Cos’è DVB-S2X e perché è indispensabile per UHD e 8K

demo DVB-S2X Gli standard satellitari DVB di prima e seconda generazione, ovvero il DVB-S nato nel 1993 e il DVB-S2 del 2003, hanno definito i sistemi di modulazione e codifica necessari per traghettare la Tv satellitare dall’era analogica a quella digitale e, successivamente, a consentire lo sviluppo e l’affermazione dell’alta definizione. Con l’avvento dell’Ultra HD, dell’HEVC, di nuove tipologie di servizi e la forte espansione dell’offerta televisiva mondiale, l’organizzazione DVB ha deciso di ampliare il DVB-S2 con nuovi schemi di “espansione” che hanno dato vita a un upgrade chiamato DVB-S2X, dove la “X” sta per “eXpansion”. Le specifiche sono state pubblicate a inizio 2014 all’interno del documento DVB-S2X BlueBook ma solo da qualche settimana i broadcaster hanno iniziato a testare ufficialmente il nuovo standard sulla fascia di Clarke, in particolare sul satellite Astra 1L in orbita a 19,2° Est (11,553 GHz H – SES Promo in Ultra HD HEVC).

Rispetto all’attuale DVB-S2, ormai utilizzato da tutti i canali HD e da molti SD, DVB-S2X assicura una migliore efficienza spettrale e un maggiore adattamento al canale e alle condizioni di trasmissione grazie ai nuovi schemi MODCOD (Modulation & Coding) come il 64APSK e il 256APSK con basso rapporto di segnale/rumore (VLSNR fino a -10 dB), bassi fattori di roll-off e nuove costellazioni per canali di trasmissioni lineari e nonlineari.

Evoluzione ragionata e responsabile

Nei mesi precedenti la definizione delle nuove specifiche DVB-S2X, il board tecnico del DVB ha valutato sia un’evoluzione del DVB-S2 sia lo sviluppo di un nuovo standard satellitare totalmente sganciato dai vecchi schemi. La prima strada puntava sulla semplificazione e sull’introduzione commerciale dello standard e dei ricevitori in tempi brevi mentre la seconda sull’adozione di tecnologie avanzate capaci di migliorare le prestazioni delle trasmissioni satellitari come le innovative tecniche di modulazione e codifica, nuove forme d’onda come SC-OFDM (Single Carrier – Orthogonal Frequency Division Multiplexing), nuovi algoritmi di ricezione per demodulazione, decodifica ed equalizzazione congiunta e nuove tecniche di mitigazione dell’interferenza. Dopo una lunga riflessione, il gruppo di lavoro giunse alla conclusione che i tempi non erano ancora maturi per una rivoluzione degli standard satellitari. Tuttavia, alcune delle nuove tecnologie potevano essere applicate anche a un sistema evolutivo come quello che, pochi mesi dopo, divenne il DVB-S2X.

La specifica del DVB-S2 (EN 302 307) approvata dallo Steering Board del DVB a inizio 2014 è suddivisa in due parti: la prima, normativa, contiene la specifica del DVB-S2 originale mentre la seconda, opzionale, contiene la specifica del DVB-S2X. Questo significa che i futuri decoder DVB-S2X dovranno essere compatibili con le trasmissioni secondo lo standard DVB-S2, dal momento che la prima parte dello standard è normativa, mentre i ricevitori DVB-S2 non avranno vincoli di compatibilità con le nuove funzionalità introdotte dal DVB-S2X essendo la seconda parte opzionale.

DVB-S2X

Principali tappe evolutive del DVB-S nell’utilizzo televisivo DTH con lo standard di compressione associato e la capacità disponibile su un transponder satellitare da 36 MHz

DVB-S2X, stessa architettura, nuove configurazioni

Lo standard DVB-S2X conserva la stessa architettura generale del DVB-S2 nonché tutte le configurazioni, così da garantire la retrocompatibilità e rendere più semplice e veloce l’adozione da parte degli operatori.

Come per il DVB-S2, anche nel DVB-S2X la trasmissione dati è basata sulle costellazioni APSK (Amplitude Phase Shift Keying) ed è protetta dalla concatenazione di due codici correttori FEC (Forward Error Correction), il codice interno LDPC (Low Density Parity Check) e quello esterno BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem). Le nuove configurazioni MODCOD del DVB-S2X sono circa il doppio rispetto a quelle dell’S2 così da garantire una maggiore granularità nel piano efficienza spettrale/rapporto segnale-rumore. Per quanto riguarda la lunghezza di blocco del codice LDPC, oltre al blocco lungo (64.800 bit) e corto (16.200 bit), già presenti nel DVB-S2 vengono introdotte alcune configurazioni con blocco medio da 32.400 bit (code rate 1/5, 11/45 e 1/3).

Le costellazioni utilizzate vanno dalla BPSK alla 256APSK e, oltre alle costellazioni QPSK, 8PSK, 16APSK e 32APSK del DVB-S2, sono state aggiunte nuove configurazioni 8APSK, 16APSK e 32APSK che si aggiungono alle 64APSK, 128APSK e 256APSK per le applicazioni broadband e professionali, e la p/2-BPSK per i modi VL-SNR. Inoltre, DVB-S2X introduce configurazioni specifiche (indicate nello standard dal suffisso “-L” in cascata al loro nome), ottimizzate per il canale lineare, utilizzabili per esempio per trasmissioni in configurazioni multi portante MCPC come quelle degli attuali bouquet FTA e pay-Tv (più canali per transponder).

Il guadagno offerto da questi MODCOD rispetto ai corrispettivi per il canale nonlineare può arrivare anche fino a 1 dB per la stessa efficienza spettrale.

DVB-S2X

Schema a blocchi funzionale del sistema DVB-S2/S2X. I blocchi evidenziati in rosso rappresentano le estensioni più significative del nuovo standard (Fonte: CRIT)

Roll-off più piccoli, PLHEADER più lungo

L’adozione di valori di roll-off più piccoli (15%, 10% e 5%) permette di ridurre l’occupazione in frequenza del segnale, consentendo di ottimizzare la configurazione del sistema a seconda delle esigenze operative. DVB-S2X rende anche normativa la modalità VCM (Variable Coding and Modulation) per tutti gli scenari applicativi (nel DVB-S2 era opzionale): variando la configurazione del sistema, e quindi la protezione sul segnale, frame per frame, è possibile utilizzare il giusto compromesso fra robustezza del segnale ed efficienza spettrale, sulla base degli specifici requisiti dei servizi trasmessi.

Come per il DVB-S2, il frame di livello fisico (PLFRAME) viene preceduto da un Physical Layer Header (PLHEADER) che serve a trasportare i bit necessari alla sincronizzazione dei dispositivi riceventi con il segnale trasmesso. Il PLHEADER trasporta anche informazioni aggiuntive come la lunghezza del frame dati, la presenza di simboli pilota per facilitare la sincronizzazione del ricevitore e lo schema MODCOD adottato. Nel DVB-S2X è stato aggiunto un ottavo bit per la segnalazione dei nuovi MODCOD introducendo un salto di fase dopo la sequenza che segnala l’inizio di un nuovo frame (SOF – Start Of Frame). Sebbene il PLHEADER garantisca una ricezione affidabile del segnale per valori di SNR poco inferiori a -2,5 dB, questa soglia non è comunque sufficiente alla ricezione dei nuovi MODCOD VL-SNR in grado di operare a valori più bassi. Per ovviare al problema senza variare la struttura dei frame tradizionali e permettere l’inserzione dei frame VL-SNR all’interno di trame di segnale “regolari”, in associazione ai MODCOD VL-SNR è prevista la trasmissione, in coda al PLHEADER, di un header speciale (VL-SNR Header) capace di garantire la sincronizzazione su terminali mobili operanti in VL-SNR, oltre che l’identificazione del MODCOD utilizzato. Affinché venga garantito anche il funzionamento con i tradizionali ricevitori DVB-S2 in modalità VCM, la lunghezza dei codici LDPC, nel caso di MODCOD per VL-SNR, è stata modificata per far combaciare la lunghezza totale del frame a quella dei frame QPSK o 16APSK. Questo significa che un decoder DVB-S2, pur non essendo in grado di decodificare i frame VL-SNR, ne può riconoscere la presenza, la lunghezza e saltarli.

Nuove sequenze di scrambling anti-interferenza

Il DVB-S2X affianca sei nuove sequenze di scrambling nelle applicazioni televisive “classiche” (DTH) per mitigare le interferenze co-canale (CCI – Co-Channel Interference). Queste interferenze, già presenti in casi isolati, sono destinate a manifestarsi con maggiore frequenza nelle configurazioni satellitari multi-spot, specialmente in banda Ka. Per evitare il degradamento delle prestazioni sulla stima di canale basata su dati pilota, DVB-S2X propone un meccanismo per mitigare l’interferenza co-canale tra segnali S2/S2X mediante l’uso di un insieme definito di sequenze di scrambling: alla sequenza definita nel DVB-S2 (0) vengono aggiunti altri sei codici con buone proprietà di rigetto dell’interferenza. Un ricevitore DVB-S2X cercherà di decodificare utilizzando la sequenza di codice 0 e, se necessario, passerà alle successive.

Channel Bonding, nuovi protocolli IP e Super-Frame

L’estensione del DVB-S2 introduce nuove funzionalità anche ai livelli protocollari superiori che consentono di aumentarne la flessibilità e le prestazioni. Il Channel Bonding, per esempio, permette di suddividere un grande flusso trasmissivo su più transponder satellitari. Uno slot da 36 MHz è in grado di trasmettere fino a sei canali HD con bit-rate di 60 Mbit/s (sette con la multiplazione statistica) e solo tre canali Ultra HD da 120 Mbit/s.

Per sopperire a questa limitazione, DVB-S2X prevede la possibilità di ripartire un bouquet di sei canali UHD fra 2 o 3 transponder, sfruttando la capacità residua per un ulteriore canale UHD. Per ricevere flussi provenienti da canali differenti è però necessario utilizzare con due o più tuner indipendenti.

La maggiore flessibilità del sistema è garantita anche dal supporto dei sistemi di incapsulamento dati GSE e GSE-lite che consentono di non limitare il trasporto dei dati nei tradizionali flussi Transport Stream ma aprono alla possibilità di trasportare l’informazione audio/video (ed eventuali servizi dati) su formato Full-IP, consentendo per esempio l’instradamento del segnale su reti domestiche insieme con altri servizi interattivi a banda larga (x-DSL o fibra ottica).

Viene infine definita anche una struttura opzionale di Super-Frame per consentire trasmissioni multi-formato capaci di garantire forti guadagni in termini di capacità e flessibilità del sistema e favorire lo sviluppo di tecniche avanzate (mitigazione dell’interferenza, beam-hopping) per migliorare in modo significativo le prestazioni su reti broadband.

Svolta non epocale ma con vantaggi tangibili

Rispetto al passaggio dal DVB-S al DVB-S2, che ha prodotto un aumento della capacità del sistema pari a circa il 30%, quello da S2 a S2X rappresenta un’evoluzione meno marcata in termini di capacità. A tal proposito è necessario sottolineare che le prestazioni dello standard S2 si collocano già a pochi decimi di dB dal limite teorico di Shannon, ovvero il massimo tasso di trasferimento di dati che può fornire un canale per un dato livello SNR con un tasso di errore piccolo a piacere.

Tuttavia, il raffinamento di alcuni aspetti del DVB-S2 (granularità dei MODCOD, regione di SNR estesa) e la sua maggiore flessibilità (roll-off, VCM, impiego di ricevitori avanzati, trasporto tramite GSE/GSE-lite), rendono il DVB-S2X la soluzione ideale per i canali UHD e per i decoder 4K di fascia alta.

Altri miglioramenti sono attesi sulle nuove reti di trasmissione multi-spot in banda Ka, anche fino al 100% della capacità del sistema, grazie all’impiego delle nuove tecniche di mitigazione dell’interferenza e riuso della frequenza, possibili grazie all’introduzione della nuova struttura di Super-Frame.

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Guadagni medi del DVB-S2X rispetto al DVB-S2 per i diversi scenari applicativi e canali di riferimento (Fonte: CRIT)

 

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