Protokollanalyse bei DVB-T

-Inhalt

1 Einleitung und Aufgabenstellung

2 Technik DVB-T
2.1 Übertragung von MPEG-Datenströmen (Kanalkodierung)
2.1.1 Paketierter Elementarstrom
2.1.2 Transportstrom
2.1.3 Multiplexbildung
2.2 Modulation bei DVB-T (Leitungskodierung)

3 Inbetriebnahme DVB-T Empfänger und Messsoftware
3.1 Installation PCI-Karte
3.2 Installation Software

4 Analyse des DVB-T Datenstroms
4.1 Struktur derMessumgebung
4.2 Untersuchungen mit der Software
4.2.1 TSReader
4.2.2 DVBStreamExplorer
4.2.3 Analyse dynamischer Bandbreiten

5 Fazit

6 Quellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: PES-Paket

Abbildung 2: Einfügen eines PES-Paketes in einen Transportstrom

Abbildung 3: Transportstrom Header und Adaption Field

Abbildung 4: Struktur der Program Specific Information (PSI)

Abbildung 5: Konstellationsdiagramm 16-QAM

Abbildung 6: Screenshot TSReader (ZDF Bouquet)

Abbildung 7: Screenshot DVBStreamExplorer

Abbildung 8: Aufbau Multiprogramm Transportstrom mit 2 Programmen

Abbildung 9: Aktive PIDs nach Bandbreite in Prozent angeordnet

Abbildung 10: PID 2D Diagramm

Abbildung 11: PID 3D Diagramm

Abbildung 12: Video Bitrate über die Zeit

Abbildung 13: Verteilung der Bandbreite über die Zeit

Abbildung 14: EPG - Electronic Program Guide

Abbildung 15: DVBStreamExplorerTuning

Abbildung 16: PID Scanner

Abbildung 17: Anzeige Teletext

Abbildung 18: Anzeige der empfangenen Multiplexe

Abbildung 19:10 Minuten vor 20:00 Uhr

Abbildung 20: 5 Minuten nach 20:00 Uhr

Abbildung 21: 7 Minuten nach 20:00 Uhr

Abbildung 22: 18 Minuten nach 20:00 Uhr

Abbildung 23: 20 Minuten nach 19:00 Uhr

Abbildung 24: 33 Minuten nach 19:00

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Auszug SI Tabellen

Tabelle 2: Bouquets mit Parametern [DVB-T: Das Überallfernsehen, 2006]

1 Einleitungund Aufgabenstellung

Das erste regelmäßige Fernsehprogramm strahlte ein Berliner Sender 1935 aus. Auf der Funkausstellung 1932 wurde der dazugehörige erste Fernseher mit Bildröhre und einer Technik, die der heutigen gleicht, von Dénes von Mihály präsentiert. Durch den Krieg kam es zu einer Sendepause, da die Sender zerstört wurden. Erst 1950 wurde durch die Gründung der Arbeitsgemeinschaft der Rundfunkanstalten wieder ein Fernsehprogramm ausgestrahlt. Als nächste Stufe in der Geschichte des Fernse­hens ist die Entwicklung des Farbfernsehers zu nennen. 1961 stellte Walter Bruch das Phase Alternation Line (PAL) vor und damit die Möglichkeit Farbe in das Fern­sehbild zu bringen. Bis 1984 wurde in Deutschland das Fernsehprogramm stets terrestrisch oder über Satellit übertragen. Nun aber wurde nach und nach die Über­tragung über ein Kabelnetz immer populärer. Die terrestrische und die Satelliten­übertragung bleiben weiter erhalten. [NTV Knowledge]

Inzwischen steht Deutschland vor dem nächsten technischen Umschwung in Bezug auf das Fernsehen. Sämtliche Übertragungswege (Kabel, Satellit und Antenne) sollen digitalisiert werden. Laut Beschluss des Bundeskabinetts vom 24.08.1998 soll die klassische analoge terrestrische Übertragung von Fernsehprogrammen in Deutschland durch die digitale terrestrische abgelöst werden. Dafür wurde ein Zeit­rahmen bis spätestens 2010 gesetzt.

Ende 2005 waren ca. 65% aller Haushalte in Deutschland mit digitalen terrestrischen TV-Programmen versorgt. Im Jahre 2007 ist die Umstellung in einigen Bereichen Deutschlands weit fortgeschritten und wird immer weiter ausgebaut. In den meisten Gebieten sind die öffentlich rechtlichen Programme zu empfangen und in wenigen Inseln ist dazu auch der Empfang von privaten Sendern möglich. Bis Ende 2008 sol­len bereits 90 % der Bevölkerung über einen digitalen terrestrischen Empfang der öffentlich rechtlichen Programme verfügen können.

Als Ziele dieser Umstellung sind die „Verbreitung einer größeren Anzahl von Pro­grammen als bisher bei der analogen Übertragung“, Erweiterung des Empfangs um „attraktive Angebote multimedialer Art“ und die „Möglichkeit zur Regionalisierung der Programmangebote“. [Bundesministerium, 2005]

Für die Übertragung von digitalen Fernseh-, Radio- und Datensignalen über Antenne wird die DVB-T (Digital Video Broadcast - Terrestrial) Technik genutzt. Der DVB-T Standard wurde zusammen mit einer Reihe weiterer DVB-Standards vom ETSI¹ erlassen. Mit Hilfe der DVB-Technik soll als neueste Möglichkeit das Fernsehen mobil werden.

Bei diesem Projekt wird anhand von zwei Software-Tools eine Protokollanalyse des DVB-T Datenstroms durchgeführt. Dabei werden die erhaltenen Ergebnisse mit den gültigen Standard verglichen. Des Weiteren soll die Dynamik der Bandbreite der ein­zelnen Programme eines Bouquets untersucht werden. Werden unterschiedliche Sendungen mit unterschiedlichen Bandbreiten ausgestrahlt? Eine weitere interes­sante Frage ist, wie sich das Bouquet vom NDR während der Regionalprogramme verändert. Diese Fragen werde ich im Zuge der verschiedenen Messungen im Kapitel 4.2 untersuchen.

2 Technik DVB-T

Die DVB-T Technik dient zur Übertragung von digitalen Fernseh-, Radio- und Daten­signalen über Antenne. Ein Empfang ist so für jedermann mit Haus- oder Zimmer­antenne möglich. Die Fernsehprogramme werden dafür in MPEG-2 kodiert (Quellen­kodierung) und mit einem MPEG-Datenstrom (Kanalkodierung) vom Playout-Center zu den Haushalten übertragen. Dabei ist die Modulierung des Signals (Leitungs­kodierung) je nach Übertragungsart unterschiedlich. DVB-T nutzt QAM (Quadrature Amplitude Modulation) zusammen mit COFDM (Coded Orthogonal Frequency Divi­sion Multiplex), um die Signale zu modellieren und zu kodieren.

Die Funktion der Quellenkodierung soll in dieser Ausarbeitung nicht berücksichtigt werden, da sie sehr umfangreich ist. Im Folgenden wird die Kanalkodierung ausführ­lich und die Leitungskodierung kurz zur Wiederholung erläutert. Sie wurde bereits in anderen Projekten (MSR 33) erklärt und dargestellt.

2.1 Übertragung von MPEG-Datenströmen (Kanalkodierung)

Da die Übertragung von MPEG-kodierten Daten hier im Multicast, also im ständigen Fluss, geschieht, werden die Daten als Datenströme bezeichnet. Wie dieser Daten­strom zu behandeln ist, wird in der MPEG-2 Part 1: Systems Spezifikation [ISO/IEC 13818-1, 1996] definiert. In dieser Spezifikation werden Vorgaben gemacht, nach dem die Datenströme, die aus dem Quellen-Coder kommen, „verpackt“ werden, um die Rekonstruktion nach dem Empfang einfacher zu machen. Die „Verpackung“ der Daten erfordert, dass die kodierten Daten nicht als kontinuierlicher Strom gesendet, sondern in Pakete aufgeteilt werden. Zum einen wird mit der Paketbildung eine Vor­raussetzung für die Synchronisation geschaffen, in dem jedem Paket bestimmte pe­riodisch wiederkehrende Strukturen zugeteilt werden. Zum anderen wird durch die Paketbildung das Zusammenfügen mehrerer Datenströme, wie zum Beispiel Audio und Video, zu einem neuen Datenstrom (Multiplex) möglich. Die Vorgehensweise für die Bildung eines Multiplexes wird im Laufe des Kapitels deutlich und soll im letzten Kapitel 2.1.3 genau erläutert werden.

Prinzipiell lassen sich zwei Arten von Datenströmen, die für verschiedene Anwen­dungen gedacht sind, laut der Spezifikation unterscheiden: Ein Programmstrom (Program Stream, PS) ist für die Handhabung in quasi fehlerfreiem Umfeld gedacht, wie es zum Beispiel bei der Speicherung digitaler Medien der Fall ist. Ein Transport­strom (Transport Stream, TS) ist für die Übertragung in Weitverkehrsnetzen ent­wickelt worden. Seine konstante Transportstrompaketlänge weist Vorteile bei der Beseitigung von Übertragungsfehlern auf. Daher ist er für ein Umfeld geeignet, in dem mit Übertragungsfehlern zu rechnen ist. Bevor jedoch ein Programmstrom oder Transportstrom gebildet werden kann, muss der aus dem Quellencoder stammende Bitstrom eine Vorstufe durchlaufen, in welcher der paketierte Elementarstrom (PES) gebildet wird. [Riemann, Heft9/1994]

Die Bildung des PES wird im nächsten Kapitel vorgestellt. Danach wird die Herstel­lung eines Transportstromes dargestellt.

2.1.1 Paketierter Elementarstrom

Bei MPEG-2 wird der Bitstrom als Elementarstrom bezeichnet. Dieser Elementar­strom wird zunächst in einzelne Pakete aufgeteilt. Somit entsteht der Paketierte Ele­mentarstrom (PES), der als Grundlage für alle MPEG-2-Transportströme genutzt wird. In jedem PES befindet sich ein Bild von den 25 Bildern/Sekunde des Film­materials. [JDSU, o.J.] Die Pakete dürfen eine variable Länge aufweisen und werden immer von einem 6 Byte langen Header angeführt. Nach dem Header folgen Steu­erinformationen (Elementary Stream Specific Information), denen noch maximal 256 Byte als Stopfdaten (Padding) folgen dürfen, um eine Ausrichtung der Paketlänge bei variierender Länge der Steuerinformation zu gewährleisten. Zum Schluss folgt dann die Nutzinformation (Payload) des Paketes. Das folgende Bild (Abb. 1) zeigt den Aufbau eines PES-Paketes.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: PES-Paket

Bei den Steuerinformationen am Anfang sind eine Reihe von Flags angesiedelt, deren Funktionen in dieserArbeit nicht alle erklärt werden. Die Erklärung soll sich auf die Felder beschränken, die für das grundsätzliche Verständnis benötigt werden.

Der Header des PES-Paketes beginnt mit einem drei-Byte langem Startcode, auf den die Stream Identification, welche die Art der Nutzinformationen angibt, folgt. Das letzte Feld ist für die Angabe der Paketlänge angelegt worden. Da die Wortlänge 16 Bit beträgt, sind 216 - 1 = 65535 Bytes als Paketgesamtlänge möglich, von der zwi­schen 9 und 256 Byte auf den Header entfallen können. So bleibt eine maximale Länge von 65526 Byte für die Nutzdaten. Bei Videoströmen lässt MPEG allerdings eine Ausnahme zu: Wird in dem Feld für die Paketlänge Null eingetragen, geht man von einer unbestimmten Paketlänge aus. So wird die Hardwareimplementierung leichter, da Speicherplatz eingespart werden kann. Die einzelnen PES-Pakete müs­sen nicht zwischengespeichert werden. Als wichtiges Flag sei das PTS/DTS (Pre­sentation Time Stamp / Decoding Time Stamp) erwähnt, das je eine Zeitmarke zur Darstellung eines Ereignisses sowie zur Decodierung für jeden einzelnen PES und damit für jedes einzelne Frame setzt. Diese beiden Zeitstempel spielen für die Syn­chronisation innerhalb eines Programm- / Transportstromes eine große Rolle. Als Erweiterung für PES-spezifische Informationen ist das PES Extension Flag vorhan­den, das weitere Information ankündigt. Zu dieser Information gehört vor allem der Paketzähler, der von Paket zu Paket inkrementiert wird und so die Entdeckung von Übertragungsfehlern möglich macht.

Wie die PES-Pakete in die Transportströme verpackt werden, wird im folgenden Kapitel 2.1.2 gezeigt.

2.1.2 Transportstrom

Das Besondere am Transportstrom (TS) ist seine fest definierte Länge. Dies ge­schieht auf Grund der bereits erwähnten Anforderung der Robustheit gegenüber Übertragungsfehlern. Es gehen weniger Daten auf der Strecke verloren, wenn die Pakete eine fest definierte Länge haben. Das folgende Bild zeigt die Paketstruktur und die Einkapselung des PES-Paketes in den Transportstrom.

Die Länge des Transportstrompaketes ergibt sich zu 188 Byte (s. Abb. 2). Auf den Transportstrom-Header fallen 4 Byte. Damit bleibt eine Länge von 184 Byte für die Nutzinformation. Das Adaption Field ist optional und dient zur Erweiterung der Kon- trollbits im Header. Es muss nicht in jedem Paket mit gesendet werden. Die Häufig­keit des Auftretens des Adaption Fields in einem Transportstrom wird durch die Vor­gabe zur Versendung bestimmter Zeitmarken vorgeschrieben. Auf die Zeitmarken und der damit verbundenen Synchronisation wird Kapitel 2.1.3 bei der Erstellung ei­nes Multiplexes Bezug genommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einige der Felder des Transportstromes sollen im Folgenden erläutert werden. Das Sync_Byte beinhaltet eine Binärwertfolge, die gute Autokorrelationseigenschaften aufweist. Damit ist der Beginn jedes einzelnen Paketes innerhalb des Datenstromes gut zu detektieren. Der Transport_Error_Indicator weist auf einen nicht korrigierbaren Übertragungsfehler hin. Es kann von einem Fehlerkorrekturdecoder gesetzt werden. Jeder PES des gleichen Elementarstromes weist die gleiche Packet_ldentification (PID) auf, daher ist diese Information für die Decodierung sehr wichtig. Der Continu- ity_Counter ist ein 4-bit-Zähler, der die Pakete derselben PID zählt, so können beim Empfänger eventuelle Paketverluste und die Richtigkeit der Reihenfolge der Pakete festgestellt werden.

Neben den Nutzinformationen werden programmspezifische Information sowie die Struktur des Transportstromes innerhalb des Nutzdatenfeldes gesendet. Diese Art der zusätzlichen Information wird Program Specific Information (PSI) genannt. Sie gibt an, aus wie vielen und welchen Elementarströmen ein Programm besteht und unter welchen PIDs ein Decoder beim Empfänger die einzelnen Pakete innerhalb des Transportstromes findet. Letzteres ist eine entscheidende Vorraussetzung für das Multiplexen von verschiedenen Bitströmen zu einem gemeinsamen Transport­strom.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Struktur der Program Specific Information (PSI)

Die PSI wird in Form von Tabellen übertragen, die wiederum aus einzelnen Seg­menten (Sections) bestehen. Prinzipiell werden vier verschiedene Tabellen für das Grundgerüst eines Transportstromes unterschieden: die Programm Assosiation Table (PAT), die Conditional Access Table (CAT), die Network Information Table (NIT) und die Conditional Access Table (CAT). Diese Tabellen sind, wie in Abb. 4 zu sehen, zum Teil miteinander verknüpft. Die PAT ist die wichtigste Tabelle und steht in der Hierarchie ganz oben mit der vordefinierten PID 00. Sie enthält alle im Trans­portstrom enthaltenen Programme. Außerdem legt sie eine Zuordnung zwischen den PIDs und der PMT für jedes Programm fest. Die PMT enthält eine Liste mit sämt­lichen Elementarströmen eines Transportstromes und deren zugehörige PID, die zu ihrem Programm gehören. Des Weiteren enthält sie Beschreibungselemente (Disc- riptoren), welche die Elementarströme charakterisieren. Neben den Elementar­strömen und den Discriptoren findet man für jedes Programm unter einer eigenen PID auch die dazugehörige Programm Clock Reference (PCR), welche die gültige Zeitmarke für das Programm darstellt. In der NIT befinden sich Angaben zu Kenn­größen des Netzwerkes wie Kanalnummer, Kanalbandbreite und Frequenzband. Diese Tabelle hat immer die Programmnummer 0 innerhalb der PAT. Die CAT ist immer unter der PID 01 in den Nutzdaten zu finden und steht in der Hierarchie der PSI-Tabellen auf gleicher Stufe mit der PAT. Es sind Informationen, die der Ent­schlüsselung von Daten dienen, in ihr enthalten. [Riemann, Heft 9/1994]

Mit diesen Informationen kann ein Programm beim Empfänger wieder richtig deco­diert und zusammengesetzt werden. Die Digital Video Broadcast (DVB) hat zur Übermittlung von Zusatzinformationen weitere Tabellen definiert. Diese Tabellen heißen Service Information (SI) - Tables und geben Dienstanbietern die Möglichkeit Programme und Services über ein großes Netzwerk aus Transportströmen zu ver­teilen. SI-Tabellen werden wie die PSI-Tabellen zu einem MPEG-2 Transportstrom optional hinzugefügt und haben somit auch jeweils, wie alle anderen Elemente eines Transportstromes, eine eigene PID. Einen Auszug aus den möglichen SI-Tabellen und deren Funktionen soll die folgende Tabelle 1 zeigen. [JDSU, o.J.]

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¹ ETSI - European Telecommunications Standards Institute, www.etsi.org