Głębocki Zbigniew

IX sem. EiTz

Telewizja cyfrowa DVB- standardy emisyjne.

Przedmiot: Podstawy telewizji- wykład

Prowadzący: dr. inż. Leszek Augustyniak

1. Telewizja cyfrowa DVB.

Telewizja cyfrowa jest wtedy gdy transmisja sygnału telewizyjnego ma postać sygnału cyfrowego, który w takiej postaci dociera do odbiorników indywidualnych, np. odbiorników satelitarnych. Dzięki cyfrowej kompresji obrazu i dźwięku (w systemie MPEG-2 oraz MPEG-4) umożliwia przesłanie od 4- do 16-krotnie więcej programów telewizyjnych, niż w przypadku telewizji analogowej przy wykorzystaniu podobnego pasma.

Stosowanie techniki cyfrowej do przesyłania sygnałów telewizyjnych wymaga ustalenia parametrów wizyjnych standardu cyfrowego dla transmisji tak, aby jakość odtwarzanego obrazu nie była gorsza niż w przypadku transmisji w systemie analogowym. Kolejnym wymogiem było wykorzystanie do przesyłania sygnałów cyfrowych istniejącą już sieć transmisyjną . W porównaniu z sygnałami analogowymi sygnały cyfrowe mają szereg zalet ułatwiających ich transmisję. Przede wszystkim należy wymienić dużą odporność na szumy, zakłócenia oraz zniekształcenia drogi transmisyjnej. Ważną zaletą jest również możliwość wykrywania, zapobiegania i korekcji błędów transmisyjnych oraz regeneracji transmitowanych sygnałów cyfrowych. Największą wadą cyfrowych systemów jest konieczność stosowania szerszego pasma częstotliwości kanału transmisyjnego niż w przypadku systemów analogowych. Na świecie rozwój telewizji cyfrowej podąża zgodnie z podziałem, który istniał w telewizji analogowej. Podział ten można generalnie zdefiniować jako systemy amerykańskie (NTSC) oraz europejskie (PAL, SECAM). W Europie systemy telewizji cyfrowej (naziemnej, satelitarnej i kablowej) zostały znormalizowane w ramach projektu DVB (ang. Digital Video Broadcasting – Cyfrowa Telewizja Rozsiewcza).

W 1991 roku powstała grupa ELG (European Launching Group – Europejska Grupa Rozpoczynająca), w skład której wchodzili nadawcy programów telewizyjnych, producenci sprzętu elektronicznego i przedstawiciele organizacji standaryzujących. W 1993 roku grupa ta przyjęła nazwę DVB (ang. Digital Video Broadcasting). Jej głównym celem stało się opracowanie standardów telewizyjnych, które umożliwiłyby transmisję cyfrową programów telewizyjnych w sieciach satelitarnych (DVB-S), naziemnych (DVB-T) oraz kablowych (DVB-C). Założono wtedy, że standard DVB będzie wykorzystywał metodę kompresji obrazu i dźwięku określoną w standardzie MPEG-2 .

Podstawową zaletą systemu DVB jest fakt, że system ten jest maksymalnie ujednolicony dla wszystkich mediów przesyłowych. Obowiązuje tu zasada kontenera danych. Jest to miejsce w jednym kanale emisyjnym, traktowane jako pusty kontener, do którego można włożyć dowolną kombinację skompresowanych programów. Koncepcja ta oznacza takie zaprojektowanie kodowania kanałowego i modulacji, które zapewnią pseudo bezbłędną transmisję wszystkich rodzajów danych. Oznacza to, że możliwe jest przesyłanie w jednym kontenerze programów telewizyjnych (konwencjonalnych i wysokiej rozdzielczości), oraz programów radiowych. Możliwe jest również mieszanie tych programów, aż cały kontener się wypełni.

Jak już zaznaczyłem wcześniej w systemie tym przyjęto kompresję MPEG-2, w której blok informacji o przekazywanych programach (PSI – ang. Program Specific Information – specyficzna informacja programowa) uzupełniony został dodatkowym blokiem informacyjnym (SI – ang. Service Information – informacja serwisowa). Umożliwia on opracowanie jednolitego systemu szyfrowania nadawanych programów. We wszystkich standardach (DVB-S, DVB-C i DVB-T) stosowane jest wspólne zabezpieczenie przed błędami transmisji w pierwszym (zewnętrznym) stopniu.
Do tego celu wykorzystuje się kod Reeda Solomona (kodowanie zewnętrzne). Standardy te różnią się natomiast metodą modulacji i drugim (wewnętrznym) stopniem zabezpieczenia przed błędami transmisji.

Rys. Różnice w metodach modulacji w wybranych standardach transmisji

Jak to zostało zaznaczone na rysunku, w standardzie DVB-S stosowana jest modulacja QPSK, w DVB-C modulacja QAM 16-sto, 32-u lub 64-ro stanowa, natomiast w DVB-T modulacja OFDM z 1704 (2K) lub 6816 (8K) nośnymi. Dodatkowo w standardach DVB-T i DVB-S stosowane jest przeplatanie bitów i zabezpieczenie kodem splotowym przed błędami transmisji. W systemie DVB-C drugi poziom zabezpieczenia nie będzie stosowany.

Możemy wyróżnić następujące podsystemy DVB:

- DVB-S: system dla telewizji satelitarnej, wykorzystujący jako medium transpondery satelitów na częstotliwości 11/12 GHz, kanały o szerokości około 30 MHz i modulację QPSK

- DVB-C: system telewizji kablowej, wykorzystujący pasmo około 8 MHz i modulację QAM

- DVB-T: system dla telewizji naziemnej wykorzystujący modulację COFDM razem z QPSK i QAM, wykorzystuje pasmo 6 ÷ 8 MHz

- DVB-CS: system dla małych zbiorczych instalacji satelitarnych SMATV (ang. Satellite Master Antenna Television)

- DVB-SI: system przesyłania danych identyfikacyjnych (ang. Service Information – informacja serwisowa)

- DVB-RCC: kanał zwrotny dla instalacji kablowych

- DVB-M: system pomiarów dla DVB

2. Standard kompresji MPEG.

Standard MPEG (ang. Motion Pictures Expert Group) – grupa zajmująca się cyfrową transmisją ruchomych obrazów) opracowany został przez grupę niezależnych ekspertów i wkrótce stał się standardem w dziedzinie cyfrowego przesyłania i przechowywania obrazów ruchomych. MPEG to rodzina paru standardów (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7), definiujących kompresję sygnałów audio i wideo o różnych właściwościach. Ze względu na zastosowanie najbardziej interesuje nas standard MPEG-2.
Jest to uniwersalny standard, w którym zastosowano grupowanie danych w pakiety.

Wyróżnić można cztery główne obszary w których standard MPEG-2 znalazł zastosowanie:

- cyfrowy zapis wideo na nośnikach trwałych (DVD),

- cyfrowa, rozsiewcza transmisja satelitarna lub naziemna,

- cyfrowa transmisja w telewizji kablowej,

- cyfrowa telewizja wysokiej jakości HDTV.

Zastosowania te charakteryzują się różnymi wymaganiami jakościowymi i rozdzielczością. Dlatego definiuje się kilka tzw. profili, które mają odzwierciedlenie w wielkości strumienia wyjściowego.

Tabela. Poziomy kompresji i osiągane szybkości bitowe.

Profil	Szybkość bitowa	Parametry obrazu	Obszar zastosowań
Low	~ 4 Mbit/s	352 x 240 x 25	Telewizja kablowa i zapis na nośnikach trwałych
Main	~ 6 Mbit/s	720 x 480 x 25	Transmisja satelitarna
High-1440	~ 20 Mbit/s	1444 x 1152 x 25	HDTV
High	~ 50 Mbit/s	1920 x 1180 x 25	Produkcja filmowa

Kompresję sygnału w standardzie MPEG-2 przeprowadza się przy wykorzystaniu :

- korelacji przestrzennej opartej na dyskretnej transformacie kosinusowej DCT (ang. Discrete Cosinus Transformation), która umożliwia efektywne zakodowanie jednolitych lub nieznacznie różniących się między sobą fragmentów obrazu;

- kompensacji ruchu, która wykorzystuje fakt, że kolejne obrazy różnią się nieznacznie od siebie. Dzięki temu na podstawie bieżących obrazów można wyznaczyć następny obraz;

- właściwości ludzkiego oka – tak samo jak w technice analogowej, usuwana jest z obrazu część informacji nie powodując tym samym zauważalnego pogorszenia obrazu;

- właściwości statycznych obrazu i interpolacji, które pozwalają
na zmniejszenie przepływności binarnej sygnału.

W standardzie MPEG-2 cała sekwencja składa się z następujących
typów obrazu:

- obraz typu I (ang. Intra Pictures – wewnętrzny obraz) – wykorzystuje kodowanie wewnątrzobrazowe, czyli obliczenia wykonywane na elementach zawartych wewnątrz jednej ramki obrazu (ramka o wymiarach 8x8 pikseli wydzielona z całego obrazu). Obraz ten nie zawiera informacji z innych obrazów. Uzyskuje się w nim średni stopień kompresji. Obrazy te są używane okresowo w celu zapewnienia dostępu do strumienia danych zakodowanej sekwencji obrazów podczas jej dekodowania;

- obraz typu P (ang. Predicted Pictures – prognozowany obraz) – kodowane są z prognozowaniem międzyobrazowym z kompensacją ruchu na podstawie poprzedzającego obrazu P lub I. Uzyskuje się znaczny stopień kompresji;

- obraz typu B (ang. Bidirectional Pictures – obraz dwukierunkowy) – kodowany jest przy wykorzystaniu prognozowania dwukierunkowego z kompensacją ruchu. W tym przypadku należy dysponować obrazem wcześniejszym i późniejszym, albowiem następuje ich uśrednienie. Obrazy tego typu zapewniają najwyższy stopień kompresji i nigdy nie są stosowane jako odniesienie przy prognozowaniu innych obrazów.

Jak już to było zaznaczyłem wcześniej w standardzie MPEG-2 dane grupowane są w pakiety, z których każdy ma nagłówek określający jego początek i zawiera informacje niezbędne do prawidłowego odczytania. W pakietach można przesyłać wizję, fonię, dane komputerowe itp.

Rys. Schemat funkcjonalny kodowania strumienia programowego i przesyłowego w standardzie MPEG-2.

Pierwszym stopniem pakietyzacji jest tworzenie strumieni elementarnych PES (ang. Packetized Elementary Stream – spakietyzowany elementarny strumień). Są to skompresowane sygnały wizji, fonii lub danych z tylko jednego kodera źródłowego, uzupełnione odpowiednimi informacjami identyfikującymi oraz synchronizującymi. Pakiety PES (odpowiadające jednemu programowi telewizyjnemu, czyli wizja, jedna lub kilka fonii, dane – teletekst) gromadzi się w pakiety strumienia programowego PS (ang. Program Stream), a następnie dokonywane jest kodowanie tego strumienia. Strumień PS opracowany został dla zastosowań multimedialnych przetwarzających materiał lokalnie, czyli w środowisku o niskiej stopie błędów (małych zakłóceniach). Format strumienia PS został opracowany także dlatego aby zapewnić zgodność ze standardem MPEG-1. Pakiety PES mogą być również grupowane w pakiety strumienia przesyłowego TS (ang. Transport Stream), który jest stosowany do przekazu sygnałów multimedialnych w środowisku sieciowym, w stacjach telewizji naziemnej, kablowej i satelitarnej. Poprawny transport realizowany jest przez wprowadzenie informacji synchronizującej nadajnik i odbiornik (koder i dekoder). Informacja ta wyznacza poprawny czas dekodowania i prezentacji przekazywanego materiału filmowego. Strumienie transportowe TS umożliwiają mieszanie w jeden strumień wielu strumieni pochodzących z różnych źródeł. Strumień ten tworzą pakiety transportowe (ang. Transport Packets), które mają stałą długość 188 bajtów .

3.Podsumowanie.

Usługi dodatkowe jakimi telewizja cyfrowa oprócz jakości obrazu wygrywa z analogową to:

- informacje o nadawanych programach (EPG - Elektroniczny Przewodnik po Programach),

- automatyczne wyszukiwanie programów,

- kilka wersji językowych możliwych do wyboru na jednym kanale telewizyjnym,

- wybór trybu audio (mono, stereo, AC-3 itp.)

- napisy ekranowe

- kodowanie kanałów w celu ograniczenia kręgu uprawnionych odbiorców (telewizja płatna),

- telewizja interaktywna,

- przeprowadzanie ankiet, telebanking itp. dzięki kanałowi zwrotnemu,

- kontrola rodzicielska.