore). R MTMT m Forza di gravitazione universale Forza centripeta necessaria …. Forza centrifuga? IIIa legge di Keplero Le caratteristiche dellorbita (raggio e periodo di rivoluzione) sono indipendenti dalla massa del satellite. Lorbita Le orbite geostazionarie sono tali che il satellite appare fermo nel cielo a qualunque osservatore posto sulla Terra. Se non fosse così sarebbe necessario per il ricevitore (antenna a parabola) inseguire continuamente il moto apparente del trasmettitore (satellite). Ciò sarebbe poco pratico… Il raggio dellorbita R è circa km e ricordando che il raggio terrestre è 6370 km, si conclude che il satellite ha unaltezza sopra il suolo di circa km. Questa è anche la distanza che deve percorrere il campo E.M. per giungere al ricevitore. Esistono vari satelliti che trasmettono canali radio e televisivi. Ognuno di essi è caratterizzato unicamente per la sua posizione (longitudine Est) lungo lequatore (tutti i satelliti geostazionari giacciono nel piano equatoriale). Nellemisfero Boreale le antenne per la TV via satellite sono tutte puntate verso sud, nella direzione Est-Ovest corrispondente alla posizione fissa del satellite prescelto. Velocità angolare

62 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 8/69 Le orbite geostazionarie sono di solito utilizzate per tre tipi di satelliti: 1) TV satellitare, 2) satelliti meteorologici (telerilevamento), e 3) TLC (e.g. telefonia). Esistono altri tipi di orbite di grande importanza. Orbita Geosincrona Si tratta di un tipo particolare di orbita stazionaria nella quale il periodo rimane di 24 h esatte, ma il piano orbitale del satellite è inclinato rispetto al piano equatoriale terrestre. I satelliti che si muovono su queste orbite appaiono ad un osservatore immobile sulla Terra descrivere unorbita a forma di 8. Orbita Eliosincrona Il piano orbitale del satellite, la terra ed il Sole, formano una figura che si muove rigidamente durante ilmoto di rivoluzione annuale della Terra attorno al Sole. In particolare il Sole come visto dal piano orbitale del satellite si trova in una posizione fissa. La conseguenza principale di questa geometria è che il satellite ripassa dallequatore ad una certa longitudine Est sempre allo stesso orario locale. Questa condizione è ottimale per i satelliti dedicati allosservazione della Terra (TLR). Si tratta sovente di orbite polari, di piccola eccentricità, ad altezze sopra il suolo relativamente modeste: da 400 km fino varie migliaia di km. Disturbi Il segnale trasmesso dai satelliti TV ha frequenze E.M. comprese tra 10 GHz e 13 GHz (microonde). A queste frequenze latmosfera terrestre è trasparente e la propagazione avviene in linea retta, in modo qualitativamente simile alla propagazione della luce visibile. In genere la propagazione non è ostacolata dallorografia e poiché la direzione di propagazione principale è inclinata (non orizzontale) la possibilità di percorsi multipli è significativamente ridotta. Latmosfera si comporta come una sorgente di AWGN; i principali fenomeni di interazione con i campi E.M. sono: (a) lassorbimento, (b) lemissione e (c) la diffusione delle onde E.M. Gli eventi meteorologici terrestri possono degradare notevolmente la potenza e la qualità del segnale (presenza di gocce dacqua, cristalli di ghiaccio, fluttuazione statistiche dellindice di rifrazione) Le tempeste solari possono disturbare gravemente il segnale trasmesso e perfino danneggiare i satelliti. Non è un fenomeno raro che flares e tempeste magnetiche solari distruggano dei satelliti. Inoltre lorbita geostazionaria non riceve protezione significativa dalla magnetosfera terrestre. I raggi cosmici possono danneggiare i satelliti e le apparecchiature ospitate a bordo. Lattenuazione del segnale può arrivare a centinaia di dB.

63 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 9/69 La figura sottostante mostra a titolo di esempio la copertura a terra del segnale del satellite TV HotBird 6. Limmagine mostra in blu le curve di isolivello in potenza del segnale ricevuto al suolo. La copertura al suolo del segnale viene controllata per mezzo del diametro dellantenna che trasmette (antenna ospitata dal satellite e dedicata al down-link). Si noti a questo scopo che la frequenza centrale della banda utilizzata dal segnale trasmesso è fissata in base a considerazioni differenti, quali la trasparenza spettrale dellatmosfera terrestre, le bande di frequenza disponibili, etc.

64 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 10/69 ESERCIZI (1)Calcolare il valore effettivo del raggio dellorbita geostazionaria, assumendo RT = 6372 km. (2)Calcolare il diametro richiesto dellantenna del satellite affinché la sua proiezione al suolo abbia una diametro di circa 4000 km. La forma del guadagno dantenna può essere ricavata dallequazione che descrive la larghezza angolare del lobo principale. Nella teoria della diffrazione questo lobo prende il nome di cerchio di Airy e la sua larghezza vale = 1.22 / D.

65 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 11/69 Sono riportate a titolo di esempio le posizioni dei primi (in senso di longitudine) satelliti dedicati alla trasmissione TV. La lista compelta di tutti i satelliti TV è estremamente lunga e viene trascurata. Si noti che ponendo satelliti adiacenti troppo vicini la loro ricezione potrebbe richiedere unantenna di grande diametro per separare angolarmente le loro emissioni. Posizione orbitale Satelliti Note 4,8° est Sirius 2 5,0° est Sirius 3 7,0° est Eutelsat W3A 9,0° est Eurobird 9 10,0° est Eutelsat W1 13,0° est Hotbird 6, Hotbird 7A, Hotbird 8 Televisioni italiane. 16,0° est Eutelsat W2 19,2° est Astra 1B, Astra 1F, Astra 1G, Astra 1H, Astra 1KR, Astra 1L Impianti Dual-Feed in unione a Hotbird. 21,5° est Eutelsat W6 23,5° est Astra 1D, Astra 1E, Astra 3A 25,5° est EuroBird 2 26,0° est Badr 3, Badr 4 28,2° est Astra 2A, Astra 2B, Astra 2C, Astra 2D 28,5° est EuroBird 1 31,5° est Optus A3 33,0° est EuroBird 3

66 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 12/69 Cenni Storici sui Satelliti ed il loro Impiego per Fini Civili ed Industriali Negli ultimi anni si è affermata la tendenza verso un maggiore utilizzo del settore aerospaziale nelle applicazioni civili, industriali, scientifiche e militari. Allinizio questa tendenza fu innescata e trainata dalla cosiddetta corsa alla Luna, che portò enormi investimenti nel settore spaziale allinterno degli USA e della ex-URSS. In quellepoca assistemmo al lancio del primo satellite (per scopi scientifici), lo Sputnik, da parte della ex-URSS, a cui fecero seguito i primi voli orbitali, la prima passeggiata nello spazio ed infine la serie delle missioni Apollo che portarono allatterraggio sulla Luna. Parallelamente, una tappa importante ai fini dellutilizzazione della risorsa spazio fu la realizzazione e la messa in orbita dei satelliti per telecomunicazioni della serie Intelsat, fondamentali per lo sviluppo della telefonia in teleselezione, delle comunicazioni fac-simile (fax) e dei collegamenti televisivi intercontinentali. Intelsat (International Telecommunications Satellite Organization) era il Consorzio internazionale per le comunicazioni mediante satelliti, fondato nellagosto del 1964 da 11 paesi. Nellaprile del 1965 il Consorzio, utilizzando un razzo Delta D, mise in orbita geostazionaria il suo primo satellite per comunicazioni, costruito dalla ex-Hughes Aircraft Company (oggi Boeing Satellite Systems) e denominato Early Bird. Il successo delle telecomunicazioni via satellite fu tale da portare appena nove anni dopo la fondazione del Consorzio, cioè nel 1973, al suo allargamento ad 80 paesi membri. Early Bird aveva una massa inferiore ai 50 kg e dimensioni lineari inferiori ad 1 m ed oggi sarebbe considerato una satellite compatto, cioè di piccole dimensioni. Il satellite fu utilizzato fino al 1969, ma la sua ultima attivazione avvenne nel 1990, in occasione del 25 anniversario della sua messa in orbita. Furono quindi utilizzate le generazioni seguenti dei satelliti Intelsat, che avevano caratteristiche tecniche e prestazioni superiori alle precedenti ma anche masse e dimensioni maggiori. Ad esempio i satelliti Intelsat IV (quarta generazione) mettevano a disposizione circa canali, avevano una massa pari a 766 kg e dimensioni lineari comprese tra 2.4 m e 2.8 m (F. Carassa, Comunicazioni Elettriche, III a Ed., Bollati Boringhieri, Torino 1989). Nel 2001 il Consorzio Intelsat superò i 100 paesi membri e fu trasformato in unazienda privata denominata Intelsat Ltd, che rappresenta oggi il più grande fornitore di servizi di telecomunicazione globale via satellite. Un ulteriore passo di grande rilievo ai fini dellutilizzazione dello spazio per fini civili ed industriali fu negli anni 80 la nascita e laffermarsi della televisione via satellite DTH (Direct To Home). È del 1980, infatti, la prima offerta al pubblico americano di un sistema completo per la ricezione domestica del segnale televisivo via satellite. Il sistema completo veniva venduto ad un prezzo di circa $ dalla società Western Union, che aveva lanciato e messo in orbita il satellite geostazionario Westar I (1974). In precedenza le telecomunicazioni via satellite erano state utilizzate prevalentemente per la realizzazione di collegamenti inter-continentali, nei quali i satelliti fungevano da ripetitori di segnale (relay) tra due stazioni televisive terrestri. Negli Stati Uniti dAmerica, a causa della grande estensione territoriale, i satelliti venivano usati intensivamente per la diffusione del segnale televisivo, come integrazione delle reti terrestri di diffusione del segnale TV dei grandi network nazionali. Il primo satellite geostazionario per il nord America dedicato alla diffusione del segnale TV, il satellite Anik I, fu lanciato da un operatore canadese nel Tuttavia la prima trasmissione televisiva via satellite ebbe luogo anni prima e fu resa possibile da un celebre satellite costruito dalla AT&T (Bell Labs) e messo in orbita dalla NASA: il Telstar. Questo era un satellite di forma quasi sferica, con diametro di circa 80 cm ed una massa inferiore ai 78 kg. Telstar fu messo in orbita nel luglio 1962 da un razzo Delta, di cui sfruttava interamente il carico utile. Mediante questo satellite fu realizzata la prima trasmissione televisiva intercontinentale, un esperimento che consisteva nel diffondere attraverso il satellite una ripresa televisiva effettuata negli USA, che fu ricevuta e visualizzata in tempo reale in Francia. Nelle intenzioni della AT&T, Telstart doveva essere il primo di una costellazione di 25 satelliti (alcuni in orbite polari, altri in orbite equatoriali) che associati ad una rete di stazioni di ricezione a terra avrebbero permesso la comunicazione tra due punti qualunque della superficie terrestre.

67 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 13/69 Cenni Storici sui Satelliti ed il loro Impiego per Fini Civili ed Industriali Tuttavia, la prima idea formalizzata e rigorosa di un sistema globale di telecomunicazioni via satellite fu tracciata da uno dei più noti autori di fantascienza: Arthur C. Clark nel 1945, con una lettera alla rivista Wireless World dal titolo Peacetime Uses for V2. Clark scriveva: An artificial satellite' at the correct distance from the earth would make one revolution every 24 hours; i.e., it would remain stationary above the same spot and would be within optical range of nearly half the earth's surface. Three repeater stations, 120 degrees apart in the correct orbit, could give television and microwave coverage to the entire planet. I'm afraid this isn't going to be of the slightest use to our post-war planners, but I think it is the ultimate solution to the problem. Nacque così una nuova generazione di satelliti geostazionari idonei a trasmettere i segnali analogici televisivi e telefonici a banda larga. Un altro passo cruciale nello sviluppo delle applicazioni civili e militari del settore aerospaziale fu la realizzazione del sistema di posizionamento globale denominato Global Positioning System (GPS), divenuto operativo nel giugno Il sistema fu realizzato dalla U.S. Air Force, è composto da una costellazione di 24 satelliti Navstar e permette ad un utente dotato di un ricevitore economico di misurare la sua posizione assoluta sulla superficie terrestre. La misura è basata sulla determinazione dei ritardi di fase (tempi di volo) del segnale dei satelliti in visibilità di cui sono note le effemeridi. La conoscenza dei tempi di volo o dei ritardi di fase, permette a sua volta di stimare la distanza dellutente da ciascuno dei satelliti e, se viene ricevuto il segnale di almeno quattro satelliti differenti, è possibile determinare la posizione assoluta del ricevitore. Si noti che un analogo sistema di posizionamento promosso questa volta dai paesi europei e denominato Galileo diverrà operativo nei prossimi anni. Il primo satellite della nuova costellazione, denominato Giove A, è stato lanciato nel dicembre 2005 dallAgenzia Spaziale Europea. Infine nel giugno del 2004 sono stati effettuati i primi voli nello spazio (ad almeno 100 km di quota) da parte di un vettore a basso costo, riutilizzabile e promosso da unazienda privata, la Scaled Composites LLC. Il velivolo, lo SpaceShipOne, si è aggiudicato il premio Ansari X Prize di $ per aver sviluppato the first workable space tourist vehicle (J. Oberg, A Giant Leap For Commercial Space Travel, IEEE Spectrum, vol. 41, no. 8 (INT), August 2004, p. 6).

68 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 14/69 Scrambling o Dispersione di Energia (Spettro) - Generalità Lo spread-spectrum, in italiano espansione di spettro, è una tecnica utilizzata nelle telecomunicazioni in cui il segnale viene trasmesso su una banda di frequenze che è considerevolmente più ampia di quella dell'informazione contenuta nel segnale stesso (v. trasmissioni in banda larga). Tutto ciò viene fatto o allo scopo di migliorare il rapporto segnale/rumore, eliminando il maggior numero di interferenze e consentendo l'utilizzo contemporaneo della stessa gamma di frequenze a più utenti, oppure allo scopo di mimetizzare il segnale radio trasmesso abbassandone la potenza specifica e portandolo quindi a confondersi con il rumore radio di fondo, in modo da sfuggire al rilevamento da parte delle stazioni di intercettazione radio. Il salto di frequenza (FHSS), il sequenziamento diretto (DSSS), l'utilizzo di rumore pseudocasuale, il time scrambling e il chirping sono tutte tecniche a diffusione di spettro, così come la loro combinazione. La Ultra Wide Band o UWB (trasmissione a banda ultralarga) è un'altra tecnica per raggiungere lo stesso scopo, basata però sulla trasmissione di impulsi di brevissima durata. Lo Scrambling nel DVB-S Lo scopo principale dello scrambling è quello di evitare sequenze troppo lunghe o cicliche di valori costanti (0 o 1) nel segnale trasmesso, poiché potrebbero dar luogo a righe nello spettro del segnale trasmesso in certi periodi di tempo. Leffetto dello scrambling utilizzato nel DVB-S è quello di rendere il segnale simile ad un segnale pseudo-casuale, o per semplicità al rumore. Tuttavia si tratta di uno schema di codifica reversibile (conservativo in termini di informazione) che si basa sulluso di opportuni byte byte di sincronizzazione. Per questo fine viene usato il byte sync del flusso MPEG-2 che ha il valore costante 0x47 ed introduce lintestazione (header) di 4 byte complessivi (che comprendono anche il sync), cui segue normalmente il carico (payload) di 184 byte di dati. La sincronizzazione dello scrambling è basata sullinversione binaria (bitwise) del byte sync del flusso MPEG-2, che viene eseguita una volta ogni 8 pacchetti MPEG-2. La situazione è schematizzata nella figura seguente. … xB8 0x47 0xB8 0x byte Standard MPEG-2 dati (184 byte) header (sync + 3 byte) sync (1 byte) Inversione sync

69 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 15/69 Lo Scrambling nel DVB-S Lo scrambling DVB-S è basato sulluso di una lista di numeri pseudo-casuali [ad esempio la funzione rand() del linguaggio C], che viene inizializzata ogni volta che viene rivelato un sync invertito. A questo punto il processo di scrambling consiste nel sostituire a ciascun byte v della sequenza originale con il valore Xored ottenuto con il valore pseudo-casuale estratto dalla lista n[i]. Loperazione avviene bit per bit, o in altri termini è bitwise. In formule: i-esimo valore pseudo-casuale i-esimo dato scrambled Esempio operatore Xor su variabile a 3 bit Calcolo Xor (Or esclusivo) xyx ^ y i-esimo dato

70 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 16/69 Lo Scrambling nel DVB-S Quando uno dei due valori inclusi nelloperazione di Xor è completamente aleatorio, anche il risultato ha questa proprietà. i-esimo valore pseudo-casuale i-esimo dato scrambled In altre parole, il decodificatore (in ricezione) semplicemente esegue nuovamente lo scrambling dei dati ricevuti, con la stessa modalità utilizzata dal codificatore (in trasmissione). Quindi il processo di scrambling risulta reversibile purché le due fasi di codifica e di decodifica siano esattamente sincronizzate, cioè utilizzino la lista di numeri pseudo-casuali esattamente nello stesso modo. Questa proprietà è garantita dalluso dei byte sync invertiti come punti di sincronizzazione dellinizializzazione della lista di valori pseudo-random. Si noti anche che i byte sync sono sempre trasmessi in chiaro, cioè non subiscono il processo di scrambling. Calcolo Xor (Or esclusivo) n[i]n[i]v[i]v[i] n[i]^v[i]n[i]^v[i] P(v[i]|n[i])P(n[i])P(v[i]|n[i])P(n[i]) n[i] rumore bianco 101P n[i] (1) P v[i] (0)½ P v[i] (0) 110P n[i] (1) P v[i] (1)½ P v[i] (1) 000P n[i] (0) P v[i] (0)½ P v[i] (0) 011P n[i] (0) P v[i] (1)½ P v[i] (1) Poiché la variabile n[i] è casuale (rumore), essa va considerata come una sequenza aleatoria di bit. In queste condizioni, anche il risultato delloperazione Xor da luogo ad una variabile aleatoria, indipendentemente dalle proprietà statistiche di v[i]. La base della decodifica reversibile è costituita dalla proprietà delloperatore Xor di annullarsi quando loperazione viene ripetuta con lo stesso numero. In modo più formale risulta che: Notazione mutuata dal linguaggio C

71 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 17/69 La sequenza di numeri pseudo-casuali La sequenza (PRBS, pseudo-random binary sequence) è prodotta da un generatore di numeri casuali, costituito da un registro a scorrimento retroazionato dai valori provenienti dalle proprie celle di memoria: se N è il numero di celle allora la sequenza duscita può arrivare a fornire una sequenza di bit pseudo-aleatoria di periodo P = 2 N -1. Questo significa che potranno trascorrere fino a 2 N -1 istanti di clock prima che si ripresenti la stessa successione di valori in uscita. Ogni sequenza pseudo-aleatoria è caratterizzata da un polinomio generatore, che implicitamente fornisce anche la lunghezza del registro a scorrimento: la presenza o lassenza di una data potenza di x indica lesistenza o meno di un collegamento tra la rispettiva cella del registro e lingresso dello stesso. Nel presente caso il polinomio è dato da G (x) = 1 + x 14 + x 15, ma può anche essere visto come G(x) = x· G (x) = 1 + x + x 15, considerando laritmetica modulo 16: la moltiplicazione per x implica semplicemente il ritardo di un istante di clock. Per capire la disposizione dei collegamenti è sufficiente considerare la soluzione del polinomio precedente, ovverosia 1 + x + x 15 = 0 o x 15 = 1 + x : ciò significa che il bit dingresso (in quanto x 15 è a 15 posizioni dalluscita, ovvero in ingresso) è dato dalla somma modulo 2 tra il bit duscita ( 1 = x 0 ) ed il bit che uscirà successivamente ( x 1 ). Il registro viene inizializzato mediante il caricamento nelle celle di una sequenza di bit standard (4A80 HEX ), caricamento che viene effettuato allinizio di ogni gruppo di otto pacchetti: il byte di sincronia invertito serve proprio a fornire tale segnale di inizializzazione al casualizzatore. Il primo bit in uscita dal generatore viene applicato al primo bit (MSB) del primo byte che segue il byte di sincronia invertito: in questo modo il periodo effettivo della sequenza PRBS sarà di 1503 byte ( 188·8 - 1 ).

72 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 18/69 Lo Scrambling nel DVB-S Successivamente alla fase di scrambling (dispersione di energia) il segnale v s [i] riceve anche unoccupazione ottimale della banda di frequenza disponibile, indipendentemente dal segnale trasmesso e per tutti gli istanti di tempo. Si può dire che lo spettro del segnale calcolato sul finestre temporali abbastanza lunghe (e.g. trasformata wavelet) diviene stazionario nel tempo. Questa proprietà può essere mostrata in modo intuitivo, mentre la sua dimostrazione rigorosa e formale è più complessa. Esempio di segnale originale: il segnale può avere una lunghezza di coerenza arbitraria legata al tipo di sorgente (trasmissione) in uso. Nellesempio a fianco la larghezza di banda occupata dal segnale può ridursi considerevolmente. Dopo un certo tempo la coerenza della sorgente può cambiare modificando la banda di frequenza del segnale. t v(t) t v s (t) Esempio di segnale dopo lo scrambling: la maggior parte delle transizioni tra bit consecutivi comportano una variazione di ampiezza. Ciò è dovuto alla randomizzazione del segnale introdotta dal segnale pseudo-casuale. In questo caso la larghezza di banda occupata dal segnale cresce notevolmente. Inoltre, la banda occupata tende ad essere stazionaria, cioè a non dipendere dalla sorgente e a non mutare nel tempo. Dopo la fase di scrambling segue una fase di codifica ridondante a correzione derrore basata su un algoritmo denominato Reed-Solomon. In questa fase il pacchetto MPEG-2 consistente di byte viene trasformato in un pacchetto di 204 byte mediante laggiunta di 16 byte di protezione derrore. In questo modo è possibile correggere fino a 8 errori di trasmissione / ricezione durante la decodifica del segnale effettuata dal ricevitore.

73 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 19/69 Codifica ridondante di Reed-Solomon: robustezza verso gli errori di ricostruzione Il codice fu inventato nel 1960 da Irving S. Reed e Gustave Solomon, che al tempo lavoravano al Lincoln laboratory del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Il loro storico articolo fu "Codici polinomiali su alcuni campi finiti" (Polynomial Codes over Certain Finite Fields). All'epoca dell'articolo, la tecnologia digitale non era sufficientemente avanzata per realizzare il concetto. L'applicazione dei codici di Reed-Solomon fu resa possibile dall'invenzione di un efficiente algoritmo di decodifica da parte di Elwyn Berlekamp, professore di ingegneria elettrica all'Università della California di Berkeley. L'idea chiave dietro il codice Reed-Solomon è di vedere i dati da "proteggere" come un polinomio. L'algebra lineare dice che un numero M di punti distinti determinano univocamente un polinomio di grado al massimo M-1. Il polinomio è quindi "codificato" tramite il calcolo di diversi suoi punti e i valori di questi punti sono ciò che viene effettivamente trasmesso. Durante la trasmissione, alcuni di questi punti possono essere corrotti. Per questo motivo sono trasmessi N=k+M punti, con k che sono i dati aggiunti per la protezione dell'informazione. Il ricevitore analizza i punti ricevuti e determina il polinomio di grado M-1 che meglio approssima la sequenza di punti ricevuti. Finché "non troppi" punti sono ricevuti corrotti, il ricevitore può ricostruire quale fosse il polinomio originario e quindi decodificare i dati. Nel caso di un numero eccessivo di errori comunque il decodificatore ricostruisce un polinomio "simile" a quello di partenza. Quindi l'algoritmo mostra una dipendenza debole dal numero di errori, non vi è un numero di errori oltre la quale la ricostruzione fallisce, ma l'algoritmo ricostruisce sempre un polinomio verosimile, la verosimiglianza del polinomio ricostruito dipende dal numero di errori ricevuti. I codici RS appartengono anche alla categoria dei FEC, cioè Forward Correction Code. La codifica Reed-Solomon nei CD Durante la masterizzazione dei CD audio la sequenza di campioni (PCM a 16 bit) viene divisa in blocchi di 24 byte a cui viene applicato un codice di correzione Reed-Solomon di 4 byte che consente la correzione di 4 errori in posizioni note o 2 errori in posizioni ignote per ogni blocco. Successivamente 112 blocchi contigui vengono raggruppati e scambiati tra loro in modo che due blocchi successivi nel flusso dei dati non siano mai vicini tra di loro. Questo "interlacciamento" serve a fare in modo che errori consecutivi sul CD (dovuti a graffi o impronte) in fase di lettura si trovino ad essere sparsi per il flusso di dati ricostruito, aumentando così grazie al codice Reed-Solomon (e altri) la probabilità di correzione.

74 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 20/69 Codifica ridondante di Reed-Solomon: robustezza verso gli errori di ricostruzione Definiamo un insieme prefissato di valori per la variabile indipendente: La stringa ricevuta conterrà il valore del polinomio di codifica associato ai vari valori della variabile indipendente: Al ricevitore, N equazioni possono essere formate, alcune delle quali sono sbagliate se sono intervenuti errori di trasmissione/ricezione. Ogni sottinsieme di M equazioni estratte dal sistema precedente fornisce (in genere) una soluzione completa e unica del problema della decodifica. Provando vari insiemi diversi di M equazioni si otterrano soluzioni diverse se I dati sono stati ricevuti con errori. Se la frequenza degli errori è bassa la soluzione vera sar à anche la pi ù frequente tra tutte quelle ottenibili in questo modo. Il numero massimo di errori di trasmissione che possono essere corretti ammonta a (N - M) / 2.

75 Ci sono N-M simboli di parità in ogni messaggio (stringa) trasmesso. I codici Reed-Solomon sono indicati come (N,M). Un codice (N,M) è capace di correggere (N-M)/2 errori di simbolo per messaggio (stringa). Quindi la misura della ridondanza nella trasmissione N-M determina la capacità di correzione del codice. A livello intuitivo si può pensare che i valori di parità (o checksum) necessari per correggere un errore sono due: il primo viene usato per individuare il valore errato, il secondo per la sua correzione effettiva (sostituzione). In definitiva è possibile correggere una quantità di errori pari alla metà del numero di valori di parità. Se la localizzazione degli errori di trasmissione è conosciuta in anticipo, il codice può correggere fino a (N-M) errori di simbolo. La codifica polinomiale è particolarmente efficace nella correzione di errori che si presentino in burst continui. Infatti ciascuno degli N simboli trasmessi è a sua volta una parola di n bit e il simbolo è errato indipendentemente dal numero di bit in errore che esso contiene. In altre parole, n bit consecutivi di errore contano come un singolo errore di simbolo. Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 21/69 DatiParità M N-M N

76 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 22/69 Codifica ridondante di Reed-Solomon: potenza di calcolo richiesta Uno dei maggiori problemi nellapplicazione di questa procedura di protezione dei dati è connesso con la grande potenza di calcolo richiesta. Analizziamo quante combinazioni C N,M di sistemi lineari è possibile costruire ed analizzare. Sistema (M eq. selezionate)Valori non usati M! combinazioni (N-M)! combinazioni Insieme dei valori ricevuti (N eq.) N! combinazioni Già assumendo N=10 e M=8, abbiamo un numero molto grande: Nel caso del DVB-S abbiamo N=204 e M=188, quindi il numero di combinazioni possibili è grandissimo: La soluzione percorribile può essere nel cercare ed eliminare le scelte di M equazioni che portano ad una soluzione in forte disaccordo quantitativo con le altre, in pratica si tratta della ricerca dei valori fuori statistica. Un buon punto di partenza (economico in termini di calcolo) consiste nel fare un fitting dei coefficienti del polinomio prendendoli tutti. Quando il numero di errori contenuti è piccolo il risultato del fitting è già una stima molto accurata del messaggio.

77 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 23/69 Codifica ridondante di Reed-Solomon: implementazione Esistono algoritmi di calcolo ottimizzati per limplementazione della decodifica della procedura Reed-Solomon. Citiamo in particolare lalgoritmo Welch-Berlekamp che permette limplementazione di un algoritmo di decodifica molto veloce. Lo studio di questi algoritmi non fa parte degli scopi del presente corso. Elwyn Ralph Berlekamp (nato il 6 settembre, 1940 a Dover, Ohio) è un professore di matematica presso l'Università della California, Berkeley ed è conosciuto per il sui lavori nell'ambito della teoria delle informazione e della teoria combinatoria dei giochi. Berlekamp è uno degli inventori dell'algoritmo di Welch-Berlekamp e di quello di Berlekamp-Massey, i quali sono usati per implementare il codice Reed-Solomon. A metà degli anni 80 è stato presidente della Cyclotomics, Inc., una società che sviluppava tecnologia per la correzione degli errori di codifica. Con John Horton Conway e Richard K. Guy è stato coautore di Winning Ways for your Mathematical Plays, articolo che gli ha fruttato il riconoscimento di co-fondatore della teoria combinatoria dei giochi.

78 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 24/69 Interleaver Lo scopo di questo blocco funzionale nella codifica dei dati è quello di migliorare la robustezza del sistema verso i pacchetti di errori contigui (burst). Infatti, sappiamo che la codifica Reed-Solomon offre già alcuni vantaggi al riguardo, tuttavia essa non è in grado di correggere burst di errori più lunghi di (204 – 188) / 2 = 8 byte. A causa della propagazione in atmosfera e delle varie sorgenti di disturbo (ad esempio il ricevitore è costituito da unapparecchiatura economica) è possibile il verificarsi errori a pacchetto di lunghezza maggiore di questo limite. In questo caso, la possibilità di effettuare una decodifica corretta dei dati trasmessi è affidata alla presenza della codifica intercalata (interleaver). Si tratta di uno schema di codifica estremamente semplice, i cui effetti sul segnale sono assolutamente intuitivi. Ogni pacchetto in uscita dal codificatore Reed-Solomon, che ha lunghezza pari a 204 byte, viene suddiviso in 12 pacchetti di 17 byte ciascuno (12 rappresenta la profondità della procedura di interleaving). Successivamente il flusso di dati viene riordinato prelevando in modo progressivo un byte da ciascun pacchetto, fino al completamento del blocco di 204 byte. La figura sottostante illustra graficamente il funzionamento dellinterleaver. II o pacchetto I o pacchetto III o pacchetto 12 o pacchetto I o pacchetto II o pacchetto 12 o pacchetto Flusso dati interleaved Si può notare che la codifica intercalata non modifica in alcun modo il valore dei dati, ma solo lordine cronologico nel quale essi sono trasmessi. Un altro aspetto di rilievo è che il byte sync rimane sempre il primo carattere trasmesso anche nel flusso intercalato, un circostanza che rende la decodifica più robusta. Quindi il primo byte del flusso intercalato sarà sempre il sync, il secondo byte sarà invece il primo trovato nel secondo pacchetto, il terzo sarà costituito dal primo byte nel terzo pacchetto, etc.

79 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 25/69 Interleaver In modo più formale, è possibile scrivere delle relazioni iterative per chiarire meglio lazione della procedura di interleaver. Al solito ci ispireremo alla sintassi del linguaggio di programmazione C. Supponiamo che g[] sia il generico flusso di dati in ingresso ed indichiamo con g I [] il flusso di dati intercalato. Supporremo che entrambi siano vettori con 204 posizioni della lunghezza di 1 unsigned char ciascuno. Useremo un indice i (shift register) per indirizzare i pacchetti, un indice j (12 shift register) per scandire i 12 pacchetti ed un indice k (shift register) per scandire i flussi di dati (originale e riordinato). I dati nel generico pacchetto i-esimo saranno indicati da p j []. Decodifica Lo schema di decodifica ricalca esattamente quello della codifica, con lunica eccezione dellordine dei due cicli iterativi. E sufficiente scambiare tra loro il ciclo sui pacchetti (indice i) con quello allinterno dei pacchetti (indice j). Si noti che limplementazione della codifica intercalata richiede la memorizzazione (sia nel codificatore che nel decodificatore) di almeno 1 blocco di dati in uscita dalla procedura Reed-Solomon. Quindi limplementazione di questa funzione pone dei requisiti sia al trasmettitore sia al ricevitore. Inevitabilmente il segnale codificato mostra un ritardo rispetto a quello originale causato dalla circostanza che leffettuazione della codifica richiede la conoscenza di tutto il blocco che deve essere intercalato (204 byte).

80 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 26/69 Convolutional Coder (Codificatore Interno) La codifica convoluzionale costituisce un secondo stadio di codifica ridondante a correzione derrore. Per molti aspetti questo tipo di codificatore è ancora più complesso e meno intuitivo della codifica Reed-Solomon. Il codice a convoluzione è spesso dotato di un solo ingresso e di due o più uscite. I due/n segnali in uscita vengono calcolati a partire dal valore del segnale in ingresso e dallo stato del codificatore. Questo stato si aggiorna tutte le volte che un nuova cifra entra dalla porta dingresso. I codificatori convoluzionali operano su segnali quantizzati (non continui) e sono macchine a stati discreti finiti. La figura seguente illustra lo schema del codificatore convoluzionale implementato sul trasmettitore DVB-S. Le cella rappresentate dal simbolo T sono degli shift register o memorie interne al codificatore. Ogni shift register contiene due valori: uno vecchio ed uno nuovo. I nodi di addizione eseguono la somma modulo 2 dei rispettivi ingressi. Si noti che la somma modulo 2 di due bit da lo stesso delloperatore Xor (or esclusivo). La macchina funziona a stati discreti e si deve immaginare che essa compia un ciclo ogni impulso del clock del sistema. Un ciclo macchina inizia immettendo il nuovo bit a sx nel codificatore che diviene il nuovo valore del primo shift register. Anche il vecchio valore dello S.R. viene aggiornato con il precedente nuovo valore al suo interno. Una volta che si è calcolata luscita del primo S.R. è possibile aggiornare lingresso dello S.R. successivo. Alla fine quando tutti gli S.R. sono stati aggiornati e le loro uscite calcolate si possono calcolare le uscite del codificatore e si passa alliterazione (impulso di clock) successiva.

81 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 27/69 Convolutional Coder (Codificatore Interno) To convolutionally encode data, start with k memory registers, each holding 1 input bit. Unless otherwise specified, all memory registers start with a value of 0. The encoder has n modulo-2 adders (a modulo 2 adder can be implemented with a single Boolean XOR gate, where the logic is: 0+0 = 0, 0+1 = 1, 1+0 = 1, 1+1 = 0), and n generator polynomials one for each adder (see figure below). An input bit m1 is fed into the leftmost register. Using the generator polynomials and the existing values in the remaining registers, the encoder outputs n bits. Now bit shift all register values to the right (m1 moves to m0, m0 moves to m-1) and wait for the next input bit. If there are no remaining input bits, the encoder continues output until all registers have returned to the zero state. The figure below is a rate 1/3 (m/n) encoder with constraint length (k) of 3. Generator polynomials are G1 = (1,1,1), G2 = (0,1,1), and G3 = (1,0,1). Therefore, output bits are calculated (modulo 2) as follows: Il codificatore qui a fianco ha 3 S.R., 1 bit di ingresso e 3 bit di uscita. Spesso queste caratteristiche sono riportate in forma sintetica, indicando un codificatore (3,1,3). Un altro parametro caratteristico di un codificatore convoluzionale è il suo bit rate in uscita, in rapporto a quello in ingresso. Nellesempio in figura abbiamo 3 porte di uscita (3 flussi di bit) contro 1 flusso di bit in ingresso. Un codificatore con queste caratteristiche si indica con il rate code 1/3. Avere un code rate di 1/3 significa che il flusso di dati in uscita è triplo rispetto a quello in ingresso.

82 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 28/69 Convolutional Coder (Codificatore Interno) A convolutional encoder is called so because it performs a convolution of the input stream with encoder's impulse responses: where x i is an input sequence, y j i is a sequence from output j and h j k is an impulse response for output. A convolutional encoder is a discrete linear time-invariant system. Every output of an encoder can be described by its own transfer function, which is closely related to a generator polynomial. An impulse response is connected with a transfer function through Z- transform. Transfer functions for the first (non-recursive) encoder are:linear time-invariant systemtransfer functionZ- transform Poiché le relazioni di I/O sono convoluzioni è possibile ricostruire il segnale originale (I) anche conoscendo una sola uscita (O). Questa caratteristica è vera anche nel caso di convoluzione tra funzioni continue (non discrete). In questo senso è chiaro che il codice convoluzionale nel sistema DVB-S, che ha due uscite e un solo ingresso, è un codice ridondante con possibilità notevoli di correzione derrore. Una domanda giusta è: perché non trasmettere due repliche uguali del segnale originale? Perché trasmettere un codice convoluzionale? La risposta è semplice. In caso di un errore di ricezione che comprometta uno dei bit nella sequenza convoluzionale, questa mancanza di informazioni si suddivide al termine delloperazione di deconvoluzione (stima del segnale originale) su tutti i campioni del segnale dingresso stimato contenuti allinterno della larghezza della funzione di risposta centrata sul bit mancante (non ricevuto o in errore). Questo lascia il segnale stimato completo (noto a tutti gli istanti) ma affetto da un piccolo errore di stima su alcuni campioni (bit). Un concetto simile vale per il codice Reed-Solomon. Si noti comunque, che il caso della convoluzione è più complesso e che quanto sopra affermato deve essere considerato solo come idea intuitiva.

83 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 29/69 Convolutional Coder (Codificatore Interno) A convolutional encoder is a finite state machine. An encoder with n binary cells will have 2 n states.finite state machine Imagine that the encoder (shown on Img.1, above) has '1' in the left memory cell (m 0 ), and '0' in the right one (m -1 ). (m 1 is not really a memory cell because it represents a current value). We will designate such a state as "10". According to an input bit the encoder at the next turn can convert either to the "01" state or the "11" state. One can see that not all transitions are possible (e.g., a decoder can't convert from "10" state to "00" or even stay in "10" state). All possible transitions can be shown as below: An actual encoded sequence can be represented as a path on this graph. One valid path is shown in red as an example. This diagram gives us an idea about decoding: if a received sequence doesn't fit this graph, then it was received with errors, and we must choose the nearest correct (fitting the graph) sequence. The real decoding algorithms exploit this idea. Img.3. A trellis diagram for the encoder on Img.1. A path through the trellis is shown as a red line. The solid lines indicate transitions where a "0" is input and the dashed lines where a "1" is input.

84 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 30/69 Convolutional Coder (Codificatore Interno) Per quanto visto finora si deve ritenere che la presenza del codificatore convoluzionale debba necessariamente raddoppiare il data rate lordo, lasciando immutato il data rate netto. Questo non è vero, poiché i codici a convoluzione possono essere completati da una funzione supplementare che riduce il data rate lordo, lasciando immutato quello netto. Ciò può avvenire solo a scapito della ridondanza del segnale in uscita dal codificatore ed è realizzato mediante una procedura di perforazione. In pratica avviene che nei flussi di dati in uscita alcuni bit possono essere soppressi (non trasmessi o perforati) secondo uno schema logico predefinito, noto sia al trasmettitore sia al ricevitore. I codici perforati trasmettono una quantità di dati inferiori a quelli senza perforazione ma offrono minore robustezza verso gli errori di trasmissione. Dunque il numero massimo di errori recuperabili diminuisce con la perforazione del codice.

85 Filtro a Coseno Rialzato Telecomunicazioni Multimediali – DVB 31/69 Il filtro a coseno rialzato è un particolare tipo di filtro elettronico usato per sagomare la risposta impulsiva nei sistemi di modulazione digitale, scelto tipicamente per la sua capacità di riduzione dell'interferenza intersimbolica (ISI). Il nome discende dal fatto che la porzione non nulla della sua risposta in frequenza, almeno nella versione più semplice, è una funzione coseno rialzata sopra l'asse delle frequenze. Il filtro a coseno rialzato realizza il filtro di Nyquist passa-basso, con la proprietà della simmetria vestigiale. Pertanto, il suo spettro possiede una simmetria dispari attorno a 1 / 2T, ove T è il periodo di simbolo del sistema di comunicazioni. Il suo grafico nel dominio della frequenza è dato da:

86 Filtro a Coseno Rialzato Telecomunicazioni Multimediali – DVB 32/69 Il suo grafico nel dominio del tempo è dato da: Il grafico a sinistra, anche se poco chiaro, mostra lassenza di interferenza intersimbolo connessa con luso di questo filtro particolare. Scegliendo un roll-off molto dolce (lungo) le probabilità di interferenza intersimbolo diminuiscono anche in presenza di errori nella scelta del corretto istante di campionamento…….. Nel sistema DVB-S il roll-off scelto è = 0.35

87 Filtro a Coseno Rialzato Telecomunicazioni Multimediali – DVB 33/69 Lespressione del filtro nel dominio delle frequenze è definita a tratti, come nella seguente equazione: Lespressione del filtro nel dominio del tempo è data dalla seguente equazione:

88 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-S 34/69 Descrizione tecnica del sistema di ricezione In ricezione, il set top box contiene tutti i circuiti necessari ad effettuare la demodulazione e la decodifica del segnale ricevuto, utilizzando tecniche duali a quelle descritte per la trasmissione. Front-end e ADC: il segnale analogico ad RF viene portato in banda base e trasformato in un segnale digitale, grazie all'uso di un convertitore analogico-digitale (ADC, Analog to Digital Converter).convertitore analogico-digitale Demodulazione QPSK Decodifica interna: si utilizza l' algoritmo di Viterbi. Deinterleaving esterno Decodifica RS Annulamento dispersione di energia Riadattamento di MUX Demultiplazione MPEG-2 e decodifica di sorgente ETSI EN V1.1.2 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services, scaricabile dal sito ETSIETSI Bit rate disponibili per un sistema DVB-S, assumendo un rapporto tra banda a -3 dB e symbol rate pari a 1.28 (modulazione QPSK e coefficiente di roll-off pari a 0.28). I valori espressi in corsivo sono in Mbps.symbol rate

89 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 35/69 Il DVB-C, acronimo di Digital Video Broadcasting - Cable, è lo standard del consorzio europeo DVB per una modalità di trasmissione televisiva digitale via cavo. Il sistema prevede la trasmissione di un flusso audio/video digitale della famiglia MPEG-2, utilizzando un sistema di modulazione QAM con codifica di canale.DVBcavo MPEG-2 Schema a blocchi di un sistema di trasmissione DVB-C.

90 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 36/69 Descrizione tecnica del sistema di trasmissione Con riferimento alla figura, descriviamo brevemente le caratteristiche e lo scopo di ciascun blocco di elaborazione. Codifica di sorgente e multiplexing MPEG-2: un flusso video, uno audio e uno dati sono multiplati insieme a costituire un flusso di programma MPEG-2 PS (MPEG-2 Programme Stream). Uno o più flussi di programma costituiscono un flusso di trasporto MPEG-2 TS (MPEG-2 Transport Stream); tale flusso rappresenta la sequenza digitale che viene trasmessa e ricevuta nei Set Top Box (STB) domestici. La bit rate ammessa per il trasporto MPEG-2 dipende dai parametri scelti per la modulazione: essa può variare da circa 6 a circa 64 Mbps (si veda la figura in fondo per l'elenco completo).Set Top Boxbit rateMbps Adattamento di MUX e dispersione d'energia: il flusso di trasporto MPEG-2 viene identificato come una sequenza di pacchetti dati di lunghezza fissa pari a 188 byte. Con una tecnica chiamata dispersione d'energia (scrambling), la sequenza di byte viene quindi scorrelata. pacchettibytescramblingscorrelata Codificatore di canale: un alto livello di protezione viene fornito ai dati trasmessi, usando un codice a blocchi non binario di tipo Reed-Solomon RS(204,188), che permette la correzione di un massimo di 8 byte errati per ogni pacchetto di 188 byte. Interleaver: si utilizza una tecnica di interleaving convoluzionale per mescolare la sequenza di dati trasmessa, in modo da renderla più robusta in caso di lunghe sequenze di errori.interleaving Conversione byte/m-upla: i byte di dati vengono codificati in m-uple di bit (m = 4, 5, 6, 7, o 8). Codifica differenziale: i due bit più significativi della m-upla sono sottoposti ad una operazione che rende il segnale trasmesso robusto. Modulatore QAM: questo blocco effettua la modulazione in banda-base digitale della sequenza di bit, producendo una squenza di simboli. I metodi di modulazione ammessi sono 5: 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM.modulazione Sagomatura in banda-base: il segnale QAM è opportunamente filtrato con un filtro a coseno rialzato, che permette di diminuire le interferenze mutue del segnale in ricezione.filtro a coseno rialzato DAC e front-end: il segnale digitale viene opportunamente trasformato in un segnale analogico, grazie ad un convertitore digitale-analogico (DAC, Digital to Analog Converter), ed infine modulato a frequenza radio dal front end ad RF.convertitore digitale-analogicoRF

91 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 37/69 Il mezzo trasmissivo Iniziamo con dei richiami alla teoria delle linee, che in primissima approssimazione possono essere considerate come linee bifilari, cioè costituite da due fili. Consideriamo perciò un sistema costituito da due conduttori (con la forma di fili paralleli), sui quali viene scelta unorigine ed una coordinata z che misura la posizione rispetto allorigine stessa. Supponiamo che la tensione V 0 e la corrente I 0 nellorigine del sistema siano note e che queste quantità varino con la posizione z lungo la linea. Si veda la figura qui sotto. z V(z)V(z) I(z)I(z) dz Le equazioni che governano un simile sistema fisico sono note come equazioni delle linee o equazioni dei telegrafisti. Ammettenza trasversale (densità lineare di ammettenza)

92 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 38/69 R l : densità lineare di resistenza L l : densità lineare di autoinduttanza G l : densità lineare di conduttanza C l : densità lineare di capacità Perdite di tensione Perdite di corrente Vediamo ora come trovare la soluzione di questo sistema di equazioni differenziali accoppiate (alle derivate totali). Il trucco sta nel considerare le derivate di questo sistema ed applicare la procedura di sostituzione per ottenere un sistema di equazioni differenziali disaccoppiate.

93 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 39/69 A questo punto bisogna trovare la soluzione generale di queste equazioni differenziali… Ora bisogna sostituire la derivata prima della corrente con lespressione della tensione, e la derivata prima ella tensione con la corrente. Si ottiene: La soluzione è composta dalla sovrapposizione di due onde, una delle quali regressiva, laltra progressiva. Le due onde si muovono in versi opposti lungo la linea bifilare e, nella soluzione generale nella quale è presente solo una sorgente ad una delle due estremità della linea, una delle due onde rappresenta il contributo dovuto alla riflessione allestremità opposta alla sorgente. è la costante di propagazione della linea…ed è una funzione della frequenza

94 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 40/69 Dove abbiamo introdotto limpedenza di linea Z 0 : In tutta generalità è possibile mostrare che le costanti dintegrazione (V 1,V 2 ) e (I 1,I 2 ) non sono tra loro indipendenti. Esse sono collegate dalla seguente relazione, valida indipendentemente dalle condizioni al contorno selezionate: Otteniamo il coefficiente di riflessione in ampiezza mostrato dallequazione precedente. Un eventuale segno negativo del coefficiente significa una sfasatura di dellonda riflessa. Si capisce subito quale sia la condizione di adattamento della periferica alla linea, cioè quella condizione che massimizza lenergia trasferita alla periferica (terminale) minimizzando lenergia riflessa dallinterfaccia: Questa impedenza regola il rapporto tra corrente che scorre nella linea e tensione applicata. Tuttavia Z 0 non rappresenta limpedenza fisica della linea, che come si è visto vale Z l per ogni unità di lunghezza. Andiamo ora a vedere cosa accade allestremità della linea che viene terminata con una periferica avente impedenza dingresso Z u :

95 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 41/69 Analizziamo ora le caratteristiche della linea: In questo modo è facile dedurre che la linea si comporta come un filtro in frequenza, che ritarda il segnale introducendo un ritardo di fase dipendente dalla frequenza. Inoltre il segnale è soggetto anche ad una attenuazione differenziale, diversa a frequenze E.M. differenti. Si noti che c è la velocità di fase del segnale (non la velocità di gruppo), che ha un significato fisico minore. Naturalmente anche la velocità di propagazione del segnale è una funzione della frequenza. In generale le caratteristiche elettriche dei conduttori (della linea) sono a loro volta funzioni della frequenza. Ad esempio la densità lineare di resistenza elettrica R l aumenta con la frequenza a causa delleffetto pelle. Attenuazione Dispersione Costante di propagazione

96 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 42/69 Analizziamo ora le caratteristiche delle linee coassiali. Anzitutto è bene specificare che il modello generale adottato per una linea bifilare vale anche per una linea coassiale. Quindi le soluzioni generali restano le stesse già viste in precedenza. Lunico problema consiste nel mettere in relazione le caratteristiche geometriche della linea coassiale con i parametri caratteristici della linea. Inoltre bisogna considerare che le linee coassiali vengono utilizzate di solito per i segnali ad alta frequenza, come quello DVB-C, quindi è utile dedurre soluzioni approssimate valide in questo regime di funzionamento. Vediamo il risultato finale per lattenuazione: In queste relazioni abbiamo introdotto la conduttanza del materiale costituente il conduttore, la profondità delleffetto pelle, i diametri geometrici del cavo coassiale a e b e la costante dielettrica. Si noti che le formule sono approssimate al limite delle alte frequenze, dove:

97 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 43/69 Optical Fibers The optical fiber falls into a subset (albeit the most commercially significant subset) of structures known as dielectric optical waveguides. The general principles of optical waveguides are discussed elsewhere in Chap. 6 of Vol. II, Integrated Optics; the optical fiber works on principles similar to other waveguides, with the important inclusion of a cylindrical axis of symmetry. For some specific applications, the fiber may deviate slightly from this symmetry; it is nevertheless fundamental to fiber design and fabrication. Figure 1 shows the generic optical fiber design, with a core of high refractive index surrounded by a low-index cladding. This index difference requires that light from inside the fiber which is incident at an angle greater than the critical angle be totally internally reflected at the interface. A simple geometrical picture appears to allow a continuous range of internally reflected rays inside the structure; in fact, the light (being a wave) must satisfy a self-interference condition in order to be trapped in the waveguide. There are only a finite number of paths which satisfy this condition; these are analogous to the propagating electromagnetic modes of the structure. FIGURE 1 (a) Generic optical fiber design, (b) path of a ray propagating at the geometric angle for total internal reflection.

98 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 44/69 Fibers which support a large number of modes (these are fibers of large core and large numerical aperture) can be adequately analyzed by the tools of geometrical optics; fibers which support a small number of modes must be characterized by solving Maxwell s equations with the appropriate boundary conditions for the structure. Fibers which exhibit a discontinuity in the index of refraction at the boundary between the core and cladding are termed step-index fibers. Those designs which incorporate a continuously changing index of refraction from the core to the cladding are termed GRadient-INdex fibers (grin). The geometrical ray path in such fibers does not follow a straight line rather it curves with the index gradient as would a particle in a curved potential (Fig. 2). Such fibers will also exhibit a characteristic angle beyond which light will not internally propagate. A ray at this angle, when traced through the fiber endface, emerges at an angle in air which represents the maximum geometrical acceptance angle for rays entering the fiber; this angle is the numerical aperture of the fiber (Fig. 3). Both the core size and numerical aperture are very important when considering problems of fiber-fiber or laser-fiber coupling. FIGURE 2 Ray path in a gradient-index fiber. FIGURE 3 The numerical aperture of the fiber defines the range of external acceptance angles.

99 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 45/69 A larger core and larger numerical aperture will, in general, yield a higher coupling efficiency. Coupling between fibers which are mismatched either in core or numerical aperture is difficult and generally results in excess loss. The final concept for which a geometrical construction is helpful is ray classification. Those geometrical paths which pass through the axis of symmetry and obey the self-interference condition are known as meridional rays. There are classes of rays which are nearly totally internally reflected and may still propagate some distance down the fiber. These are known as leaky rays (or modes). Other geometrical paths are not at all confined in the core, but internally reflect off of the cladding-air (or jacket) interface. These are known as cladding modes. Finally, there exists a class of geometrical paths which are bound, can be introduced outside of the normal numerical aperture of the fiber, and do not pass through the axis of symmetry. These are often called skew rays. Figure 4 illustrates the classification of geometrical paths. Geometrical optics has a limited function in the description of optical fibers, and the actual propagation characteristics must be understood in the context of guided-wave optics. For waveguides such as optical fibers which exhibit a small change in refractive index at the boundaries, the electric field can be well described by a scalar wave equation, FIGURE 4 Classification of geometrical ray paths in an optical fiber. (a) Meridional ray; (b) leaky ray; (c) ray corresponding to a cladding mode; (d) skew ray. the solutions of which are the modes of the fiber. (r,,z) is generally assumed to be separable in the variables of the cylindrical coordinate system of the fiber:

100 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 46/69 This separation results in the following eigenvalue equation for the radial part of the scalar field: in which m denotes the azimuthal mode number, and is the propagation constant. The solutions must obey the necessary continuity conditions at the core-cladding boundary. In addition, guided modes must decay to zero outside the core region. These solutions are readily found for fibers having uniform, cylindrically symmetric regions but require numerical methods for fibers lacking cylindrical symmetry or having an arbitrary index gradient. A common form of the latter is the so-called -profile in which the refractive index exhibits the radial gradient FIGURE 5 Bessel functions J m ( ) for m = 0, 1, and 2.

101 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 47/69 The step-index fiber of circular symmetry is a particularly important case, because analytic field solutions are possible and the concept of the order of a mode can be illustrated. For this case, the radial dependence of the refractive index is the step function The solutions to this are Bessel functions and are illustrated in Fig. 5. It can be seen that only the lowest-order mode (m = 0) has an amplitude maximum at the center. Solution in the (core) and in the cladding are: Higher-order modes will have an increasing number of zero crossings in the cross section of the field distribution. Fibers which allow more than one bound solution for each polarization are termed multimode fibers. Each mode will propagate with its own velocity and have a unique field distribution. Fibers with large cores and high numerical apertures will typically allow many modes to propagate. This often allows a larger amount of light to be transmitted from incoherent sources such as light-emitting diodes (LEDs). It typically results in higher attenuation and dispersion, as discussed in the following section. By far the most popular fibers for long distance telecommunications applications allow only a single mode of each polarization to propagate. Records for low dispersion and attenuation have been set using single-mode fibers, resulting in length-bandwidth products exceeding 10 Gb-km / s. In order to restrict the guide to single-mode operation, the core diameter must typically be 10 m or less. This introduces stringent requirements for connectors and splices and increases the peak power density inside the guide. As will be discussed, this property of the single-mode fiber enhances optical nonlinearities which can act to either limit or increase the performance of an optical fiber system. Core Cladding

102 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 48/69 In most cases, the modes of interest exhibit a complex exponential behavior along the direction of propagation z. is generally termed the propagation constant and may be a complex quantity. The real part of is proportional to the phase velocity of the mode in question, and produces a phase shift on propagation which changes rather rapidly with optical wavelength. It is often expressed as an effective refractive index for the mode by normalizing to the vacuum wave vector The imaginary part of represents the loss (or gain) in the fiber and is a weak (but certainly not negligible) function of optical wavelength. Fiber attenuation occurs due to fundamental scattering processes (the most important contribution is Rayleigh scattering), absorption (both the OH-absorption and the long-wavelength vibrational absorption), and scattering due to inhomogeneities arising in the fabrication process. Attenuation limits both the short and long wavelength applications of optical fibers. Figure 6 illustrates the attenuation characteristics of a typical fiber. The variation of the longitudinal propagation velocity with either optical frequency or path length introduces a fundamental limit to fiber communications. Since signaling necessarily requires a nonzero bandwidth, the dispersion in propagation velocity between different frequency components of the signal or between different modes of a multimode fiber produces a signal distortion and intersymbol interference (in digital systems) which is unacceptable. Fiber dispersion is commonly classified as follows. Intermodal Dispersion The earliest telecommunications links as well as many modern data communications systems have made use of multimode fiber. These modes (which we have noted have some connection to geometrical ray angles) will typically have a broad range of propagation velocities. An optical pulse which couples to this range of guided modes will tend to broaden by an amount equal to the mean-squared difference in propagation time among Praticamente lo stesso risultato ottenuto per le linee, è equivalente a j.

103 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 49/69 the modes. This was the original purpose behind the gradient-index fiber; the geometrical illustrations of Figs 1 and 2 show that, in the case of a step-index fiber, a higher-order mode (one with a steeper geometrical angle or a higher mode index m) will propagate by a longer path than an axial mode. A fiber with a suitable index gradient will support a wide range of modes with nearly the same phase velocity. Vassell was among the first to show this, and demonstrated that a hyperbolic secant profile could very nearly equalize the velocity of all modes. The -profile description eventually became the most popular due to the analytic expansions it allows (for certain values of ) and the fact that it requires the optimization of only a single parameter. Multimode fibers are no longer used in long distance (> 10 km) telecommunications due to the significant performance advantages offered by single-mode systems. Many short-link applications, for which intermodal dispersion is not a problem, still make use of multimode fibers. Material Dispersion The same physical processes which introduce fiber attenuation also produce a refractive index which varies with wavelength. This intrinsic, or material, dispersion is primarily a property of the glass used in the core, although the dispersion of the cladding will influence the fiber in proportion to the fraction of guided energy which actually resides outside the core. Material dispersion is particularly important if sources of broad spectral width are used, but narrow linewidth lasers which are spectrally broadened under modulation also incur penalties from material dispersion. For single-mode fibers, material dispersion must always be considered along with waveguide and profile dispersion. FIGURE 6 Attenuation characteristics of a typical fiber: schematic, showing the important mechanisms of fiber attenuation.

104 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 50/69 Trasmissione Campi E.M. In generale, la trasmissione dei campi elettromagnetici attraversi i mezzi materiali risente sempre di vari fenomeni, quali l assorbimento (o attenuazione), la diffusione, ritardo di fase, etc. In base ai risultati ottenuti per le linee bifilari e coassiali, per le fibre ottiche e per la propagazione libera nell atmosfera terrestre, si può scrivere un equazione abbastanza generale che collega i parametri fisici del mezzo trasmissivo al segnale ricevuto. Come noto questa equazione può essere scritta nel seguente modo: Dove s r (t) indica il segnale (campo) ricevuto, s(t) quello trasmesso, e è un numero complesso che rappresenta la costante di propagazione del mezzo trasmissivo in questione. Evidentemente l equazione precedente può essere scritta nel seguente modo. Il primo dei due esponenziali rappresenta uno sfasamento del segnale, che può variare con la frequenza (lunghezza d onda) elettromagnetica (fenomeno noto come dispersione). Il secondo rappresenta invece l attenuazione o dispersione anomala, e riduce la potenza del segnale ricevuto proporzionalmente alla distanza percorsa. Si noti che Re{ } è una funzione della frequenza E.M. collegata con la velocit à di fase del campo E.M. Dove c è la velocit à di propagazione del campo E.M. nel mezzo trasmissivo. Considerando le precedenti equazioni, si ricava facilmente la relazione che lega il tempo sorgente t s ed il tempo ricevitore (osservatore) t. Si ottiene cos ì un equazione che aiuta a capire l entit à dei disturbi di fase indotti dalla propagazione sul segnale ricevuto.

105 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C 51/69 Descrizione tecnica del sistema di ricezione In ricezione, il set top box contiene tutti i circuiti necessari ad effettuare la demodulazione e la decodifica del segnale ricevuto, utilizzando tecniche duali a quelle descritte per la trasmissione. Front-end e ADC: il segnale analogico ad RF viene portato in banda base e trasformato in un segnale digitale, grazie all'uso di un convertitore analogico-digitale (ADC, Analog to Digital Converter).convertitore analogico-digitale Demodulazione QAM Equalizzazione Decodifica differenziale Deinterleaving esterno Decodifica esterna Riadattamento di MUX Demultiplazione MPEG-2 e decodifica di sorgente ETSI EN V1.2.1 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for cable systems, scaricabile dal sito ETSIETSI Bit rate disponibili per un sistema DVB-C, assumendo un rapporto tra banda e symbol rate pari a I valori espressi in corsivo sono in Mbps.

106 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C2 52/69 Introduction and background DVB-C2 is a digital cable transmission system developed by the DVB Project. It uses the latest modulation and coding techniques to enable highly efficient use of cable networks where, up to now, in many cases downstream transmission capacity is already being used to its limit. DVB-C2 will initially be used for the delivery of innovative new services, such as video-on-demand (VOD) and high definition television (HDTV), helping digital operators to remain competitive and also to meet retransmission requirements; in the longer term the migration of current DVB-C services to DVB-C2 is also foreseen. DVB-C was first published by ETSI in December 1994, subsequently becoming the most widely used transmission system for digital cable television. The standard is deployed worldwide in systems ranging from the larger cable television networks (CATV) down to smaller satellite master antenna TV (SMATV) systems. DVB-C is also integrated as the physical layer for the European version of DOCSIS, Data Over Cable Service Interface Specification (EuroDOCSIS: ITU J.222.1). A range of factors have combined to create the demand for DVB to create a second generation cable transmission standard, as has been the case with DVB-S2 and DVB-T2 for satellite and terrestrial transmission. Many CATV networks are already full to capacity Operators with high digital penetration need the flexibility to keep their offering competitive CATV networks retransmitting content from other networks, e.g. satellite, must keep pace with their evolution New tools are needed to address both private and business customers, particularly with IP-based content Performance improvements, e.g. zapping time, are needed to increase digital penetration in some markets As with all DVB standards, the specification is based on a set of Commercial Requirements. Key requirements include an increase in capacity (at least 30%), support of different input protocols, and improved error performance. DVB-C2 reuses some of the building blocks of other second generation DVB transmission systems - the DVB Family approach. The new standard was not required to be backwards compatible with DVB-C, although DVB-C2 receivers will be able to also handle DVB-C services.

107 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C2 53/69 Introduction and background As with its predecessor, DVB-C2 offers a range of modes and options that can be optimised for the different network characteristics and the requirements of the different services planned for delivery to cable customers. (Figure 1. compares the modes and features available in DVB-C and DVB-C2.) By using state of the art coding and modulation techniques it offers greater than 30% higher spectrum efficiency under the same conditions as todays DVB-C deployments. After analogue switch-off the gains in downstream capacity will be greater than 60% for optimized HFC networks. The noise performance of DVB-C2 is excellent, coming close to the Shannon limit, the theoretical maximum information transfer rate in a channel for a given noise level. Figure 2 shows the wide range and fine granularity of solutions possible. The chosen COFDM modulation scheme is insensitive to echoes caused by typical in-house coaxial networks and very robust in relation to impulsive noise interference. Notches, both narrowband and broadband, can be used to cope with different interference scenarios. Flexibility in terms of bandwidth is a further important feature of DVB-C2. In the future, cable networks deployed with DVB-C2 will allow very broad signals (e.g. 32 MHz and more) to be transmitted, meeting the operators requirements for larger pipes allowing a very efficient sharing of the available resources between individual customers and services.

108 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-C2 54/69 Market deployment It is expected that some operators will take advantage of the new DVB-C2 standard as early as 2010, using the extra capacity it offers to enable the delivery of innovative new services including multi-channel HDTV, VOD, and other interactive services. In January 2009 the CTOs of seven European cable network operators representing more than 22 million cable homes released a statement welcoming the development of DVB-C2. Over time operators will begin migrating services currently delivered using DVB-C to the new system, by replacing the existing receiver population. However, DVB-C2 will coexist alongside DVB-C in many markets for many years. Timetables for analogue switch-off, as well as other regulatory factors, will have an impact on the pace with which operators can conduct such a migration. DVB-C2 noise performance compared to DVB-C

109 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T 55/69 l Digital Video Broadcasting - Terrestrial (DVB-T) è lo standard del consorzio europeo DVB per una modalità di trasmissione televisiva digitale terrestre. Il sistema prevede la trasmissione di un flusso audio/video digitale della famiglia MPEG-2, utilizzando un sistema di modulazione OFDM con codifica concatenata.DVBtelevisiva digitale terrestre MPEG-2OFDM Schema a blocchi di un sistema di trasmissione DVB-T.

110 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T 56/69 Descrizione tecnica del sistema di trasmissione Con riferimento alla figura, descriviamo brevemente le caratteristiche e lo scopo di ciascun blocco di elaborazione. Codifica di sorgente e multiplazione (MUX) MPEG-2: un flusso video, uno audio e uno dati sono multiplati insieme a costituire un flusso di programma MPEG-2 PS (MPEG-2 Programme Stream). Uno o più flussi di programma costituiscono un flusso di trasporto MPEG-2 TS (MPEG-2 Transport Stream); tale flusso rappresenta la sequenza digitale che viene trasmessa e ricevuta nei Set Top Box (STB) domestici. La bit rate ammessa per il trasporto MPEG-2 dipende dai parametri scelti per la modulazione: essa varia da circa 5 a circa 32 Mbps (si veda la figura in fondo per l'elenco completo).multiplazioneSet Top Boxbit rateMbps Divisore: due diversi flussi di trasporto possono essere trasmessi contemporaneamente, utilizzando una tecnica chiamata Trasmissione Gerarchica. Lo scopo di questa tecnica è, ad esempio, quello di trasmettere un segnale video a definizione standard (SDTV) ed un segnale video ad alta definizione (HDTV). In genere, il segnale a definizione standard verrà protetto maggiormente, ed il segnale ad alta definizione sarà invece protetto in misura minore. In ricezione, a seconda della qualità del segnale ricevuto, il set top box può cercare di decodificare il flusso ad alta definizione oppure, se la qualità del segnale ricevuto è scarsa, passare al segnale a definizione standard (così facendo, i ricevitori vicini al sito di trasmissione potranno usufruire di un segnale ad alta definizione, e tutti quelli serviti nell'area di copertura, anche i più distanti, potranno ricevere il segnale a definizione standard).SDTVHDTV Adattamento di MUX e dispersione d'energia: il flusso di trasporto MPEG-2 viene identificato come una sequenza di pacchetti dati di lunghezza fissa pari a 188 byte. Con una tecnica chiamata dispersione d'energia (scrambling), la sequenza di byte viene quindi scorrelata. pacchettibytescramblingscorrelata Codificatore esterno: un primo livello di protezione viene fornito ai dati trasmessi, usando un codice a blocchi non binario di tipo Reed-Solomon RS(204,188), che permette la correzione di un massimo di 8 byte errati per ogni pacchetto di 188 byte. Interleaver esterno: si utilizza una tecnica di interleaving convoluzionale per mescolare la sequenza di dati trasmessa, in modo da renderla più robusta in caso di lunghe sequenze di errori.interleaving Codificatore interno: un secondo livello di protezione è affidato all'uso di un codice convoluzionale binario con perforazione, che spesso viene indicato nei set top box con il termine FEC (Forward Error Correction). I valori di codifica ammessi sono cinque: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.Forward Error Correction continua ….

111 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T 57/69 Descrizione tecnica del sistema di trasmissione Interleaver interno: la sequenza di dati viene nuovamente mescolata, sempre per ridurre l'influenza nefasta di lunghe sequenze di errore. In questo caso, si utilizza una tecnica di interleaving a blocchi con legge di mescolamento pseudo- casuale (questa operazione è in realtà costituita da due processi di interleaving separati: uno che opera su singoli bit e uno che opera su gruppi di bit). Mappatore: questo blocco effettua la modulazione in banda-base digitale della sequenza di bit, producendo una sequenza di simboli. I metodi di modulazione ammessi sono tre: QPSK, 16-QAM, 64-QAM.modulazioneQPSK Adattamento di trama: i simboli generati dal processo di mappatura sono raccolti in blocchi di lunghezza costante (1512, 3024 o 6048 simboli per blocco). Si genera una trama (frame) di lunghezza pari a 68 blocchi; quattro trame costituiscono una supertrama (superframe). Segnali pilota e TPS: per permettere una migliore ricezione del segnale in seguito alla trasmissione sul canale radio terrestre, dei segnali di aiuto vengono inseriti in ogni blocco. I segnali pilota servono in fase di equalizzazione, mentre i segnali TPS (Transmission Parameters Signalling) si utilizzano per inviare i parametri del segnale trasmesso e per identificare univocamente la cella di trasmissione.equalizzazionecella di trasmissione Modulazione OFDM: la sequenza di blocchi è sottoposta ad una operazione di modulazione secondo la tecnica OFDM, utilizzando un numero di portanti pari a 2048 (modo 2k), 4096 (modo 4k), oppure 8192 (modo 8k).portanti Inserimento intervallo di guardia: per diminuire la complessità del ricevitore, ciascun blocco modulato in OFDM viene esteso, copiando in testa ad esso la sua parte terminale (tecnica del prefisso ciclico). La durata dell'intervallo di guardia può essere 1/32, 1/16, 1/8 o 1/4 di quella del blocco modulato. DAC e front-end: il segnale digitale viene opportunamente trasformato in un segnale analogico, grazie ad un convertitore digitale-analogico (DAC, Digital to Analog Converter), ed infine modulato a frequenza radio (VHF o UHF) dal front-end ad RF. La larghezza di banda occupata da ciascun singolo segnale DVB-T è studiata per accomodarsi in canali larghi 6, 7 o 8 MHz.convertitore digitale-analogicoVHFUHFRFlarghezza di bandaMHz

112 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T 58/69 Descrizione tecnica del sistema di ricezione Il tipo di modulazione usato (OFDM) è del tutto diverso da quello usato per le trasmissioni analogiche (sono presenti molte portanti, anziché una portante per il video, una per il colore e una per l'audio), per cui i sintonizzatori analogici non possono in alcun modo essere adattati a ricevere questo tipo di trasmissione; questo rende necessario l'utilizzo di decoder esterni all'apparecchio televisivo, o di televisori dotati dei due tipi di sintonizzatore (finché permarrà la situazione di convivenza di segnali analogici e digitali).decoder In ricezione, il set top box contiene tutti i circuiti necessari ad effettuare la demodulazione e la decodifica del segnale ricevuto, utilizzando tecniche duali a quelle descritte per la trasmissione. Front-end e ADC: il segnale analogico ad RF viene portato in banda base e trasformato in un segnale digitale, grazie all'uso di un convertitore analogico-digitale (ADC, Analog to Digital Converter).convertitore analogico-digitale Sincronizzazione di tempo e di frequenza: nel segnale digitale in banda-base si cercano dei punti che permettano di identificare la posizione delle trame e dei singoli blocchi. Si cerca di correggere anche eventuali imperfezioni sulla frequenza delle componenti del segnale. Rimozione intervallo di guardia: si elimina il prefisso ciclico. Demodulazione OFDM Equalizzazione in frequenza: con l'utilizzo dei segnali pilota si equalizza il segnale ricevuto. Demappatura Deinterleaving interno Decodifica interna: si utilizza l' algoritmo di Viterbi. Deinterleaving esterno Decodifica esterna Riadattamento di MUX Demultiplazione MPEG-2 e decodifica di sorgente ETSI EN V1.5.1 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, scaricabile dal sito ETSI.ETSI

113 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T2 59/69 Sistema DVB-T di IIa generazione Nel marzo 2006 il gruppo DVB ha deciso di studiare delle nuove opzioni per uno standard DVB-T migliorato, tanto che nel giugno del 2006 è stato creato il gruppo di studio TM-T2 (Technical Module on Next Generation DVB-T, modulo tecnico sul DVB-T di prossima generazione) all'interno del gruppo DVB, al fine di sviluppare uno schema di modulazione avanzato che avrebbe potuto essere adottato da uno standard televisivo digitale terrestre di seconda generazione, da chiamarsi DVB-T2. In base ai requisiti commerciali e tecnologici proposti, la prima fase del DVB-T2 sarà destinata a fornire la miglior ricezione possibile a ricevitori Bit rate disponibili per un sistema DVB-T in canali da 8 MHz. I valori espressi in corsivo sono in Mbps. stazionari e portatili usando gli apparati d'antenna attuali, mentre una seconda e terza fase studieranno metodi per raggiungere bit rate più alte (con nuovi tipi d'antenna) e il problema dei ricevitori mobili. Il nuovo sistema sarebbe in grado di fornire un aumento minimo del 30% in termini di bit rate utile, a pari condizioni di canale trasmissivo usato per il DVB-T. Le tecnologie utilizzate saranno, a grandi linee, le seguenti: Codici a correzione d'errore di tipo LDPC/BCH, in accordo con quanto già avviene nello standard satellitare DVB-S2 Opzione di utilizzo di sistemi MIMO o a diversità d'antenna Metodiche per ridurre la potenza di picco irradiata all'antenna trasmittente Più di 8000 portanti: e portanti permetteranno di minimizzare l'overhead di prefisso ciclico su reti a frequenza singola (nei documenti citati si prospetta un incremento del 50% in termini di bit rate) Stima del canale migliorata e utilizzo di un numero inferiore di portanti pilota Aumento del 30% nella distanza tra ripetitori di reti a frequenza singola Codifica e modulazioni variabili Multiplazione flessibile che permetterà più transport stream in contemporanea e un incapsulamento dei pacchetti di protocollo IP.

114 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T2 60/69 Sistema DVB-T di IIa generazione As with its predecessor, DVB-T2 uses OFDM (orthogonal frequency division multiplex) modulation, with a large number of sub-carriers delivering a robust signal. Also in common with DVB-T, the new specification offers a range of different modes making it a very flexible standard. In the realm of error correction, DVB-T2 uses the same coding that was selected for DVB-S2. LDPC (Low Density Parity Check) coding combined with BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquengham) coding offers excellent performance in the presence of high noise levels and interference, resulting in a very robust signal. Several options are available in areas such as the number of carriers, guard interval sizes and pilot signals, so that the overheads can be minimised for any target transmission channel. A new technique, called Rotated Constellations, provides significant additional robustness in difficult channels. Also, a mechanism is provided to separately adjust the robustness of each delivered service within a channel to meet the required reception conditions (e.g. in-door antenna/roof-top antenna). This same mechanism allows transmissions to be tailored such that a receiver can save power by decoding only a single programme rather than a whole multiplex of programmes. DVB-T2 also specifies a transmitter diversity method, known as Alamouti coding, which improves coverage in smallscale single-frequency networks. Finally, DVB-T2 has defined a way that the standard can be compatibly enhanced in the future through the use of Future Extension Frames. Comparazione dei modi disponibili negli standard DVB-T e DVB-T2..

115 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-T2 61/69 Passaggio al sistema DVB-T2 In the years ahead, in countries where DVB-T services have become well-established, regulators will be keen to achieve full Analogue Switch-Off (ASO) and, in the process, release valuable UHF and VHF spectrum for other purposes. Some countries have already completed ASO. One option at ASO will be the introduction of new services using DVB-T2 technology. This could enable, for example, the roll out of new nationwide multiplexes offering multichannel HDTV services, or perhaps innovative new datacasting services. As with DVB-T, the new standard is certain to target not just roof-top and set-top antennas, but also PCs, laptops, in-car receivers, and a whole range of other innovative receiving devices. In countries where DVB-T services are already on air the transition from DVB-T to DVB-T2 will need to be carefully managed, if such a transition happens. DVB-T and DVB-T2 services are likely to co-exist side-by-side for some time to come - and its clear from the experiences in Australia (DVB-T, MPEG-2 video coding) and France (DVB-T, MPEG-4 video coding) that terrestrial HDTV services are perfectly viable without using DVB-T2. Having said that, it is inevitable that DVB-T2 equipment prices will fall in the coming years, thus making it a valid option for the launch of DTT services in countries where no such services exist. The first country to deploy DVB-T2 will be the UK, where ASO is already under way. The regulator there, Ofcom, has stated its intention to convert one nationwide multiplex to DVB-T2 with the first transmissions of multichannel HDTV set to begin at the end of Test transmissions began immediately after the approval of the standard in June The DVB-T2 specification was approved by the DVB Steering Board at the end of June On approval it was released as a DVB BlueBook and sent to ETSI (European Telecommunications Standards Institute) for publication as a formal standard. Its publication is expected in the second quarter of Vendors are working on the design of DVB-T2 equipment; the first prototypes appeared at the end of In parallel, further work is required within the DVB Project and elsewhere on the creation of implementation guidelines, validation testing, etc. Links - – the main website of the DVB Projectwww.dvb.org - – all DVB standards are available for download directly from the ETSI websitewww.etsi.org - – DigiTAG aims to facilitate the implementation of DTT based on DVB standardswww.digitag.org

116 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-H 62/69 Il DVB-H, acronimo di Digital Video Broadcasting - Handheld, è lo standard del consorzio europeo DVB per una modalità di radiodiffusione terrestre studiata per trasmettere programmi TV, radio e contenuti multimediali ai dispositivi handheld, come i più comuni smartphone, i palmari e i telefoni cellulari evoluti. Questo standard è ufficialmente supportato dall'Unione Europea. Si tratta di uno standard derivato dal DVB-T e funziona combinando gli standard del video digitale con l'Internet Protocol in modo da suddividere i contenuti in pacchetti di dati da trasferire sul cellulare e leggibili da parte dell'utente. In questo modo il peso dei dati si riduce ed è possibile trasferirli conservando un'alta qualità video. L'uso del protocollo IP, inoltre, rende possibile la trasmissione simultanea sullo stesso canale di pacchetti video (stream DVB) e pacchetti dati sfruttabili da applicazioni presenti sul terminale ricevente (IP Datacast). Queste applicazioni includono feed di news, informazioni finanziarie, contenuto multimediale, trasferimento file, nonché accesso ad Internet ad alta velocità, utilizzando per l'interattività con il servizio il canale di ritorno costituito dalla rete cellulare mobile. Grazie allo standard DVB-H è possibile guardare la televisione sul cellulare in maniera interattiva e dunque rendere concreto il concetto di portabilità. Market Deployment DVB-H mobile TV services are on air in Italy, Finland, Switzerland, Austria, the Netherlands, Vietnam, Malaysia, India, the Philippines, Albania, Nigeria, Kenya and Namibia. More than fifty DVB-H technical and commercial trials have taken place all over the world and further commercial launches are expected in France, Russia, Indonesia, Taiwan and elsewhere. As analogue switch-off proceeds across Europe, the spectrum released in the UHF bands will enable the widespread deployment of DVB-H networks.DVBsmartphonepalmaritelefoni cellulariUnione EuropeaDVB-TInternet Protocoltelevisione La situazione italiana, all'avanguardia a livello internazionale, permette di ricevere dai videotelefoni da aree dove è residente circa l'80% della popolazione. Schema a blocchi di un sistema di trasmissione DVB-H.

117 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-H 63/69 Descrizione tecnica del sistema di trasmissione Il sistema è equivalente a quello del DVB-T. A differenza di quest'ultimo, pensato per condizioni di propagazione analoghe a quelle della TV analogica e ricevitore statico, lo standard DVB-H aggiunge un layer al di sopra del livello di trasporto (assimilabile ad un MAC layer del protocollo Ethernet) per meglio adattarsi alle particolari condizioni d'uso di un ricevitore portatile. Esistono infatti profonde analogie tra il modello di propagazione DVB-H e quello delle reti cellulari che rendono necessaria l'introduzione di tecniche di correzione di errore per compensare l'effetto degli echi multipli e dell'effetto Doppler tipici della ricezione ad altezza d'uomo e in movimento. Inoltre esiste la necessità di minimizzare il consumo dovuto alle sezioni radio del ricevitore allo scopo di prolungare al massimo la durata della batteria. Per migliorare quindi le prestazioni e diminuire i consumi di potenza, a livello di MPEG-2 Transport Stream, si utilizzano le tecniche di time slicing e di Forward Error Correction for Multiprotocol Encapsulated Data (MPE-FEC)DVB-TEtherneteffetto DopplerMPEG-2 Transport StreamForward Error Correction MPE-FEC: la modalità dati dei sistemi DVB viene utilizzata per veicolare datagrammi IP al ricevitore. Questi possono trasportare video e audio con la modalità di compressione preferita (ad es. MPEG-4 o H.264). Inoltre, per fornire maggiore protezione in caso di trasmissione difficoltosa, si raggruppano i datagrammi in trame di lunghezza variabile (che possono arrivare a due megabit), ed a queste si applica un codice a blocchi RS(255,191) per la correzione di eventuali errori. Inoltre, un controllo di parità aggiuntivo CRC-32 permette di capire se i dati ricevuti sono affetti o meno da errori residui.datagrammi IPMPEG-4H.264CRC Time slicing: poiché le bit rate necessarie per trasmettere segnali audio/video sullo schermo di un terminale portatile sono molto minori rispetto a quelle trasportate dal segnale DVB-T nella sua interezza, i dati di ogni programma vengono trasmessi in gruppi ben isolati (burst). In questo modo, il terminale in ricezione si attiverà solo in corrispondenza della presenza dei burst, portando ad un notevole risparmio nei consumi d'energia: valori tipici possono andare dall'80% al 90%. A livello trasmissivo, il DVB-H è stato studiato per lavorare nelle seguenti bande: VHF-III ( MHz, usato anche da DVB-T e DAB)VHF-III UHF-IV/V ( MHz, usato anche da DVB-T)UHF-IV/V Banda L ( GHz, in uso anche da DAB)Banda L

118 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-H 64/69 Descrizione tecnica del sistema di ricezione In ricezione, il terminale contiene tutti i circuiti necessari ad effettuare la demodulazione e la decodifica del segnale DVB- H. Il demodulatore DVB-H è in pratica un demodulatore DVB-T con la possibilità addizionale di demodulare segnali trasmessi in modo 4K (dimensione della FFT pari a 4096): infatti lo standard DVB-T prevede che i segnali vengano elaborati con una FFT di dimensione pari a 2048 (modo 2K) o 8192 (modo 8K). In più, il time-slicing prevede un controllo sull'attivazione completa del ricevitore. ETSI EN V1.1.1 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB); Transmission System for Handheld Terminals (DVB-H), scaricabile dal sito ETSI.ETSI ETSI TR V1.1.1 ( ), Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-H Implementation Guidelines, scaricabile dal sito ETSI.ETSI Digitag DVB-H Handbook, scaricabile dal sito DigitagDigitag Schema a blocchi del ricevitore nel sistema DVB-H.

119 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-SH 65/69 DVB-SH is the name of a transmission system standard designed to deliver video, audio and data services to vehicles and handheld devices. The key feature of DVB-SH is that its a hybrid satellite/terrestrial system that allows the use of a satellite to achieve coverage of large regions or even a whole country. In areas where direct reception of the satellite signal is not possible, a terrestrial gap filler can be used seamlessly to provide coverage. It is designed to use frequencies below 3GHz, typically around 2.2GHz. The system and waveform specifications have been published as ETSI standards (TS , TS and EN ). Schema logico di funzionamento dello standard DVB-SH.

120 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-SH 66/69 Descrizione tecnica del sistema di trasmissione Mobile TV is expected by many to become one of the next big mass media markets. There has been significant activity in this regard since the publication in November 2004 of the DVB-H standard, now the basis of a growing number of mobile TV services around the world. DVB-H is primarily targeted for use in the UHF bands, currently occupied in most countries by analogue and digital terrestrial television services. DVB-SH was designed to exploit opportunities in the higher frequency S-band, where there is less congestion than in UHF. DVB began work on the DVB-SH specifications in OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is the natural choice for terrestrial modulation and is the basis of both the DVB-H and DVB-T systems. DVB-SH introduces a second scheme, a Time Division Multiplex (TDM), leading to two reference architectures termed SH-A and SH-B: SH-A uses OFDM both on the satellite and the terrestrial link SH-B uses TDM on the satellite link and OFDM for the terrestrial link The S-Band is very demanding in terms of signal coverage. Its short wavelength (approx. 13 cm) requires a quite dense terrestrial repeater network in towns and cities. Naturally the cost of this network can be reduced if the signal-to-noiseratio (SNR) required for stable reception is low. When operating in S-band, the burden placed on DVB-SH by the high frequency is compensated for by a selection of tools that enhance the signal robustness. For example a state-of-the-art forward error correction (FEC) scheme, 3GPP2 Turbocode, is used. In addition, DVB-SH uses a highly flexible channel interleaver that offers time diversity from about one hundred milliseconds to several seconds depending on the targeted service level and corresponding capabilities (essentially memory size) of terminal class. DVB-SH does not define transport protocols, an Electronic Service Guide (ESG) etc. As in all other DVB transmission systems such higher layer issues are defined elsewhere. The DVB-IPDC specifications were originally defined with the DVB-H transmission system in mind and work is now continuing to ensure that they can also act as the higher layer of DVB-SH. The combination of a satellite footprint and a terrestrial complement delivers nationwide coverage to terminals which implement the TDM and OFDM modes of SH, a combination of SH and DVB-H, or simply the OFDM mode of DVB-SH operating in SFN. Key to deployment will be DVB-SHs interface with the existing DVB-IPDC layer and the services based on it.

121 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-IPDC 67/69 General Description and Background The set of DVB specifications for IP Datacasting can most simply be described as the essential components required to deploy a commercial mobile TV service based on Internet Protocol. DVB-IPDC is a set of systems layer specifications originally designed for use with the DVB-H physical layer, but that can ultimately be used as a higher layer for all DVB mobile TV systems, including DVB-SH, and indeed as a higher layer for any other IP capable system. In short, with regard to mobile TV, these specifications define what is delivered, how it is delivered, how it is described, and how it is protected. They cover system architecture, use cases, DVB PSI/SI signalling, electronic service guide (ESG), content delivery protocols (CDP), and service purchase and protection (SPP). The DVB-IPDC specifications have all been published as formal ETSI standards. Many commercial mobile TV networks are likely to be hybrid networks combining a uni-directional broadcast network, typically involving a wide transmission area and high data throughput, with a bi- directional mobile telecommunications network, involving much smaller transmission areas (cells). Its clear that a technology such as DVB-H is ideal for delivering broadcast digital TV to large numbers of receivers in an efficient and cost-effective way. However a viable mobile TV business also needs to make use of the excellent symmetrical bi-directional communication possibilities and the complex billing systems offered by mobile telecoms networks. DVB-IPDC is the glue that binds these two networks together so that they can co-operate effectively in offering a seamless service to the consumer. The DVB-IPDC specifications were developed within the DVB Projects Technical Module by the TM- CBMS group – standing for the Convergence of Broadcast and Mobile Systems.

122 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-IPDC 68/69 Transmission System DVB-IPDC consists of a number of individual specifications that, taken together, form the overall system. The way the different elements fit together is defined in a reference Architecture of the IPDC system whilst a further specification sets out the various Use Cases that are allowed for within the system. In essence these use cases represent the range of difference business models that are possible and the requirements for each part of the chain to enable these business models. Figure 1 below illustrates where the various elements of DVB- IPDC fit into the protocol stack for a DVB-H mobile TV and datacast service. The key elements of DVB-IPDC are explained overleaf.

123 Telecomunicazioni Multimediali – DVB-IPDC 69/69 ESG (Electronic Service Guide) TS : defines the format, structure and transport of the ESG, which allows users to select the services they are interested in and to find stored content on the receiver. CDP (Content Delivery Protocols) TS : defines a set of protocols for streaming and file delivery services, which could be used, for example, to stream audio and video content, or to send offline content for storage on the device or to deliver software updates. SPP (Service Purchase and Protection) TS : sets out the encryption mechanisms that can be used to protect content and the signalling that the receiver will use to identify whether and how services are protected, enabling a range of different subscription models. Two SPP profiles are specified in the document, one titled Open Security Framework, the other referred to as 18Crypt. PSI/SI (Programme Specific Information/Service Information) TS : ensures that the signalling used on IPDC DVB-H networks is coherent and interoperable to provide good support for mobility and roaming. It sets out the tables of PSI and DVB-SI data that an IPDC DVB-H receiver can expect to be available in a received DVB-H signal. Market Deployment DVB-H services are now on air in nine countries around the world with further service launches expected in Most of these services implement elements of the DVB-IPDC system, including the Service Purchase and Protection and Electronic Service Guide specifications. Valuable work on creating profiles for DVB-IPDC has been done by the bmcoForum. This, along with sets of implementation guidelines developed within the DVB Project, will greatly aid deployment going forward. Links - – mobile TV website of the DVB Project; information about service launches and technical documentation - – all DVB standards are available for download directly from the ETSI website - – the main website of the DVB Project - – an international organisation committed to fostering an open market for mobile TV - – the organisation developing the OMA BCAST specifications

124 Telecomunicazioni Multimediali – Suono 1/6 L'acustica (dal greco κούειν, "udire") è quella branca della fisica che studia il suono, le sue cause - le onde di pressione -, la sua propagazione e la sua ricezione. In un'accezione più generale, l'acustica comprende anche lo studio degli infrasuoni e degli ultrasuoni, che non sono percepibili dall'uomo attraverso l'udito, ma si comportano - da un punto di vista fisico - nello stesso modo. Più in generale, si intende talvolta con acustica lo studio delle vibrazioni meccaniche nei mezzi materiali. I primi studi sul suono furono eseguiti da Pitagora nel VI secolo a.C., ma l'ipotesi che il suono fosse una conseguenza di onde di pressione è stata sostenuta da Crisippo. Le conoscenze degli antichi greci erano comunque alquanto raffinate, come dimostra il famoso teatro di Epidauro. L'acustica come scienza si sviluppa a partire dal Tra i principali protagonisti si ricorda Mersenne, che compì la prima misura della velocità del suono. Attraverso lo sviluppo della matematica si riesce ad esprimere in forma moderna l'equazione generale che regola la propagazione delle onde sonore in un fluido: Le onde acustiche sono onde meccaniche di pressione, cioè vibrazione compiute da atomi e/o molecole costituenti il mezzo materiale attraverso cui le onde si propagano. Queste onde esistono in tutti gli stati della materia (solido, liquido e gassoso) e la loro velocità di propagazione dipende dalle caratteristiche fisiche del mezzo stesso. Le onde meccaniche possono essere di due tipi diversi: trasversali e longitudinali, a seconda che il piano di oscillazione degli atomi sia perpendicolare o parallelo alla direzione di propagazione. Si noti che le onde trasversali non sono possibili nei gas ideali, cioè in tutti quei sistemi fisici che offrono resistenza nulla agli sforzi di taglio. I terremoti rappresentano un tipo di oscillazione meccanica ed esiste nelle due varianti: onde trasversali (ondulatorio) e longitudinali (sussultorio). Il suono è un tipo particolare di oscillazione meccanica che è associato solo alle onde di pressione longitudinali.

125 Telecomunicazioni Multimediali – Suono 2/6 Sostanza Velocità (m/s) Aria 344 CO2 259 Alcol etilico 1207 H Cu 3750 Fe 5120 Vetro 5170

126 Telecomunicazioni Multimediali – Suono 3/6 Produzione e propagazione di un onda sonora (onda longitudinale: l oscillazione è nella stessa direzione della direzione di propagazione). Le due figure mostrano l onda a due differenti istanti di tempo.

127 Telecomunicazioni Multimediali – Suono 4/6 Tutti i sistemi multimediali che includono una componente audio vengono progettati tenendo conto delle caratteristiche uditive dellorecchio umano. In particolare si considera la banda audio percepita dallorecchio e le potenze medie richieste. La seguente figura mostra landamento delle curve di uguale intensità sonora percepita in funzione della frequenza della sorgente audio considerata (Cannarsa, Comunicazioni Elettriche). Come si vede lorecchio umano mostra la sensibilità più elevata a frequenze acustiche comprese tra 1000 Hz e Hz. Tuttavia, lintervallo nel quale lorecchio capta rumori e suoni è più esteso e può essere approssimativamente indicato come: da 20 Hz fino a 20 kHz.

128 Telecomunicazioni Multimediali – Suono 5/6 La seguente figura mostra il grafico del filtro psofometrico, cioè di quel filtro particolare atto a simulare la sensibilità spettrale dellorecchio umano. Le onde meccaniche di pressione longitudinali si dicono suono quando la loro frequenza è compresa allincirca tra 20 Hz e 20 kHz. Le onde aventi frequenza inferiore ai 20 Hz sono dette infrasuoni, mentre quelle di frequenza maggiore di 20 kHz sono dette ultrasuoni.

129 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 1/10 MP3 (per esteso Motion Picture Expert Group-1/2 Audio Layer 3) è un algoritmo di compressione audio di tipo lossy in grado di ridurre drasticamente la quantità di dati richiesti per memorizzare un suono, rimanendo comunque una riproduzione accettabilmente fedele del file originale non compresso. La codifica MPEG-1/2 Layer 2 iniziò come progetto presso la DAB e promosso dalla Fraunhofer IIS-A. Venne finanziato dall'Unione europea come parte di un programma di ricerca più vasto chiamato EUREKA comunemente conosciuto con il codice EU-147. EU-147 fu attivo dal 1987 al Nel 1991 vennero fatte due proposte per uno standard disponibile: Musicam (conosciuto come Layer II) e ASPEC (Adaptative Spectral Perceptual Entropy Coding) (con analogie con l'MP3). Venne scelto Musicam perché più semplice ed affidabile. Un gruppo di lavoro condotto da Karlheinz Brandenburg e Jürgen Herre fece confluire gli studi su Musicam e ASPEC con alcune loro idee e creò l'MP3, che fu progettato per realizzare la stessa qualità a 128 kbit/s dell'MP2 a 192 kbit/s. Entrambi gli algoritmi furono completati nel 1992 con la sigla MPEG-1, come prima fase di sviluppo del progetto denominato MPEG e definito come standard internazionale con il codice ISO/IEC e pubblicato nel Un'ulteriore fase del progetto MPEG Audio si concluse nel 1994 con la creazione dell'MPEG-2 definito come standard internazionale con il codice ISO/IEC e pubblicato nel L'algoritmo che utilizza il formato MP3, si basa su una trasformazione ibrida che trasforma il segnale dal dominio temporale a quello delle frequenze. * 32 band filtro in quadratura polifase * 36 or 12 Tap MDCT, la dimensione può essere selezionata indipendentemente dalla sottobanda e * processamento addizionale per ridurre gli effetti di aliasing L'AAC MPEG-4, è il formato erede dell'MP3 sempre secondo le specifiche MPEG. Tra i successori del formato MP3 è degno di nota l'Ogg Vorbis per la qualità di codifica e per il fatto di essere un progetto Free Software. Quasi tutti gli altri formati sono legati a delle aziende proprietarie di diverse brevetti e licenze legate alle specifiche MPEG. La diffusione del formato MP3 e di software gratuiti (come Winamp) apportarono una piccola rivoluzione nel mondo della musica, la diffusione delle playlist. In precedenza le canzoni di successo erano attentamente intercalate ai motivi meno riusciti nei CD e nelle audiocassette che si potevano ascoltare solamente nell'ordine studiato dal produttore. Con l'avvento dei supporti digitali questo non accade più ed è possibile una maggiore personalizzazione.

130 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 2/10 Qualità Audio When performing lossy audio encoding, such as creating an MP3 file, there is a trade-off between the amount of space used and the sound quality of the result. Typically, the creator is allowed to set a bit rate, which specifies how many kilobits the file may use per second of audio. Using a lower bit rate provides a relatively lower audio quality and produces a smaller file size. Likewise, using a higher bit rate outputs a higher quality audio, but also results in a larger file. Files encoded with a lower bit rate will generally play back at a lower quality. With too low a bit rate, "compression artifacts" (i.e., sounds that were not present in the original recording) may be audible in the reproduction. Some audio is hard to compress because of its randomness and sharp attacks. When this type of audio is compressed, artifacts such as ringing or pre-echo are usually heard. Besides the bit rate of an encoded piece of audio, the quality of MP3 files also depends on the quality of the encoder itself, and the difficulty of the signal being encoded. As the MP3 standard allows quite a bit of freedom with encoding algorithms, different encoders may feature quite different quality, even with identical bit rates. As an example, in a public listening test featuring two different MP3 encoders at about 128 kbit/s, one scored 3.66 on a 1–5 scale, while the other scored only Quality is dependent on the choice of encoder and encoding parameters. However, in 1998, MP3 at 128 kbit/s was only providing quality equivalent to HE-AAC at 64 kbit/s and MP2 at 192 kbit/s. The simplest type of MP3 file uses one bit rate for the entire file this is known as Constant Bit Rate (CBR) encoding. Using a constant bit rate makes encoding simpler and faster. However, it is also possible to create files where the bit rate changes throughout the file. These are known as Variable Bit Rate (VBR) files. The idea behind this is that, in any piece of audio, some parts will be much easier to compress, such as silence or music containing only a few instruments, while others will be more difficult to compress. So, the overall quality of the file may be increased by using a lower bit rate for the less complex passages and a higher one for the more complex parts. With some encoders, it is possible to specify a given quality, and the encoder will vary the bit rate accordingly. Users who know a particular "quality setting" that is transparent to their ears can use this value when encoding all of their music, and not need to worry about performing personal listening tests on each piece of music to determine the correct bit rate. In a listening test, MP3 encoders at low bit rates performed significantly worse than those using more modern compression methods (such as AAC). In a 2004 public listening test at 32 kbit/s, the LAME MP3 encoder scored only 1.79/5 behind all modern encoders with Nero Digital HE AAC scoring 3.30/5. Perceived quality can be influenced by listening environment (ambient noise), listener attention, and listener training and in most cases by listener audio equipment (such as sound cards, speakers and headphones).

131 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 3/10 Bit Rate Several bit rates are specified in the MPEG-1 Layer 3 standard: 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 192, 224, 256 and 320 kbit/s, and the available sampling frequencies are 32, 44.1 and 48 kHz. A sample rate of 44.1 kHz is almost always used, because this is also used for CD audio, the main source used for creating MP3 files. A greater variety of bit rates are used on the Internet. 128 kbit/s is the most common, because it typically offers adequate audio quality in a relatively small space. 192 kbit/s is often used by those who notice artifacts at lower bit rates. As the Internet bandwidth availability and hard drive sizes have increased, 128 kbit/s bit rate files are slowly being replaced with higher bit rates like 192 and 256 kbit/s, with some being encoded up to MP3's maximum of 320 kbit/s. It is unlikely that higher bit rates will be popular with any lossy audio codec because file sizes at higher bit rates approach those of lossless codecs such as FLAC. By contrast, uncompressed audio as stored on a compact disc has a bit rate of kbit/s (16 bit/sample × samples/second × 2 channels / 1000 bits/kilobit). Some additional bit rates and sample rates were made available in the MPEG-2 standard: bit rates of 8, 16, 24, and 144 kbit/s and sample rates of 16, and 24 kHz. The proprietary (unofficial) MPEG-2.5 added sample rates of 8, and 12 kHz Non-standard bit rates up to 640 kbit/s can be achieved with the LAME encoder and the freeformat option, although few MP3 players can play those files. According to the ISO standard, decoders are only required to be able to decode streams up to 320 kbit/s.

132 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 4/10 Encoding Audio The MPEG-1 standard does not include a precise specification for an MP3 encoder, but does provide example psychoacoustic models, rate loop, and the like in the non-normative part of the original standard. At the present, these suggested implementations are quite dated. Implementers of the standard were supposed to devise their own algorithms suitable for removing parts of the information in the raw audio (or rather its MDCT representation in the frequency domain). During encoding, 576 time-domain samples are taken and are transformed to 576 frequency-domain samples. If there is a transient, 192 samples are taken instead of 576. This is done to limit the temporal spread of quantization noise accompanying the transient. (See psychoacoustics.) As a result, there are many different MP3 encoders available, each producing files of differing quality. Comparisons are widely available, so it is easy for a prospective user of an encoder to research the best choice. It must be kept in mind that an encoder that is proficient at encoding at higher bit rates (such as LAME) is not necessarily as good at lower bit rates. Transients In acoustics and audio, a transient is a short-duration signal that represents a non-harmonic attack phase of a musical sound or spoken word. It contains a high degree of non-periodic components and a higher magnitude of high frequencies than the harmonic content of that sound. Transients do not directly depend on the frequency of the tone they initiate. Transients are difficult to encode with many audio compression algorithms, causing pre-echo. MDCT The modified discrete cosine transform (MDCT) is a Fourier-related transform based on the type-IV discrete cosine transform (DCT-IV), with the additional property of being lapped: it is designed to be performed on consecutive blocks of a larger dataset, where subsequent blocks are overlapped so that the last half of one block coincides with the first half of the next block. This overlapping, in addition to the energy-compaction qualities of the DCT, makes the MDCT especially attractive for signal compression applications, since it helps to avoid artifacts stemming from the block boundaries. Thus, an MDCT is employed in MP3, AC-3, Vorbis, and AAC for audio compression, for example. The MDCT was proposed by Princen, Johnson, and Bradley in 1987, following earlier (1986) work by Princen and Bradley to develop the MDCT's underlying principle of time-domain aliasing cancellation (TDAC), described below. (There also exists an analogous transform, the MDST, based on the discrete sine transform, as well as other, rarely used, forms of the MDCT based on different types of DCT or DCT/DST combinations.)

133 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 5/10 MDCT cont.d In MP3, the MDCT is not applied to the audio signal directly, but rather to the output of a 32-band polyphase quadrature filter (PQF) bank. The output of this MDCT is postprocessed by an alias reduction formula to reduce the typical aliasing of the PQF filter bank. Such a combination of a filter bank with an MDCT is called a hybrid filter bank or a subband MDCT. AAC, on the other hand, normally uses a pure MDCT; only the (rarely used) MPEG-4 AAC-SSR variant (by Sony) uses a four-band PQF bank followed by an MDCT. ATRAC uses stacked quadrature mirror filters (QMF) followed by an MDCT. As a lapped transform, the MDCT is a bit unusual compared to other Fourier-related transforms in that it has half as many outputs as inputs (instead of the same number). In particular, it is a linear function by which the 2N real numbers x 0,..., x 2N- 1 are transformed into the N real numbers X 0,..., X N-1 according to the formula:linearfunction The inverse MDCT is known as the IMDCT. Because there are different numbers of inputs and outputs, at first glance it might seem that the MDCT should not be invertible. However, perfect invertibility is achieved by adding the overlapped IMDCTs of subsequent overlapping blocks, causing the errors to cancel and the original data to be retrieved; this technique is known as time-domain aliasing cancellation (TDAC). Although the direct application of the MDCT formula would require O(N2) operations, it is possible to compute the same thing with only O(N log N) complexity by recursively factorizing the computation, as in the fast Fourier transform (FFT). One can also compute MDCTs via other transforms, typically a DFT (FFT) or a DCT, combined with O(N) pre- and post- processing steps. Also, as described below, any algorithm for the DCT-IV immediately provides a method to compute the MDCT and IMDCT of even size.

134 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 6/10 An MP3 file is made up of multiple MP3 frames, which consist of a header and a data block. This sequence of frames is called an elementary stream. Frames are not independent items ("byte reservoir") and therefore cannot be extracted on arbitrary frame boundaries. The MP3 Data blocks contain the (compressed) audio information in terms of frequencies and amplitudes.

135 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 7/10 The diagram shows that the MP3 Header consists of a sync word, which is used to identify the beginning of a valid frame. This is followed by a bit indicating that this is the MPEG standard and two bits that indicate that layer 3 is used; hence MPEG-1 Audio Layer 3 or MP3. After this, the values will differ, depending on the MP3 file. ISO/IEC defines the range of values for each section of the header along with the specification of the header. Most MP3 files today contain ID3 metadata, which precedes or follows the MP3 frames; as noted in the diagram. Viene definita ID3 tag un'informazione aggiuntiva inserita in un file mp3. ID3 è l'abbreviazione di Identify an MP3, mentre Tag è una parola inglese che significa Etichetta. Da sempre c'è stata la necessità di sapere titolo o nome dell'artista del brano che si stava ascoltando. In origine questi venivano inseriti nel nome del file, allungandolo notevolmente e creando disordine. Inoltre non potevano venire utilizzati tutti i simboli. Vennero dunque definiti gli ID3 tag che tramite una serie di metadati danno informazioni su titolo, artista, album, genere etc. ID3 v1.1 Data la rigidità dello standard ID3v1 il suo successivo ampliamento non fu facile. Nonostante ciò Michael Mutschler riuscì ad ampliarlo al formato ID3v1.1. Per farlo accorciò lo spazio per il commento da 30 a 28 Byte e utilizzò uno dei Byte così liberatosi per inserire il numero della canzone. ID3 v1.2 I numerosi difetti di ID3v1 (lunghezza limitata, pochi campi per i metadati, impossibilità di streaming) indussero Martin Nilsson a sviluppare un nuovo formato, i ID3v2 Tag. Essi sono fatti in modo tale che i player incapaci di interpretare i tag li saltino invece di cercare di leggerli come informazioni audio. L'attuale versione (ID3v2.4) è provvista di numerosissimi campi, ma non esistono player in grado di interpretarli tutti.

136 Telecomunicazioni Multimediali – MP3 8/10 Vi sono diversi difetti nel formato dei file MP3, che non possono essere individuati neanche dal migliore dei codificatori e sono insiti nelle caratteristiche stesse del formato (In parentesi il formato file dove questo difetto viene corretto). * Un tempo di risoluzione troppo basso per un segnale transiente molto alto (AAC, Ogg Vorbis) * ritardo complessivo di codifica/decodifica non definito (Ogg Vorbis) * nessun fattore di banda per frequenze sotto i 15.5/15.8 kHz (AAC, Ogg Vorbis) * Il collegamento stereo è fatto sulla base di un frame, o "fotogramma" (AAC, Ogg Vorbis) * Il bitrate è limitato a 320 kbit/s (AAC, Ogg Vorbis) Vi sono molti altri codec audio alternativi all'MP3: * Ogg Vorbis dalla Xiph.Org Foundation, libero da brevetti; * mp3PRO dalla Thomson Multimedia; * MPEG-1/2 Audio Layer 2 (MP2), predecessore dell'MP3; * MP+, una derivato dell'MP2; * MPEG-4 AAC, utilizzato da LiquidAudio e Apple Inc. nell'iTunes Store; * ATRAC, usato dai Minidisc della Sony; * AC-3, usato dalla Dolby Digital per i DVD; * QDesign, usato da QuickTime per alti bitrate; * Windows Media Audio (WMA) da Microsoft; * RealAudio da RealNetworks. mp3PRO, MP3, AAC, e MP2 sono tutti membri della stessa famiglia tecnologica e si basano su modelli psicoacustici simili.

137 Telecomunicazioni Multimediali


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