Single Frequency Networks (SFN) im digitalen terrestrischen Rundfunk

Einleitung
Der Übertragungskanal (Pfad) für die terrestrische Fernsehübertragung wird allgemein und zu Recht als der Kanal mit der schlechtesten Qualität angesehen. Der terrestrische Übertragungskanal ist vielen Einflüssen ausgesetzt - additivem Rauschen und anderen Störsignalen (insbesondere in den städtischen und industriellen Ballungsräumen), Signalechos - dem sogenannten Mehrwegempfang. Es gibt hauptsächlich die vielen Echos, die die Qualität der empfangenen Signale am meisten beeinflussen. Dieser Effekt führt zu einem orts- und frequenzselektiven Fading. 

Nach einer Reflexion von natürlichen und anderen Objekten gelangen ein oder mehrere unterschiedlich verzögerte Signale (Echos) zur Empfangsantenne. Diese zeitverzögerten Signale verursachen eine starke Verschlechterung eines empfangenen Fernsehsignals und eines entsprechenden Bildes, insbesondere im analogen Fernsehen, wo zusätzliche Bilder in Abtastrichtung verschoben erscheinen - sogenannte "Geisterbilder". Im digitalen terrestrischen Fernsehen wurden die Auswirkungen des Mehrwegempfangs durch die Wahl ausgefeilter Modulationsverfahren weitgehend unterdrückt. Einer von vielen Vorteilen der aufkommenden terrestrischen digitalen Videoübertragungsstandards DVB-T (Digital Video Broadcasting - terrestrisch definiert in ETS 300744), DVB-H (Handheld), aber auch nächster Dienste - zB Digital Audio Broadcasting DAB (Digital Audio Broadcasting) oder DRM (Digital Radio Mondial) ist neben der Unterstützung des mobilen Empfangs die Unterdrückung von Mehrweg-Empfangsstörungen. In allen genannten Standards wird das digitale Modulationsverfahren (C) OFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) verwendet. Das erste Symbol C in der Abkürzung bedeutet, dass der Datenstrom durch die fehlerkorrigierende Codierung FEC (Forward Error Correction) geschützt ist, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren, die während der Übertragung auftreten.

 Zum Symbolschutz wird ein Block-Reed-Solomon-Code verwendet, und zum Bitschutz wird ein Faltungscode mit unterschiedlichen Coderaten verwendet. Modulations-OFDM (C) zeichnet sich durch eine hohe Robustheit gegenüber Inter-Symbol-Interferenz (ISI) aus, die das empfangene Signal bedrohen und deren Fehlerraten aufgrund des Mehrwegempfangs erhöhen würde. Digitaler Rundfunk in den oben genannten Standards kann in einem sogenannten Einzelfrequenznetz SFN (Single Frequency Network) durchgeführt werden. Der Empfang verzögerter Signale von mehreren Sendern, die im Einfrequenznetz arbeiten, kann sogar zur Verbesserung der Leistungseffizienz von Sendern verwendet werden.


Hinweis:
Die Anwendung der (C) OFDM-Modulation ist ein wirksames, am häufigsten verwendetes, aber nur mögliches Werkzeug, um die Auswirkungen des Mehrwegempfangs zu beseitigen. Ein anderer Ansatz ist beispielsweise der Multisensorempfang mit dem winkelorientierten System der Empfangsantennen und die daraus resultierende komplexe Signalverarbeitung, einschließlich Filterung, Abtastung, Basisbandumwandlung, gefolgt von Ortung und Trennung verschiedener Signalquellen (sogenannte Array-Verarbeitung). Eine detailliertere Übersicht würde den Rahmen dieses Dokuments sprengen und ist beispielsweise in [4] zu finden.


Prinzip der SFN
Die Signalabdeckung eines bestimmten Bereichs kann durch eine Anzahl von Sendern bereitgestellt werden, die das Multiplexen von digitalen Fernseh- oder Radiosignalen in dem identischen Frequenzkanal senden. Ihre Teilsignalbeiträge im Empfangspunkt stören nicht nur nicht, unter Umständen verbessern sie dann sogar den Empfang. Es ist daher offensichtlich, dass Einzelfrequenznetze von digitalen Sendern die Nutzung von Frequenzbändern und Kanälen sowie die Energiebilanz von digitalen Sendern erheblich verbessern können. Digitale Sender in SFN weisen möglicherweise eine erheblich geringere Leistung für die Signalabdeckung des gegebenen Bereichs auf, die für einen qualitativ hochwertigen Empfang ausreicht. SFN-Methoden können nicht mit dem terrestrischen analogen / Fernseh-Rundfunk verwendet werden, bei dem in der Tat alle heutigen Fernsehnormen Amplituden-Restseitenbandmodulation verwenden und in arbeiten
Mehrfrequenznetze MFN (Multi Frequency Network).


Einfrequenznetze können nur in einem begrenzten Gebiet und nicht in einem ganzen Land aufgebaut werden - auch wenn sie so klein sind wie die Tschechische Republik. Wodurch wird die SFN-Größe tatsächlich beeinflusst? Nehmen wir an, dass im analysierten SFN-Bereich:
• eine Reihe von Sendern DVB-T betreiben,
• Alle Sender arbeiten mit der gleichen Frequenz.
• diese Sender arbeiten mit dem gleichen und zeitgenauen digitalen Datenmultiplex,
• Der Pegel der empfangenen Signale im gesamten SFN-Bereich erreicht mindestens den Grenzwert (den Pegel, den der DVB-T-Empfänger erreichen muss) demodulieren und dekodieren Sie das Signal richtig). 



Zeitsynchronisation von Sendern in SFN
In einem Einfrequenznetz müssen alle einzelnen Sender exakt zeitsynchronisiert sein. Jeder Sender muss gleichzeitig ein absolut identisches OFDM-Symbol senden. Die DVB-T-Modulation ist in Frames strukturiert, wobei ein Frame aus 68 OFDM-Symbolen besteht. Vier Frames bilden einen sogenannten Super-Frame und zwei Super-Frames bilden einen sogenannten Mega-Frame (im Modus 2k vier Super-Frames). Im Hinblick auf verschiedene Zeitdauer des Symbols OFDM, die von den Parametern der verwendeten Modulation und Codierung (Modus, dh Anzahl der Träger, Coderate, Schutzintervall usw.) abhängt. Die Zeitdauer eines einzelnen Rahmens kann ebenfalls unterschiedlich sein. 

Die zeitliche Synchronisation aller übertragenen Pakete im Transportstrom des endgültigen Datenmultiplex wird durch das vom GPS-System erfasste Zeitsignal 1 pps (Puls pro Sekunde) sichergestellt. Dieses Signal steuert das zeitsynchrone Einfügen des Spezialpakets MIP (Megaframe Initialization Packet) in den Transportstrom zu Beginn jedes Megarahmens. Der zum Beispiel im Playout-Center (TV-Studio) erzeugte Transportstrom MPEG2 kann von den Diversen zu den einzelnen Sendern befördert werden Verteilungsnetze (über Satellit, Mikrowellenleitung, Glasfaser, ATM-Netze) mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen. Daher wird die Zeitsynchronisation durch das GPS-Signal in jedem der Sender erneut durchgeführt. Ein Ergebnis dieser Operation ist der Zustand, in dem jeder DVB-T-Sender genau zur gleichen Zeit identische OFDM-Symbole sendet. 


SFN-Gewinn
Leistungsbeiträge der einzelnen im Einfrequenznetz arbeitenden Sender addieren sich. Daher zeigt das Einfrequenznetz eine sogenannte SFN-Verstärkung. Diese Verstärkung lässt sich einfach wie folgt formulieren - zwei DVBT-Sender mit der Sendeleistung Pv sorgen bei gleichen Bedingungen (gleiche Richtwirkung und Antennenverstärkung) für eine bessere Signalabdeckung (größere Werte der Feldstärke) in der Empfängerposition als ein einzelner Sender mit die doppelte Sendeleistung 2Pv. Die quantitative Angabe des SFN-Gewinns, der von der Empfängerposition und vielen anderen Faktoren abhängt, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. 

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