La Télévision Numérique Terrestre en France

Jusqu’à très récemment, les chaînes de télévision française hertzienne ont toujours été diffusées sur le territoire au moyen d’émetteurs qui fonctionnent en mode analogique. Mais depuis mars 2005 pour la France, la Télévision Numérique Terrestre (TNT) est apparue et elle prévoit de se substituer progressivement au cours des prochaines années à la télévision analogique pour proposer une trentaine de chaînes en qualité numérique et gratuites pour la moitié d’entre elles. La TNT peut être définie comme “un mode de diffusion terrestre de télévision dans lequel les signaux vidéo, audio et de données ont été numérisés puis ordonnés dans un flux unique - le multiplex - avant d’être diffusés via les ondes électromagnétiques.” (TDF : voir bibliographie section COFDM)

Voici succinctement les caractéristiques de ce type de signal :

• Le codage de la source MPEG conduit à une réduction de la quantité nécessaire pour l’émission d’un programme. Cette compression associée à un multiplexage des données permet de loger 5 à 6 programmes TV sur un même canal (bande de fréquence s’étalant sur 8MHz en France) au lieu d’un seul en analogique. Il est également possible d’insérer un contrôle d’accès, des programmes locaux (le Multiplex R5 leur est réservé), guides de programmes, sous-titrage, etc.
• La modulation COFDM offre une bonne résistance aux échos (« Chemins multiples » de l’onde). Nous reviendrons en détail sur ce type de modulation dans la section “DVB et COFDM”.
• La réception est obtenue simplement en connectant un adaptateur TNT sur un téléviseur traditionnel.

Chaque pays adopte ses propres choix techniques, à l’issue de la consultation professionnelle de 2000, la France a décidé de viser les 75% d’utilisateurs qui ne reçoivent que les six chaînes analogiques. Les programmes en clair (« Free to Air ») s’appuient sur la norme MPEG2. On privilégie le nombre de programme et la réception fixe, en effet les paramètres de modulation choisis favorisent le débit au détriment des mécanismes de protection des données.

» La réception fixe s’effectue à l’aide d’une antenne de toit conventionnelle. Dans la majorité des cas, aucune intervention sur l’antenne n’est requise, seul l’adaptateur est nécessaire.

» La réception portable est possible grâce à une antenne intérieure posée sur le téléviseur voire intégrée à ce dernier. Elle permet de s’affranchir du câblage (ex : TV secondaire) et est facilitée par la présence d’émetteurs en périphérie des grandes villes (Paris, Lyon, Toulouse). Elle devrait toucher 40% de la population à terme.

» Enfin, la réception mobile permet de recevoir les programmes en se déplaçant (ex : voiture). C’est la plus difficile à mettre en oeuvre. Elle a été expérimentée sur Paris à l’aide d’équipements spécifiques basés sur la diversité (des antennes).

La continuité de services déjà existant avec la TV analogique est assurée. On réutilise les sites de l’analogique avec un déploiement essentiellement en MFN (Multiple Frequency Network), fréquences distinctes pour un même multiplex sur les différents sites de diffusion, tout en minimisant le nombre de réaménagements de fréquences. Cette technique s’oppose aux SFN (Single Frequency Network) peu utilisé en France (seul le 107,7MHz sur la bande FM utilise ce procédé). On notera néanmoins que l’émission en SFN aurait simplifié la réception mobile car il n’y a pas de coupure lors d’un changement d’émetteur.

Normes de compression

Le gouvernement français a choisi d’adopter un compromis technique en lançant des chaînes gratuites au format MPEG-2 en mars 2005 et des chaînes payantes au format MPEG-4 prévues pour la période située entre septembre 2005 et mars 2006. Les chaînes gratuites, grâce à la norme MPEG2 déjà éprouvée, permet la commercialisation de décodeurs MPEG2 SD (Définition Standard) à bas coûts (60 euros). Pour les chaînes payantes, il existe la possibilité d’offrir à termes les chaînes en Haute Définition (HD) grâce au MPEG4 et TPS a annoncé être prêt à diffuser en MPEG4-AVC (H264).

Le DVB est une norme récente issue du standard ISO MPEG2. L’ELG (European Launching Group) apparaît en 1991 et devient groupe DVB en 1993. Initiative européenne, il répond aux problèmes de standardisation de la télévision analogique. Les standards de celle-ci ne sont pas uniformes et posent des problèmes de compatibilité entre eux.

Les publications des standards DVB par l’Union Européenne de Radiodiffusion débutent en janvier 1995 ; elles présentent les techniques basiques nécessaires pour l’implantation de transmissions TV numérique en Europe, Asie, Australie et dans de nombreux autres pays.

Le consortium DVB regroupe plus de 300 membres aujourd’hui et propose gratuitement en téléchargement ses normes sur le site de l’ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Ce succès repose en grande partie sur celui de la compression MPEG2 et de l’enthousiasme européen qui lui a permis de voir le jour. La norme DVB est très modulable proposant des solutions pour des émissions de flux audio, vidéo, de guides des programmes, du télétexte et possède également des moyens de transmettre des données en mode datagramme (réseaux IP Internet Protocol).

Le MPEG2 offre des moyens pour multiplexer de la vidéo et de l’audio en un flux de données unique comportant des estampilles temporelles. Ce flux est découpé en paquets de petite taille (fixée à 188 octets) dont l’intégrité est facilement contrôlable par des codes correcteurs. Le DVB-T intervient alors à ce niveau comme couche de transport de ces informations. Les différents flux : audio, vidéo et informations sont dissociés par le récepteur à l’aide de tables incluses dans le flux de transport.

A droite : vision en “couches” de la solution MPEG2-TS / DVB-T

Le détail de l’ensemble de ces mécanismes ne sera pas abordé ici car il dépasse le cadre de l’étude.

Coded Orthogonal Frequency Modulation (COFDM) est une forme de modulation particulièrement bien adaptée aux besoins des émissions numériques terrestres. COFDM reste performant même avec de forts niveaux d’interférences dus à la réception de signaux provenant de chemins multiples ou avec de grands décalages entre les différents signaux reçus. Cette technique peut être associée au concept de réseaux à fréquence unique, isofréquence, (SFN), où chaque émetteur émet sur des fréquences identiques produisant ainsi des chemins « multiples artificiels ». COFDM se comporte également très bien au regard des inférences inter-canaux, qui peuvent être générées par des services analogiques sur des canaux adjacents. Ce dernier point est important lorsqu’on sait qu’en France, les émissions TNT occupent les canaux tabous (définition et description dans le glossaire situé en fin d’annexes).

COFDM a été choisie pour deux nouveaux standards d’émission : DAB et DVB-T. Ces deux normes ont adapté cette technologie à leurs besoins. Les performances remarquables du COFDM vis-à-vis des chemins multiples et des interférences sont obtenues par un choix judicieux des paramètres et par une attention particulière portée aux mécanismes de correction d’erreurs mis en place.

Au début des années 60, les laboratoires Bell situés aux Etats-Unis, découvraient les techniques particulières de l’OFDM qui fut utilisé dans des applications militaires. Dans les années 80, le laboratoire français de recherche CCETT (Centre Commun d’étude en Télédiffusion et Télécommunication), centre de recherche du groupe France Télécom, a étudié un système de modulation suffisamment robuste et efficace pour transporter des données numériques : le « Coded OFDM » (COFDM).

Considérons, de façon utopique, que l’on émette des signaux sur une largeur de bande de 8 MHZ par exemple (largeur d’un canal TV), avec une puissance constante pour chacun d’eux sur l’ensemble de cette bande de fréquence. A la réception, ce signal aura perdu cette caractéristique d’uniformité, la représentation spectrale montrera des irrégularités, plus ou moins importantes sur l’intervalle considéré. La réponse d’un canal n’est pas identique pour chacune des fréquences qui le constitue. On dit que le canal est sélectif en fréquence. Des suppléments dus à des sommes de signaux (signal direct avec superposition des échos) et des trous d’énergie sont formés dans le spectre du canal à la réception.

La modulation COFDM apporte des solutions au problème que nous venons d’exposer. Cette caractéristique du canal n’étant pas constante dans le domaine temporel et fréquentiel, le COFDM découpe ces 2 dimensions en un très grand nombre de cellules. Les propriétés du canal peuvent être considérées comme constantes sur un intervalle de temps très court (quelques microsecondes). L’information est donc véhiculée par des milliers de porteurs, se logeant chacun sur une bande de fréquence étroite (quelques kHz maximum). Ces porteurs sont accompagnés d’un ensemble de mécanismes de prévention et de correction d’erreurs.

Le phénomène que nous venons de voir n’est pas constant dans le domaine temporel. Cependant, il peut être considéré constant pour un intervalle de temps très court (quelques centaines de microseconde). Dans le domaine fréquentiel, si l’on divise le canal en un très grand nombre de sous fréquences (plusieurs milliers), celles qui seront affectées durant la transmission pourront, grâce à des mécanismes de redondance et de correction d’erreur, être retrouvées. Ce sont ces deux concepts simples que le COFDM exploite.

Sur ce principe, les canaux de transmission terrestre sont découpés dans le domaine temporel et fréquentiel pour organiser le canal en un ensemble de « sous-bande de fréquence très étroite et un ensemble de courtes » tranches temporelles. Notre exposé reposera sur les paramètres utilisés dans la norme DVB-T.

Une « tranche temporelle » est appelée symbole OFDM et les différentes « sous-bandes » sont appelées porteurs.

Le signal transmis est organisé en trames. Chaque trame a une durée égale à T_F, et est constituée de 68 symboles. Quatre trames constituent une super-trame. Chaque symbole est constitué d’un ensemble de K=6817 porteurs dans le mode 8k et K= 1705 porteurs dans le mode 2k (nous ne considérerons plus désormais que le mode 8k qui correspond à un des paramètres français). Ces symboles sont divisés en 2 : une partie utile de durée T_U et un intervalle de garde qui dure Δ. Le tableau ci-dessous donne les valeurs numériques pour les paramètres OFDM pour le mode 8K (on note T la période de temps élémentaire).

Pour éviter des interférences « inter-porteurs » dues aux répliques retardées du signal original (écho), l’intervalle qui sépare deux porteurs est égal à l’inverse de la durée d’un symbole. Les porteurs sont alors orthogonaux. Si l’on reprend les paramètres utilisés ci-dessus, les porteurs sont espacés précisément de f_U=1/T_U (T_U représente la période « utile/active » du symbole), où T_U est la durée sur laquelle le récepteur intègre le signal démodulé. Les trames OFDM peuvent être représentées comme suit pour faciliter la compréhension.

L’importance des TPS (Transmission Parameter Signalling)

Les porteurs TPS sont utilisés comme indicateurs de paramètres du schéma de transmission, c’est-à-dire qu’ils indiquent les codages et types de modulation utilisés. Les TPS sont transmis sur 68 porteurs pour le mode 8K. Les porteurs TPS renseignent sur :

1. le type de modulation (constellation) utilisé incluant le paramètre α (nous reviendrons sur cette information)
2. les informations sur la hiérarchie
3. l’intervalle de garde
4. le taux de codage interne
5. le mode de transmission (2k ou 8k)
6. le numéro de la trame dans une super trame

Chaque symbole OFDM transporte un bit TPS, et chaque bloc TPS, correspondant à une trame OFDM, contient 68 bits.

La modulation COFDM étale les données transmises dans le domaine temporel et fréquentiel après avoir appliqué un codage convolutionnel sur les données transmises (protection).

Des atténuations apparaissant sur des porteurs adjacents, les données sont mélangées et étalées sur l’ensemble du canal afin qu’une trop longue succession de bit de données contiguës (dans le signal en bande de base) ne soit pas affectée. Ce phénomène est connu sous le nom d’entrelacement de fréquence (« frequency interleaving »).

Pour démoduler correctement le signal, le récepteur doit l’échantillonner durant la période utile du signal du symbole OFDM. Sur ce principe, une fenêtre de temps pour l’acquisition du signal doit être placée de manière judicieuse en considérant l’instant où chaque symbole OFDM arrive. C’est pourquoi, en supplément des données transmises, une trame OFDM contient :

• des cellules pilotes dispersées
• des porteurs pilotes répétés
• des porteurs TPS

Les pilotes peuvent être utilisés pour la synchronisation des trames, synchronisation en fréquence, synchronisation temporelle, identification du mode de transmission et peuvent aussi être utilisés pour suivre le « bruit de phase ».

Ci-contre : Insertion des pilotes

(Illustration Gérard FARIA-ITIS France)

Ces blocs TPS ont une très grande importance. En effet, c’est cette information que les démodulateurs exploitent pour se reconfigurer et décoder les informations du canal. Les fonctions bas niveaux mises au point pour le pilotage des démodulateurs (chapitre Démodulateurs …) permettent de récupérer ces informations.

Note : la valeur α définit la modulation basée sur l’espace des « nuages » d’une constellation QAM. Ceci s’applique à la spécification de schéma uniforme et non-uniforme de modulation, sur les modes QPSK, 16-QAM et 64-QAM.

Ces différentes caractéristiques (découpage des canaux, codage des données, intervalle de garde et insertion de marqueur) constituent les caractéristiques élémentaires de la modulation COFDM. Cette sécurisation de l’information se fait malheureusement au détriment du débit utile sur le canal. Cependant, la norme DVB-T donne de grandes libertés sur le choix des paramètres, le compromis débits/robustesse devant être considéré sur l’application envisagée.

Ci-dessus : Constellations QPSK, 16 et 64 QAM uniformes

(Illustration construite à partir des figures page 22 du document ETSI EN 300 744 V1.5.1 (2004-22 11))

Pour superposer les données sur les symboles OFDM, chaque porteur doit être modulé individuellement en respectant une des trois constellations du standard DVB-T.

Ainsi, selon la constellation choisie, 2 bits (QPSK (glossaire)), 4 bits ou 6 bits (64 QAM) sont transportés sur chaque porteur. Chaque constellation est plus ou moins robuste, si l’on considère le rapport C/N (Channel/Noise) minimum tolérable. Ceci est logique. Pour le QPSK, il suffit de voir que le bruit peut remplir un cadran, le code sera retrouvé (figure ci-contre). On peut ainsi dire grossièrement que la modulation QPSK est 4 à 5 fois plus tolérante au bruit qu’une constellation à 64 QAM.

La modulation hiérarchique peut être vue comme la séparation du canal RF en deux circuits virtuels, chacun ayant des débits, une résistance et une zone de couverture différents.

to be continued...