Les mesures en réception DATV, le déclin de l’analyseur de spectre et
l’abandon des reports type TV amateur analogique
Préambule
Dès que l’on s’intéresse au problème de la réception en DATV on découvre l’étendue des changements, des nouveautés par rapport à nos anciennes pratiques en analogique.
Bien sûr, comprendre le fonctionnement de la chaine de réception est un premier pas à effectuer, Il n’existe que très peu d’informations détaillées sur le fonctionnement de la chaine de réception et surtout sur le fonctionnement interne détaillé d’un démodulateur QPSK par exemple.
Je vais donc commencer par cette vision de la chaine de réception la plus détaillée possible que j’ai pu acquérir petit à petit en développant Tutioune.
Comprendre ce que l’on peut mesurer, où et comment le mesurer est ensuite l’étape indispensable.
A partir de cela pourra t-on élaborer un nouveau mode de passage de Report dans nos liaisons en TV Numérique Amateur.
En se penchant sur ce problème on découvre tout de suite l'inutilisabilité des affichages Niveau/Qualité des démodulateurs grand public et, dans une approche plus technicienne, l’efficacité limitée d’un analyseur de spectre, car ici,l’analyseur de spectre ne peut nous donner que peu d’informations alors qu’en analogique il faisait partie des instruments rois.
Voyons tout cela de plus près.
( tout cela est le fruit d’une réflexion personnelle, suite à ma pratique avec Tutioune, avec des instruments plus professionnels comme un analyseur DVB SEFRAM 7856 et un analyseur de spectre numérique Rohde & Schwartz FSL3.1300, l’utilisation d’une carte de modulation DVB-S et S2 Dektec DTA-107S2 à niveau variable et à Rapport signal/bruit numérique variable et suite à un ensemble de lectures pour essayer de comprendre ce domaine où je ne suis qu’un simple apprenti comme la plupart d’entre nous)
I. Analyse d’une chaine de réception DVB-S
Indispensable pour mieux comprendre ce qui suit.
Rappels : ]Le principe d'une émission DVB-S est d'envoyer en continu (par la modulation QPSK d'une porteuse) des "Symbol" que l'on appelle IQ, qui peuvent être considérés comme des coordonnées (I,Q) d'un point et qui, suivant le cadran dans lequel est le point, signifient 00, O1, 10 ou 11, soit 2 bits, avec ces Symbols reçus, on va reconstituer le flux d'octets des informations numérisées et transmises après tout un ensemble de traitement pour corriger les erreurs et remettre en ordre les flux vidéo, audio etc.... On voit déjà que les constellations(dessin qui représente les 4 quadrants et les points IQ) vont nous aider à voir si les points sont bien placés et si il est facile de déterminer quelle combinaison 00,01,10 ou 11 ils représentent, dans le cas ou les points sont bien placés dans les "centres" des quadrants.
Les défauts à l'émission, à la transmission, à la réception, vont entrainer la dispersion plus ou moins grande de ces points (voir les constellations plus loin)
Une émission DVB = une « poupée Russe » à démonter à la réception
(IL FAUT ÊTRE INSCRIT POUR VOIR LES IMAGES)
Pour recevoir en DVB-S, on a besoin de donner uniquement
- la Fréquence HF
- la Fréquence SymbolRate
On peut s'en rendre compte en utilisant des logiciels comme TransEdit ou Tutioune.
Tout le reste est alors traité par la chaine tuner-démodulateur- décodeur.
On voit donc que au départ il y a le signal HF de l’émission que l’on reçoit (--> réglage fréquence), ensuite l’information transportée par cette porteuse nous donnant un certains nombres de Symbol IQ par seconde (--> réglage fréquence Symbol) obtenus par le démodulateur, suivi d’un ensemble de traitements principalement pour correction d’erreurs, qui vont nous donner le Flux transport TS.
Ce Flux Transport peut contenir lui tout un ensemble de données multiplexées, pouvant être une ou plusieurs video, une ou plusieurs pistes son, du télétexte, du sous-titrage, des données de mesure, des données pour de l’interactivité, des fichiers, etc.. avec un système d’horloge permettant avec le décodage de toutes ces données, leur synchronisation. (Ici les mesures autour du PCR vont être importantes)
On voit donc que l’on a 4 grandes classes de mesures pour une émission DVB :
- mesures sur la HF ( niveau et CNR)
- mesures sur les données Symbol ( MER, VBER, CBER, …)
- mesures sur le Flux Transport ( PCR…)
- mesures sur la qualité des codages MPEG etc..
Ce classement peut déjà nous donner une indication sur le contenu du type de report à définir en DATV
Remarque:
Il faut bien garder à l'idée qu'une émission DVB peut ne pas contenir de vidéo comme un canal radio sur satellite, avoir principalement un flux pour un jeu interactif, comme sur satellite, ou contenir l'envoi de fichier de données, comme fait CanalSAt quand il met à jour notre récepteur/carte d'abonnement ou quand on utilise un logiciel à distance téléchargé dans notre décodeur.
Toutes ces possibilités sont à explorer en DATV. Si l'on se contente d'envoyer de la vidéo, même si c'est d'un intérêt premier, on passe à coté d'une grande partie des possibilités nouvelles que nous offre le numérique.
II. Quelles sont les types de mesures et leur utilité ?
Première démarche indispensable : le document officiel sur les mesures en DVB : ETR290
Le rapport technique ETSI ETR290 spécifie tous les paramètres qui peuvent dégrader la qualité d’un signal durant la modulation et la transmission. C’est la référence incontournable à partir du moment où on veut faire la moindre mesure en réception DVB.
http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/101 ... 10201p.pdf
Dans ce rapport je me suis attaché à étudier les pages consacrées plus particulièrement au DVB-S :
Chapitre 6 page 39 à 48,
Chapitre 8 pages53 à 54
chapitre 10 page 76 à 80
annexe A page 81 –85
annexe B pages 86-94
annexe C pages 95-96 avec les conclusions concernant le MER
C’est en intégrant dans notre pratique ces bases fondamentales que l’on pourra définir un moyen correct de donner un report en réception.
Bien sûr ce document de 200 pages en anglais peut être indigeste pour certains. C’est pour cela que j’ essais d’en traduire ici sa méthodologie en simplifiant à notre niveau et en français.
a. Niveau du signal
· Niveau HF /RF level
C’est l’information sur le signal HF bien connue des radioamateurs, affichée depuis longtemps par un vu-mêtre suivant plusieurs méthodes : en point S, en dBµvolt, en dBm.
On peut l’obtenir de façon dégrossie par un vu metre comme celui de tutioune
Je travaille sur l’étalonnage de ce vu-mètre afin de donner une information la plus exacte possible. Bien sûr cela n’a pas la précision d’un instrument de mesure spécifique mais conviendra parfaitement à notre activité amateur
ou avec un équipement de mesure comme le SEFRAM 7856
http://www.locadif.fr/lib/files/produit ... m_7857.pdf
ou plus précisément avec un ensemble d’équipement de mesure – wattmètre- bolomètre- analyseur de spectre… que tout le monde n’a pas.
Voir post sur mesure d’un signal
viewtopic.php?f=58&t=32
Suivant les modèles de récepteurs ou carte réception DVB-S on trouve des données constructeur concernant la sensibilité allant de –50 à –90 dBm à SR 27500, atteignant –99 dBm à SR 2MS.
· Niveau I et Q
Ces signaux fournis par le ZeroTuner ont une amplitude de 0 à 1Vpp en général, (pouvant être boostés de 0 à 2Vpp avec l’option +3dB du STB6100 par exemple) et une fréquence de l’ordre de quelques mégahertz. Ils sont mesurables à l’oscillo et à l’analyseur de spectre etc..si ils sont disponibles en analogique, mais on pourra avoir plus facilement disponibles leurs valeurs, une fois ces signaux numérisées (à environ 100 Mhz sur 6 ou 8bits suivant les démodulateurs QPSK).
Le petit oscillo de Tutioune montre les niveaux de ces signaux.
La vitesse de rafraichissement va de 250 mS à 5 mS. Cela permet un contrôle global du niveau IQ et permet de voir les conséquences des modifications de réglage éventuelles sur le BaseBand gain et sur la référence de l’AGC1. Une version oscillo séparé plus performant est en cours.
b. Rapport signal/bruit :
On distingue 5 modes de mesure
· CNR analogique (fait sur la HF) ou C/N
C’est le Carrier Noise Ratio CNR ou C/N, le rapport entre le niveau du signal et le bruit = valeur en dB(axe des Y) entre le triangle bleu et le carré/croix bleu
Le CNR, c’est la mesure que les amateurs TV analogique connaissent bien et surveillent sur leur analyseur de spectre. Il se mesure en dB et nous donne une première information sur notre signal.
On comprend vite que plus il est bas plus le signal est « noyé dans le bruit » et plus il sera difficile de démoduler un flux numérique correct.
Il est difficile de savoir exactement le seuil de C/N sous lequel toute réception est impossible. Peu de fabricant affichent des chiffres. Pour du matériel de qualité moyenne (sensibilité –65 dBm) le fabricant affiche 4 à 5 dB minimum de CNR mais c’est pour je suppose un SymbolRate des stations satellites de l’ordre de 27500 MS. Alors pour des cartes de réception comme la KNC One DVB S2 avec Tuner Philips de sensibilité –90 dBm en SR 20000 et –99 dBm SR 2MS, quel peut être le C/N minimum ? Difficile à mesurer. Je n’ai pas encore de réponse.
Mais il est faux de dire que « plus grand est ce CNR, plus grande sera la possibilité de décoder le flux numérique sans erreurs » car un CNR grand ne donne aucune information sur tous les autres défauts que peut avoir une modulation DVB et parfois le fait de pousser un ampli à l’émission pour améliorer le CNR à l’arrivée va bien améliorer le CNR mais dégrader d’autres caractéristiques beaucoup plus importantes. Je peux très bien avoir un CNR de 30 dB avec une « belle » forme de château à l’analyseur de spectre mais pourtant avoir un flux impossible à décoder.( voir plus loin mes constellations où toutes les mesures sont faites à niveau et CNR quasi constant)
Conclusion le CNR me donne peu d’information, à part que, si il est très bas ou quasi nul, j’ai peu de chance de décoder quoi que ce soit, mais si il est haut il ne donne plus suffisamment d' information car des tas d’autres caractéristiques restent à vérifier.
· SNR analogique (fait sur IQ analogique extrait de la HF) ou S/N
C’est le Signal Noise Ratio, le rapport Signal/Bruit, le rapport entre le signal qui nous intéresse et le bruit.Ici le signal est appelé Bande de base et correspond à 2 signaux I et Q modulés en phase à une fréquence dépendant du Symbol Rate(Nombre de Symbol à transmettre par seconde).
Le SNR est déterminé par le même type de mesures que pour le CNR mais ici faites sur IQ,
Amplitude des signaux de 0 à 1 ou 2 Vpp donc à un niveau n’ayant rien à voir avec le signal HF et à des fréquences plus basses (quelques mégahertz) . Le SNR minimum à l’entrée du démodulateur QPSK doit être de 1dB pour pouvoir verrouiller les synchro Timing (doc StMicroElectronics).
· SNR numérique (fait sur IQ numérisé)
On est là dans le circuit où I et Q sont numérisés à environ 100 Mhz souvent sur 6 bits mais sur 8bits pour le démodulateur STB0899. l’ENOB(*) est de 7,5 bits. Ce qui donne une possibilité en dynamique de 45 dB si toute la plage de numérisation était utilisée.
Le SNR numérique pourra être au maximum théorique de 45dB mais si on regarde la plage de valeurs prises par IQ on voit qu’en pratique il restera à des valeurs inférieures.
Conséquences de l’ENOB :
Dynamic Range DR=SNR numérique maximum = 20log10 (2n) dB
(n étant le nombre de bits utilisés pour le codage)
ou plus facile à retenir :
SNRnum = 6,02 x n (en dB)
Donc si on code sur 16 bits on a un rapport maximum de 96,3 dB, c’est comme cela que l’on peut affirmer que la dynamique maximum théorique d’un enregistrement d’un CD audio est de 96 dB.
Donc ici le SNRnum maximum dépendra du nb de bits sur lesquels on code I et Q.
Si I et Q sont codés sur 8 bits (cas du STB0899) on a une dynamique théorique maximum de 48 dB, mais on aperçoit vite que l’amplitude des valeurs numérisées de IQ sont limités en amplitude
Le SNR dépend donc, en autres, de l’ENOB (Effective Number of Bits)
L’ ENOB servant aux calculs SNR est un cas où bizarrement on indique un nombre de bits pas toujours entier, il faut plus le considérer donc comme un coefficient de calcul.
· MER (fait sur IQ numérisé)
Le MER signifie Modulation Error Ratio, c’est une méthode de mesure du SNR numérique.
On trouve sur de très nombreux documents citant le MER comme étant la mesure principale de la qualité d’un signal DVB. Pour ainsi dire tous les analyseurs de réception DVB professionnels placent en priorité le MER
( par exemple l’Analyseur DMA120 de tektronix http://www.itl.waw.pl/oferta_pliki/wypo ... DMA120.pdf )
je l’ai donc sur mon analyseur SEFRAM
ou avec les constellations :
avec Tutioune (gratuit lui)
(IL FAUT ÊTRE INSCRIT POUR VOIR LES IMAGES)
toutes ces mesures ont été faites avec un niveau RF (-40 dBm) et un CNR élevé quasi constants.
J’ai mis les 2 affichages MER et constellations car ils sont intimement liés.
Le MER est une mesure de la Qualité de la modulation. (Source: Hewlett-Packard)
A partir de ce graphique, on peut faire 2 sortes de calculs :
Soit se baser sur la connaissance de l’importance de ce vecteur d’erreur (ce sera le calcul de l’EVM)
Soit se baser sur un calcul sur la moyenne/ le nuage d'un ensemble de points ce sera le MER
MER(dB) = 10log(Average symbol power ÷ Average error power)
Le MER est calculé en faisant une moyenne sur un certain nombres de Symbol(=couples IQ)
ce nombre de Symbol sur lequel est calculé le MER peut être réglé dans Tutioune à 4kS, 16kS, 64kS et 256 kS sous le titre "Noise Time"
C’est une mesure sympathique car elle est en dB et est facilement représentable dans notre esprit à partir de l’observation d’une constellation:
On devrait avoir 4 points atteints (en QPSK)or si vous regardez les constellations fournies par Tutioune, vous voyez que l’on a 4 nuages de points . Plus le nuage est petit (1ere image constellations Tutioune) plus le MER est grand(33 dB), plus le nuage est étalé(dernière image)plus le MER est petit(3.6 dB).
Le MER est donc une valeur qui donne directement le résultat de cette dispersion des valeurs IQ par rapport aux valeurs idéales.
Il dépend tout un ensemble de facteurs de dégradation du signal.( bruit, rotation de phase, jitter...)
c’est une méthode de mesure du SNR numérique.
Si on n'a pas de signal ou un signal très faible et un CNR très faible le MER va se retrouver à 0dB, il peut être aussi la conséquence du CNR trop bas.
Le MER devrait devenir la mesure principale - à mon avis - pour le report d’une liaison en DATV, résumant les principales caractéristiques du signal et les difficultés ou non à décoder l’émission reçue.
Une autre ensemble de mesures restera celles faites sur le résultat obtenu après démultiplexage et décodage du transportstream, (voir Tsreader et ses grands frères)
· EVM (fait sur IQ numérisé)
Error Vector Magnitude
"décomposable en Magnitude Error et en Erreur de Phase, ce qui permet d’apprécier la qualité du modulateur et du bruit de phase de l’OL( de mon modulateur DATV live en construction)- remarque de Olivier F5LGJ dans une discussion sur l'évolution de Tutioune".
C’est la différence entre le signal mesuré et le signal cible ( voir schéma précédent)
Cette valeur est donnée en %
MER ou EVM?
Certains analyseurs professionnels donnent cette valeur EVM plutôt que le MER mais plus nombreux sont ceux qui donnent le MER comme le SEFRAM que j’utilise ou le tektronix DMA120.
http://www.itl.waw.pl/oferta_pliki/wypo ... DMA120.pdf
Je cite:
"Modulation Error Ratio(MER):
ETSI ETR290 indicates that MER is the best overall “figure of merit” measurement to determine QAM signal quality. Although bit error rate (BER) has been widely addressed as an important digital transmission “figure of merit” measurement, MER provides a much earlier indication of transmission impairments."
ma traduction
L'ETSI ETR290 montre que le MER est la meilleure mesure par dessus toute de "critère de valeur" pour déterminer la qualité d'un signal QAM (ou QPSK). Bien que le BER (= Bit Rate Error = Taux de bits erronés) a été largement indiqué comme un important "critère de valeur" dans les transmissions numériques, le MER procure une indication beaucoup plus tôt sur des problèmes de transmission.
On voit dans ce texte tout de suite l’importance que Tektronix accorde au MER suite aux recommandations sur les mesures DVB faites dans le document ETR290
The measurement includes error power due to any impairment.
If the only impairment in the test channel spectrum is noise, MER is equal to signal-to-noise.
La mesure (du MER) inclue les erreurs de puissance causées par n'importe quel défaut.
Si le seul défaut dans le test du spectre de canal (=IQ) est le bruit alors le MER est égal au rapport signal/Bruit
Technicians will feel familiarity with MER because results are expressed in dB, similar to analog transmission carrier-to-noise or signal-to-noise measurements.
Les technicien sentiront une familiarité avec le MER car les résultats sont exprimés en dB, de façon similaire aux mesures C/N ou S/N des transmissions analogiques.
Error Vector Magnitude (EVM):
EVM is an alternative “figure of merit” measurement. It has been a performance measurement for digital communication systems in the past and provides a means of system comparability for some engineers. The same distortion elements are measured as in MER. However, the calculation of error is different and is expressed as a percentage (%) of the maximum voltage in the constellation (at sampling times) as received.
L'EVM est une mesure alternative de "critère de valeur". Cela a été une mesure de performance pour les systèmes de communication numériques dans le passé et fournit un moyen de comparabilité de système pour certains ingénieurs. Les mêmes éléments de distorsion que dans le MER sont mesurés. Cependant, le calcul d'erreur est différent et est exprimé en pourcentage(%) d'une tension maximum dans la constellation(à la fréquence d'échantillonnage) telle qu'elle est reçue.
c. Le taux d’erreurs du flux numérique
en cours d'écriture
· BER
· VBER
· CBER
· UNC
d. Les mesures sur le flux Transport ( Transport Stream)
· Ces mesures sont faites par des logiciels comme Tsreader et je ne les aborderai pas dans ce premier développement, réservant cela ppour plus tard, en faisant une étude détaillée de ce que Tsreader nous offre comme information.
· Tsreader étant assez « léger » sur ses possibilités en analyse, j’essayerai aussi plus tard de montrer les autres mesures faites par des logiciels plus complets.
Remarque : toute mesure type S/N video, mesure sur un signal vidéo n’existant maintenant que sous forme d’octets serait complètement incongrue et abracadabrantesque. Un signal DVB peut très bien contenir que des flux audio ou de data/données et pas de flux vidéo. Si un flux vidéo codé est présent, seules des mesures sur la qualité du codage (Mpeg transport puis Mpeg ES..) peuvent être faites avec des logiciels adaptés, ce flux une fois décodé étant maintenant envoyé dans l’écran LCD via un câble DVI ou HDMI, à aucun moment la moindre mesure sur un signal analogique ne peut être faite car une fois passé le zeroTuner qui extrait IQ immédiatement numérisé, il n’y a plus jamais aucun signal analogique à mesurer dans toute la chaine de réception y compris sur l’écran LCD.
Cette mesure de « S/N vidéo » avait du sens en TV amateur analogique, maintenant elle n’a plus aucun sens. Comme on reçoit le flux vidéo numérique identique à celui qui a été envoyé, toute mesure analogique sur ce flux en dehors des mesures numériques, ne feraient que mesurer la qualité de la source et de sa numérisation avant émission et la qualité des convertisseurs analogiques de la carte graphique de réception et n’auront rien à voir avec la mesure d’une réception d’un signal DVB.
Tous les documents techniques officiels du consortium DVB ignorent cette ineptie.
III. Comment effectuer ces mesures ?
en cours d'écriture
IV. La question fondamentale : Quand un signal est-il bon ?
en cours d'écriture
Déjà l' observation des instruments de mesure de Tutioune avec la Led "TS" verte pour flux OK et rouge pour flux pas bon nous donne une première indication.
(IL FAUT ÊTRE INSCRIT POUR VOIR LES IMAGES)
V. Quelle méthode adopter pour passer un report ?
à réfléchir avec tous
A suivre
Jean Pierre F6DZP