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TNT-HD vs TNT-2
dimanche 24 janvier 2016, par gerla

"La télévision numérique terrestre est le principal réseau de diffusion de la télévision en France. A partir d’avril 2016, les chaînes de la TNT vont être rassemblées sur 6 multiplex pour permettre de libérer une partie de la bande de fréquences en faveur des opérateurs de téléphonie mobile" (CSA, publication du 18-12-2015).

La TNT passe à la TNT-HD mais qu’en sera-t-il exactement après le basculement de cette "nuit bleue" ? Etat des lieux ...

1- Flux de transport Audio / Vidéo,

D’un point de vue général, les contenus audiovisuels d’un programme sont numérisés et compressés MPEG puis mélangés aux données de service (Electronic Program Guide, contrôle d’accès, abonnement, sous-titrage, système d’information, ...) (voir Techniques audiovisuelles et multimédia, tome1)

La figure 1 met en évidence les principales fonctions de la chaîne de traitement et transport du contenu audiovisuel issu, par exemple, de l’imageur et des micros d’une caméra numérique. Les contenus vidéo RVB sont matricés et numérisés (CAN, Convertisseur Analogique/Numérique). Les données YCbCr obtenues sont compressées MPEG puis mises en paquets de façon à constituer un flux PES vidéo.

(JPG)

De même, les signaux audio voie gauche ( AF-G ) et voie droite ( AF-D ) sont numérisés. Les données audio sont ensuite compressées MP3 ou AAC (standard MPEG) ou AC3 (Dolby). Ces données audionumériques sont ensuite réparties dans les paquets PES audio.

2- MPEG train élémentaire, train programme ,

Dès la compression MPEG audio ou vidéo réalisée, le train de données brutes obtenu constitue un flux élémentaire (Elementary Stream ES) contenant l’information juste nécessaire aux décodeurs audio et vidéo pour reconstituer la scène audiovisuelle. ES est ensuite scindé en paquets élémentaires PES (Packetized Elementary Stream) de longueur variable, chaque paquet contenant un en-tête ( header ) (dont un identifiant et un symbole binaire de synchronisation) et une charge utile ( payload ).

En d’autres termes (figure 2) , les informations vidéo sont divisées en PES vidéo et les informations audio en PES audio. Cette procédure est faite en synchronisme avec une même horloge pilote, elle-même échantillonnée ( periodic time stamps ) et incorporée dans les en-têtes des PES audio et vidéo.

(JPG)

Le train programme ( program stream PS ) permet de combiner en un seul flux de données les PES audio et vidéo. Pour une qualité donnée, le débit des données compressées varie en fonction du contenu de chaque image et des sons associés. Dans ce contexte, la taille des paquets est variable .

3- MPEG train transport ,

La couche "système" du standard MPEG-2 fixe la structure du transport stream TS ou flux de transport audio, vidéo, données. A la différence du program stream PS, le flux de transport TS est adapté à la transmission à débit constant.

Les paquets PES audio et vidéo correspondant à un programme sont découpés en paquets TS plus petits mais de taille constante, comportant chacun 188 octets. Ces paquets sont :

• multiplexés de façon à constituer un flux de transport unique SPTS (single program transport stream)  ;

• mélangés aux paquets TS d’autres services ou d’autres programmes de façon à constituer le flux de transport TS (figure 3) d’un multiplex ou MPTS (multiple program transport stream).

L’objectif premier du train transport TS est d’obtenir un flux unique de données empaquetées satisfaisant aux contraintes de débit, imposées par les flux élémentaires audio et vidéo issus des codeurs MPEG ou autres.

Dans l’en-tête TS standard (sur 4 octets avec des extensions possibles) sont disposés des codes de synchronisation, détection d’erreur et d’identification (PID, packet identifier) du contenu.

(JPG)

Outre les différents contenus audio, vidéo, données correspondant à un ou plusieurs programmes (multiplex) , le flux de transport véhicule également des paquets PSI (program specific information) contenant les informations de service SI (service information) des programmes. Ces informations permettent aux fonctions placées dans le récepteur (démultiplexeur, désembrouilleur, décodeur) de déterminer l’ordre des paquets audio et vidéo correspondent à un programme.

Les paquets PSI sont repérés par un PID standard. Les données PSI sont structurées en plusieurs tables. Si un paquet comporte une trop petite charge, elle est alors complétée par des bits de bourrage n’ayant pas de signification.

Dans le flux de transport, le brassage (embrouillage) des données est un élément facilitateur du point de vue de la transmission. Cette procédure peut également être mise à profit pour fixer les conditions d’accès CA au contenu ( cryptage ).

4- Télévision numérique terrestre (TNT ; TNT-HD),

Les standards DVB (Digital Video Broadcasting) définissent les fonctions de transmission des signaux audio/vidéo compressés MPEG. Les programmes de diffusion terrestre en définition standard (compression MPEG-2) diffusés en DVB-T cèdent le pas aux solutions DVB-T2 (compression MPEG-4) pour un basculement vers la TNT-HD (haute définition) ou TNT-2. Il est à noter que des solutions DVB-T/MPEG-4 existent.

Le réseau TNT est constitué d’un ensemble d’émetteurs diffusant en partie ou l’entièreté des multiplex. Un réseau terrestre est implanté sur une région géographique limitée. Il est constitué d’un d’ensemble d’émetteurs. En périphérie des zones de couverture correspondant à chaque antenne d’émission, les champs électromagnétiques émis se superposent (figure 4) . Les ondes émises par les différents émetteurs d’un même multiplex peuvent avoir :

les mêmes fréquences (isofréquence ou SFN, single frequency network). Dans ce cas et dans la zone de recouvrement, le récepteur voit les ondes émises par une des deux antennes comme une réplique du signal original (un écho) ;

des fréquences différentes (multifréquence ou MFN, multiple frequency network). Dans la zone de recouvrement, les fréquences sont différentes. Les deux solutions peuvent cohabiter.

(JPG)

5- Codage de canal DVB-T2 /TNT-HD,

L’objectif de DVB-T2 est d’ améliorer les performances de diffusion en termes d’efficacité énergétique, de débit (au moins 30%), de protection contre les erreurs de transmission et permettre l’utilisation de récepteurs mobiles . Pour y parvenir :

• les fonctions de codage de canal (protection, modulation) sont étendues et plus complexes ;

• les services des multiplex sont différentiés.

(JPG)

Dans un canal d’émission TNT-2 (ou TNT-HD), les spécifications DVB-T2 permettent d’assurer des niveaux différents de protection des données. Le type de modulation associé au niveau de protection peuvent être différents pour chacun des flux de transport multiplex MPEG-2 TS ou MGS (multiple generic stream).

Pour parvenir à ce codage de canal différentié (figure 5) , à chaque service du flux de transport est affectée une voie PLP (physical layer pipe) de codage de canal, ayant des paramètres :

communs à tous les PLP d’un canal (fréquence centrale, numéro de canal, bande passante, intervalle de garde, taille OFDM, répartition des fréquences pilote) ;

spécifiques à chaque PLP et donc différents comme par exemple la taille QAM (constellation), les codes de correction d’erreur, la profondeur de l’entrelacement et le débit.

L’approche multiple PLP fournit un éventail de critères. Une version légère " DVB-T2 lite " est dédiée aux équipements mobiles (à côté du DVB-H) . Cette version peut être déployée avec un débit réduit de 1,7 Mbps suffisant pour des diffusion radio DAB (digital audio broadcast ). La version "lourde" correspondant à l’utilisation d’un canal de 10 MHz est réservée à l’usage professionnel (caméra HF, studio mobile). Les récepteurs grand public ne sont pas équipés pour recevoir ce mode de traitement .

(JPG)

La passerelle DVB-T2 sépare les différents services du flux de transport entrant (un ou plusieurs multiplex), chaque service (programme) étant affecté à un PLP :

• différentiation par rapport aux contenus (HD, SD, LD, radio, données) ;

• différentiation par rapport aux opérateurs (France télévision, groupe TF1, etc.)

Pour chaque PLP, les données sont encapsulées en BB-trames (baseband frame) et traitées contre les erreurs de transmission (codes de correction d’erreur, entrelacement, etc.). Le train binaire est ensuite séquencé en mots adaptés aux cellules de la modulation QAM (constellation 64 ou 256 QAM, par exemple). Les constellations obtenues (figure 6) peuvent ensuite subir une rotation par rapport à I et Q.

Une partie de l’information I se transpose sur l’axe Q et inversement. Les composantes modulées I et Q d’une porteuse sont séparées. Les composantes Q sont retardées de façon à ne pas se trouver sur le même symbole OFDM. La fiabilité de la transmission (réduction du BER, bit error rate ) face aux perturbations du canal s’en trouve augmentée.

(JPG)

En sortie de la passerelle T2-MI, les contenus des voies PLP sont ensuite réarrangés en trames et super trames dans un train de données unique T2-MI (modulator interface) . Chaque trame (longueur maxi 250 ms) est composée de 3 parties :

• un préambule d’identification P1 (pour une détection rapide du début de trame, un verrouillage de fréquence et la taille OFDM) ;

• un préambule de description du contenu et de structure P2 ;

• les donnés (payload).

Ce train de données multiple PLP T2-MI est encapsulé au format ASI (asynchronous serial interface, développé pour le MPEG-2 TS) ou IP (Internet protocol) permettant le transport sur différents média à destination des modulateurs (figure 7) implantés sur les sites de diffusion du réseau TNT-2.

A l’entrée du modulateur, le train de données ASI est désencapsulé en trames DVB-T2. Les données et symboles de signalisation sont ré-agencés selon définition des symboles OFDM. Des porteuses pilotes sont également insérées et configurées.

Après génération des symboles (C)OFDM à travers une opération IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), une réduction du facteur de crête PAPR (peak to average power ratio) des signaux modulés OFDM permet d’optimiser les puissances mises en jeu dans le canal.

(JPG)

Avec l’utilisation d’un module d’insertion, les fonctions de modulation sont susceptibles de prendre en charge les services locaux de télédiffusion.

6- Réception et démodulation TNT/TNT-HD,

Qu’il s’agisse d’un téléviseur ou d’une unité de réception autonome ( box ), les fonctions de réception et démodulations  :

• une unité de réception ou tuner permet de sélectionner le canal sur lequel le service qu’on souhaite recevoir est transmis. La sélectivité doit être suffisante pour une protection contre les interférences avec les canaux adjacents ;

• une unité de démodulation capable de supporter les différents standards utilisés. Un convertisseur analogique/numérique CAN est placé en amont du démodulateur. Le récepteur ne décode que le contenu du service/PLP souhaité et ignore le reste ;

• une unité de décodage MPEG vidéo et MPEG audio/AC-3.

En outre, le récepteur TNT/TNT-HD doit être capable de traiter les échos hors de l’intervalle de garde et de gérer le changement dynamique de débit de transmission.

7- Conclusion,

La chaîne fonctionnelle du DVB-T2 n’est pas identique à celle du DVB-T. De ce fait, il n’y a pas de rétro-compatibilité entre les deux systèmes de transmission. Les récepteurs doivent comporter les décodeurs correspondant aux deux solutions.

Le fort développement des communications de téléphonie mobile (et services connexes) induit une réattribution de la bande des fréquences comprises entre 694 et 790 MHz ( bande des 700 MHz, canaux 61 à 69). La bande UHF (470 - 790 MHz) est également partagée avec les professionnels de la production audiovisuelle (micro sans fils, etc.).

Les émissions TNT-2 (TNT-HD) sont prévues dans la bande UHF restante (canaux 21 à 60). La largeur (ou bande passante) de chaque canal est de 8 MHz (France, Royaume Uni, ...).

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