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• Collaborateur de cet article

• Philippe Aubé Premier chef, Ingénierie de transmission

La télévision numérique (TVN) mobile est une technologie qui permet à de petits appareils portatifs (p. ex. téléphones intelligents, tablettes, dispositifs d’affichage dans les automobiles) de recevoir des signaux de télévision numérique par voie hertzienne. En Amérique du Nord, la norme ATSC M/H (les lettres M/H désignant Mobile/Handheld) a été adoptée pour la TVN mobile et est compatible avec les normes et l’infrastructure de diffusion existantes de la TVN. On peut ajouter un ou plusieurs services de TVN mobile à un canal de TVN existant en attribuant aux nouveaux services mobiles une partie de la bande passante du canal principal.

Figure 1 – Exemples de récepteurs de TVN mobile

En d’autres termes, cette nouvelle technologie utilise les ondes radio réservées aux diffuseurs de télévision numérique plutôt que celles qui ont été attribuées à la téléphonie cellulaire. Contrairement aux services courants qui utilisent la diffusion en continu, la TVN mobile permettra aux utilisateurs de visionner des émissions locales et nationales en direct, sans utiliser un seul octet du forfait de données de leur service cellulaire.

La figure 1, à titre d’exemple, montre un iPad et un iPod Touch utilisant une clé électronique (ou « dongle »)^[i] pour recevoir un signal de TVN mobile, ainsi qu’un téléphone intelligent Galaxy S LightrayMC^[ii]4G avec récepteur de TVN mobile intégré.

Essais et mesures sur le terrain

On a procédé à des essais et à des mesures sur le terrain afin d’évaluer le potentiel de cette technologie du point de vue de la couverture et de la robustesse. Pour la durée des essais, des équipements de transmission de TVN mobile ont été installés sur l’émetteur de TVN de CBLFT-DT de la Tour CN à Toronto et sur l’émetteur de TVN de CBMT-DT à Montréal. Bien que des essais aient été effectués dans les deux villes, les mesures et les analyses les plus détaillées ont été faites à Toronto, et c’est pourquoi cet article traite principalement de ces dernières. Le rapport complet est disponible ici (document disponible en anglais uniquement).

Les objectifs des essais et des mesures sur le terrain étaient les suivants :

• Évaluer l’impact de diverses configurations de correction d’erreurs sans voie de retour (forward error correction, ou FEC) sur la couverture;
• Déterminer les meilleurs paramètres pour établir des algorithmes de prédiction réalistes dans nos outils logiciels d’analyse de la couverture de la TVN mobile;
• Recommander des configurations de FEC optimales répondant aux besoins de CBC/Radio-Canada pour les installations futures;
• Accroître notre expertise concernant cette nouvelle technologie.

Exigences en matériel

Trois autres éléments de matériel sont nécessaires pour diffuser la TVN mobile à partir d’une installation de TVN existante : un codeur MPEG-4 qui convertit et comprime le signal à la norme appropriée (profil de base H.264 et résolution de 416 x 240 pour la vidéo, et norme HE AAC v2 pour l’audio), un multiplexeur ATSC M/H qui intègre le signal ATSC M/H au flux principal ATSC et, enfin, une excitatrice compatible ATSC M/H à des fins de post-traitement et de modulation.

La figure 2 montre un schéma de base de la diffusion ATSC M/H. Les rectangles jaunes représentent le matériel de TVN existant et les rectangles verts représentent le matériel ATSC M/H. Les équipements correspondants sont indiqués pour la configuration de Toronto (matériel du fabricant Rohde and Schwartz) et celle de Montréal (matériel du fabricant Harris).

Figure 2 – Schéma de la TVN mobile : Toronto et Montréal

D’autres équipements non liés à la norme ATSC peuvent être utilisés pour ajouter des fonctions comme la météo, des données financières, des flux de nouvelles, de la publicité, de l’information sur la circulation et divers autres types de métadonnées. La figure 3 montre un écran de TVN mobile à Montréal avec certaines de ces fonctions de métadonnées additionnelles. La disposition de l’écran est personnalisable et peut être modifiée pour répondre aux besoins du radiodiffuseur.

Figure 3 – Écran de TVN mobile montrant les fonctions de métadonnées (exemple de service de TVN mobile à Montréal)

Robustesse du signal

La robustesse du signal est essentielle à la TVN mobile. Pour obtenir la robustesse nécessaire à une réception mobile, deux méthodes de correction d’erreurs sans voie de retour (FEC) ont été mises en œuvre dans la norme ATSC M/H : le contrôle de redondance cyclique Reed-Solomon (RS-CRC) au niveau de la couche paquet et le codeur convolutionnel concaténé en série (SCCC) au niveau de la couche physique. On obtient diverses configurations de FEC en faisant varier les paramètres de ces méthodes, et chaque configuration a un impact sur la robustesse du signal de TVN mobile et la bande passante nécessaire. Un signal de TVN mobile très robuste entraînera une plus grande couverture, mais exigera généralement plus de bande passante. Puisque la bande passante est partagée entre la TVN mobile et les services de TVN principaux, plus la TVN mobile utilise de bande passante, moins il y en a de disponible pour le service de TVN principal traditionnel.

Figure 4 – Répartition de la bande passante pour les configurations mises à l’essai

Configurations mises à l’essai

Au total, quatre configurations de FEC différentes ont été mises à l’essai durant la période des mesures. Une analyse minutieuse des différentes configurations a clairement montré que l’utilisation du codeur RS-CRC permettrait d’améliorer la fiabilité des signaux de TVN mobile avec peu de besoins en bande passante. On a pu éliminer de nombreuses lacunes de couverture après avoir accru de 24 octets à 48 octets le réglage de correction d’erreurs RS-CRC. La méthode SCCC a elle aussi un effet majeur sur l’amélioration de la couverture, mais elle exige davantage de bande passante. La conclusion retenue est qu’on devrait toujours régler le codeur RS-CRC à 48 octets en guise de première étape, et ensuite amplifier l’effet du codeur SCCC si l’on veut améliorer la couverture encore davantage. En modifiant les paramètres du codage RS-CRC et du turbocodeur, on peut obtenir différentes configurations plus ou moins robustes exigeant plus ou moins de bande passante.

La figure 4 montre la répartition de la bande passante pour chaque configuration mise à l’essai. Elle indique la portion du canal attribuée à la charge utile ATSC M/H, à la FEC ATSC M/H et au service principal ATSC. Le débit du service principal ATSC ne devrait pas être inférieur à 13,5 Mbit/s, car une dégradation peut être observable si on le réduit davantage.

Figure 5 – Évaluation subjective en véhicule, configuration 4 (QQQQ RS48)

Évaluation de la TVN mobile dans un véhicule

Après avoir analysé les données provenant des essais, deux types de FEC ont été choisis pour répondre aux besoins des installations futures : la configuration 4 (QQQQ RS48), dans laquelle un seul service de TVN mobile par canal numérique est inclus, et la configuration 2 (HHHH RS48), dans laquelle deux services de TVN mobile sont intégrés à un canal numérique. La configuration 4 s’est révélée la plus robuste et la plus fiable parmi toutes les configurations essayées. Comme le montre la figure 5, dans la région de Toronto, la réception du signal était fiable de Burlington à Oshawa et jusqu’à Aurora au nord dans un véhicule en déplacement.

Évaluation à pied, à l’extérieur

L’évaluation subjective de la réception à l’extérieur et à pied a été faite au moyen d’un récepteur de TVN mobile RCA de 7 po. Le tableau 1 présente les résultats des mesures sous forme de pourcentage des emplacements. Le tableau vise simplement à montrer les configurations ayant donné le meilleur rendement. Comme prévu, la configuration 4 est la plus robuste, avec 83 % des emplacements qui reçoivent un signal parfaitement clair.

Figure 6 – Évaluation subjective à pied, à l’extérieur

Toutes les configurations de FEC ont été essayées à chacun des emplacements, et les résultats sont présentés à la figure 6. Les résultats sont indiqués sous forme d’un graphique à barres et vont de la configuration la moins robuste (en haut) à la plus robuste (en bas). Les mesures ont été largement conformes aux prévisions, la configuration 4 donnant les meilleurs résultats de couverture et la configuration 1 se révélant la moins efficace. Les résultats des configurations 2 et 3 sont intermédiaires et relativement semblables. Pour certains emplacements, les résultats ont été moins bons que prévu, l’explication étant que ces emplacements n’ont pas de ligne de visibilité directe avec l’antenne de la Tour CN.

Figure 7 – Parcours à pied, centre-ville de Toronto

Un parcours à pied au centre-ville a également été effectué par nos ingénieurs au moyen du même récepteur de TVN mobile RCA de 7 po. Leur trajet est indiqué à la figure 7. Au fil de ce parcours franchi pour l’essai, on a observé que seule la configuration 1 subissait un blocage occasionnel. Comme ces manquements étaient difficiles à reproduire, on a retenu comme hypothèse principale qu’ils étaient dus à la forte circulation. Les véhicules en déplacement peuvent temporairement avoir un effet négatif sur la qualité du signal atteignant le récepteur. Toutes les autres configurations ont donné de bons résultats.

Évaluation à pied, à l’intérieur

Le même récepteur de TVN mobile RCA de 7 po a été utilisé pour une évaluation à pied à l’intérieur. De toute évidence, le fait d’être à proximité du site de l’émetteur accroît énormément la probabilité de capter le signal de la TVN mobile à l’intérieur. Le tableau 2 montre que la configuration 4 a obtenu un score parfait trois fois sur quatre, comparativement à moins d’une fois sur quatre pour les autres configurations.

La configuration 4 est donc celle qui offre la meilleure réception à l’intérieur. Tandis que la couverture offerte par la configuration 2 était bonne dans un véhicule et pour une réception à pied à l’extérieur, elle n’était pas aussi performante pour une réception à l’intérieur aux endroits éloignés de l’émetteur de la Tour CN. Toutefois, la configuration 2 exige la moitié de la bande passante que requiert la configuration 4, ce qui la rend idéale si l’on opte pour deux services ATSC M/H par canal numérique. De plus, avec ces deux choix de configuration, il ne devrait pas y avoir de dégradation observable du signal de TVN ATSC principal.

Analyse des seuils d’intensité de champ

Figure 8 – Lacunes de couverture comparativement au modèle Predict v3.21 avec un seuil d’intensité de champ de 56 dBuV/m et la configuration 4

Les essais et les mesures sur le terrain ont également permis d’établir les paramètres optimaux de notre logiciel de modèle de propagation et les seuils d’intensité de champ connexes. Ces seuils indiquent l’intensité minimale requise pour qu’un signal numérique puisse être décodé. Cette information sera utile pour planifier la couverture des futurs services de TVN mobile. Le modèle de propagation choisi est le CRC-Predict v3.21 avec seuil d’intensité de champ correspondant aux mesures dans un véhicule qui ont été validées durant les essais. La figure 8 montre que les lacunes de couverture prévues par le logiciel de simulation correspondent aux valeurs mesurées. Pour cet exemple particulier, on a déterminé que le seuil d’intensité de champ était de 56 dBuV/m avec la configuration 4, dans le cas de la réception par une antenne sur le toit du véhicule. Ce résultat est comparable à d’autres valeurs qu’on trouve dans la documentation sur les seuils et l’analyse de la couverture.

Conclusion

Les essais et les mesures de la TVN mobile à Toronto ont été les premiers réalisés par CBC/Radio-Canada pour évaluer et analyser la couverture offerte par cette nouvelle technologie. Diverses configurations de correction d’erreurs sans voie de retour ont été essayées dans le but de trouver celle convenant le mieux aux besoins de CBC/Radio-Canada. Avec la technologie actuelle de récepteurs, si l’on souhaite intégrer une seule émission de TVN mobile à un canal de TVN, la recommandation est d’utiliser la configuration 4 (QQQQ RS48). Celle-ci est de loin la plus robuste et la plus fiable, mais elle exige plus de bande passante que d’autres configurations moins robustes.

La technologie de TVN mobile offre aux radiodiffuseurs un autre moyen de transmettre le contenu aux vastes populations urbaines en utilisant le même émetteur de TVN, sans compromettre de façon notable la qualité du service de TVN principal. Au moment de rédiger ce rapport, plus de 130 services de TVN mobile étaient offerts aux États-Unis. De grandes villes comme New York, Los Angeles, Dallas et Atlanta comptent au moins cinq stations différentes diffusant un contenu de TVN mobile.

Pour l’utilisateur, la TVN mobile peut représenter une nouvelle plateforme média pratique et abordable, car de plus en plus d’abonnés de la téléphonie cellulaire visionnent des émissions transmises en continu sur leur appareil moyennant de coûteux forfaits de données. Pour le radiodiffuseur, l’offre d’un contenu de TVN mobile représente une valeur ajoutée par rapport au service de TVN existant. Comme le souligne l’Open Mobile Video Coalition, « la TVN mobile représente un important apport additionnel de revenus pour l’industrie de la radiodiffusion, ainsi qu’un nouveau moyen de joindre davantage de clients^[iii](traduction) ».

Remerciements

Les essais et mesures sur le terrain de la TVN mobile sont le résultat d’un effort d’équipe et un grand nombre de ressources des groupes suivants on contribué à leur succès : les groupes de Transmission, Nouvelles technologies de radiodiffusion et Télécommunications de CBC/Radio-Canada. Charles Rousseau, premier ingénieur, et Pierre-Alexandre Nolet, ingénieur junior, méritent un remerciement spécial pour avoir mené les essais sur le terrain, les mesures, l’analyse des données et la compilation d’un rapport très complet et détaillé.

Références

• Engineering Report ER12-041 – Mobile DTV (ATSC M/H) Field Testing and Measurements, par Pierre-Alexandre Nolet, ingénieur junior, et Charles Rousseau, premier ingénieur, CBC/Radio-Canada (rapport disponible uniquement en anglais)