Digitálna televízia, teória a prax

prof. Ing.Stanislav Marchevský, CSc.Ing. Ľudmila Maceková, PhD.

Park Komenskeho 13, Košice

Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikáciíFakulta elektrotechniky a informatikyTechnická univerzita v Košiciach

stanislav.marchevsky@tuke.skludmila.macekova@tuke.s

Kurz „DVB“ pre pracovníkov Slovak Telekom, Košice, 13.-15.12. 2010

Osnova

História: Od analógovej TV k DVBEurópska iniciatíva Porovnanie analógovej a digitálnej TVSDTV, EDTV, HDTV, farebné štandardyŠpecifikácie DVB-T,S,C, vrstvy DTVKompresné štandardy pre DTV (MPEG 2, -4)Americká a japonská DTV

Mobilná DTV, DVB-HSlužby v DTV, MHPIPTV, HTML

V prezentácii sa často budú opakovať skratky:

TV – televízia

DTV – digitálna televízia alebo

DVB – z anglického názvu Digital Video Broadcasting, čo voľne prekladáme tiež ako digitálna televízia

DVB-T – Terrestrial – pozemná DTV

DVB-C – káblová DTV

DVB-S – satelitná digitálna televízia

História: od analógovej TV ku DVB

1923 - prvé televízne pokusy v USA –– Vladimir Zworokin – prenos obrazu pomocou elektróniek

1931 – prvé pokusné TV stanice v USA

1939 – začiatok hromadnej výroby televíznych prijímačov; prenos zo slávnostného otvorenia svetovej výstavy prezidentom F. D. Roosveltom pre niekoľko stovák TV divákov v New Yorku

1941 - vysielanie prvej obchodnej reklamy z WNBT (dnes NBC, New York)

vojna a stagnácia

1945 – oživenie, 1946 – 6400 TV prijímačov v USA

1948 – začali prudko pribúdať nové TV stanice aj ďalší žiadatelia o licencie – muselo sa usporiadať frekvenčné spektrum z dôvodu vzájomného rušenia

História - pokračovanie

1962 – v USA 58 mil. zapojených TV prijímačov, v niektorých rodinách aj po dva a viac kusov, v každej izbe väčších hotelov, viac než telefónov

1953 – v bývalom Československu neexistovala samostatná inštitúcia, TV bola zaradená pod Čs. rozhlas, a mala za úlohu začať vysielať do 3 mesiacov – začalo sa 1.mája (socialistický Sviatok práce v Prahe)

1955 – spustenie 2. TV vysielača v Ostrave a činnosti 1. prenosového voza

ďalší vývoj, zdokonaľovanie, rozširovanie

1993 – rozdelenie ČSFR na 2 samostatné štáty- vznik samostatných verejnoprávnych aj viacerých súkromných televízií

1999 – 1. pilotný projekt vysielania digitálnej pozemnej TV (DVB-T) v SR – Bratislave – stagnoval pre nezáujem politikov

2004 – boli vypísané ďalšie 3 pilotné projekty DVB-T (Bratislava, B. Bystrica a Zvolen, Košice a Prešov

Ukončenie analógového vysielania vo väčšine eur.štátov sa predpokladá do r.2015

Európska iniciatíva

1992 - ešte existovali v Európe značne rozdielne prístupy európskych riešiteľských tímov (RACE, dTTb, HD-DIVINE,...

1993 - aliancia DVB Project (sídlo v Ženeve, Švajčiarsko) vydala svoj štatút - dokument „Memorandum of Understanding“ (MoU, Memorandum o porozumení) - približne 300 spoločností, pôvodne len európskych a súkromných, družicových a káblových spoločností, výrobcov televíznej techniky, v súčasnosti aj vládnych a mimoeurópskych inštitúcií - otvorená iniciatíva – MoU poslednýkrát aktualizovaný v roku 2010 - harmonizácia úsilia v oblasti vývoja DTV; špecifikácie pre prenosové systémy digitálnych médií, DVB-C – káblové systémy, DVB-S – satelitné, DVB-T pozemné, tiež bezdrôtový širokopásmový prístup (broadband wireless) typu MMDS, LMDS a pod., interaktívne služby, a podporné linky spájajúce túto európsku aktivitu s podobnými v iných častiach sveta.

Európska iniciatíva-pokračovanie

najprv rozvoj družicových systémov – DVB-S a káblových systémov DVB-C

1995 – schválenie predbežnej špecifikácie DVB-T

1988 – vznik Skupiny expertov pre spracovanie zvuku a obrazu MPEG (Moving Pictures Experts Group) – v rámc medzinárodných normalizačných organizácií ISO a IEC – definovanie normy pre digitálnu kompresiu obrazových a zvukových signálov

1993 – publikovanie normy MPEG-1 (ISO/IEC 11172) – neprekladané obraz.formáty a kódovanie obrazu do bitovej rýchlosti 1,5 Mbit/s

1994 – publikovaná norma MPEG- 2 (ISO/IEC 13818) – kódovanie obrazu s prekladaným riadkovaním, pre aplikácie s 5 až 10 Mbit/s; neskôr rozšírená o aplikácie HDTV / 15 až 30 Mbit/s

Systém DVB-T sa okrem Európy používa aj v Austrálii, N.Zélande, Singapúre, Indii, JAR a Kórei

Požiadavky kladené na nový typ televízie

-stúpajúci počet požiadaviek prevádzkovateľov na prideľovanie frekvencií a zároveň „vyčerpanosť frekvenčného spektra pre TV

-požiadavka na možnosť sledovania TV v rýchlych dopravných prostriedkoch

- stúpajúce nároky divákov na kvalitu obrazu (rozmer, rozlíšenie), zvuku a ďalšie (- interaktívne) služby

- snaha o znižovanie energetickej náročnosti zariadení

Základné princípy a charakteristiky ANALÓGOVÉHO vysielania

TECHNICKÉ ASPEKTY PRECHODU

OD ANALÓGOVEJ TV KU DIGITÁLNEJ TV

Podstata: Obraz je pri snímaní aj pri reprodukcii v TV prijímači rozložený na riadky (viď obr. ďalej - napr. 625 riadkov v eur. TV normách).

Snímaný obraz a zvuk sú zvlášť premenené na spojité (analógové) elektrické signály (obrazový signál viď obr. ďalej) – tie modulujú vo vysielači vf-nosnú vlnu (väčšinou amplitúdová modulácia- AM pre obraz a frekvenčná pre zvuk -FM).

Modulovaný signál (TV signál) sa vysiela, a bezdrôtovo alebo káblovými systémami prenáša na väčšie vzdialenosti ...

Základné princípy a charakteristiky ANALÓGOVÉHO vysielania

Obr. Rozklad obrazu na 625 riadkov a spätné behy zatemneného elektrónového lúča v CRT obrazovke, prekladané riadkovanie – vykreslenie najprv nepárnych r. (nepárna polsnímka), potom párnych r. (párna polsnímka),

Obr.: Skutočná dráha lúča v CRT-obrazovke (Cathode Ray Tube) na konci nepárnej polsnímky, počas „snímkového“ (polsnímkového) spätného behu a na zač. párnej polsnímky (viac zatemnených riadkov – prenášajú iné informácie, nie o obraze)

riadok a)

riadok b)

riadok c)

Obr. Ilustrácia vzniku el.obrazového signálu

riadok a)

riadok b)riadok c)

čierna

čierna

čierna

biela

sivá

sivá

sivá

Obr. Ilustrácia vzniku el.obrazového signálu

napätie U [V]

riadkový zatemňovací impulz

riadkový synchronizačný impulz

čas [mikrosec.]

Farba v TV obrazePrvé TV signály boli len jasovéPrvé TV signály boli len jasovéV rokuV roku 1975 1975 bol pridaný bol pridaný farebný farebný systém systém PALPAL

Farebný „burst“ (9-11 periód Farebný „burst“ (9-11 periód nemodulovanej farbonosnej) nanemodulovanej farbonosnej) na zadnej zadnej časti zatemňov. impulzučasti zatemňov. impulzu

aa IQ IQ modulácia informácií o farbemodulácia informácií o farbe

Obr. 2 riadky TV signálu s farebnou moduláciou PAL

Obrazové spektrum = jasové + chrominančnéPríklad- norma PAL:

• Nosná frekvencia farby je 4.43361875 MHz

• Spektrum jasu a farby sú navzájom preložené

(fF=283,75 fH)

• účinné využitie spektra

TELEVÍZNY KANÁL n

napr.7 MHz v norme B

Nosná frekvencia obrazu

PAL

Nosné frekvencie zvuku

TELEVÍZNY KANÁL n+1

Obr. Obr. 2 susedné analógové TV kanály 2 susedné analógové TV kanály

Farebný kanál okolo nosnej

farby

Rozdelenie frekvenčného spektra pre televíziu Rozdelenie frekvenčného spektra pre televíziu

... atď.

Rozdelenie pozem.TV pásiemNormy CCIR-D,K,B,G (Európa)• VHF pásmo I - kanály 1,2: 48,5- 66 MHz (D)• VHF pásmo II – už sa nepoužíva pre TV• kábelové pásmo- S-kanály, 110-170 MHz (B)• VHF pásmo III kan. 6-12, 174 - 230 MHz (D)• kábelové pásma Superband (230-290MHz) a

Hyperband (302-470MHz) (G)

• UHF pásmo IV, kan. 21-34, 470 - 582 MHz (G,K)• UHF pásmo V , kan.35-69, 582 – 862 MHz

(G,K)

• Odlišné šírky TV kanálov vo svete– USA / Japonsko 6 MHz

– Austrália 7 MHz

– Európa 8 MHz

2828

2828

2828

3030

30302929

2929

3131

3131 3232 3333 3434 3535

3535

35353434

34343333

3333

3232

3232

313130302929

NORMA TV signálu

Všetky parametre – časové, frekvenčné a amplitúdové - TV signálu podliehajú TV norme. Súčasťou noriem je aj spôsob „kódovania“ farby (PAL, SECAM, NTSC).

TV noriem je viac (B,G, D, K, ...) a TV prijímače musia byť skonštruované na ich príjem

(ukážka niektorých parametrov rôznych TV noriem na ďalšej strane)

Normy TV vysielania

NormaPočet

riadkov

Snímková

frekvencia [Hz]

Šírka pásma [MHz]

Šírka obrazu [MHz]

Posun zvuku [MHz]

Postranné

pásmo [MHz] Polarita

Modulácia zvuku

Poznámky

[A] 405 25 5 3 −3,5 0,75 + AM UK

B 625 25 7 5 +5,5 0,75 − FM Európa

[C] 625 25 7 5 +5,5 0,75 + AM Belgicko

D 625 25 8 6 +6,5 0,75 − FM Európa

[E] 819 25 14 10 ±11,15 2,00 + AM France

[F] 819 25 7 5 +5,5 0,75 + AMBelgie, Lux.

G 625 25 7 5 +5,5 0,75 − FMUHF/ Europa

[H] 625 25 8 5 +5,5 1,25 − FMBelg.,Lux...

I 625 25 8 5,5 +5,9996 1,25 − FMUK, Irsko...

J 525 29,97 6 4,2 +4,5 0,75 − FM Jap.

K 625 25 8 6 +6,5 0,75 − FMUHF-Eur.

K’ 625 25 8 6 +6,5 1,25 − FMFranc.zámorie

L, L' 625 25 8 6 +6,5 1,25 + AM France

M 525 29,97 6 4,2 +4,5 0,75 − FMAmeriky, ...

N 625 25 6 4,2 +4,5 0,75 − FM

J. Amerika...

Vývoj smerom k lepším parametrom obrazu aj zvuku pokračoval...

SDTV - pôvodná

nové: EDTV HDTV

SDTV - pôvodná

nové: EDTV HDTV

• Pôvodný a ešte stále existujúci televízny zobrazovací systém• V jednom (6 až 8 MHz) TV kanáli sa môže prenášať len 1 program značné nároky na

frekv. spektrum• 4:3 obrazový pomer strán, prekladaná snímka• 625 riadkov - 720 bodov/r. x 576 zobrazených riadkov, 50 polsnímok/sek., 25

snímok/sek. (Austrália, Európa); 525 riadkov - 704 bodov x 480 zobrazených riadkov, 60 polsnímok/sek., 30 obrázkov/sek. (USA, Japonsko)

• Degradácia signálu pri zlej viditeľnosti na vysielač a pri mnohocestnom šírení (tzv. „duchovia“ v obraze)

• Počas pohybu (v automobile) nekvalitný až nemožný príjem signálu; kvalita príjmu je zabezpečená len s pevne umiestnenou anténou

• Vysielače s pomerne vysokým vyžiareným výkonom potrebné pre pokrytie územia

• Susedné vysielače nemôžu vysielať na rovnakých frekvenciách (vzájomné rušenie) značné nároky na frekv. spektrum

SDTV - Standard Definition Television-Televízia so štandardným rozlíšením

(zhrnutie – aj nevýhody )

EDTV – Enhanced Definition TelevisionEDTV – Enhanced Definition Television

• Prechodný krok k HDTV

• Dvojitá skenovacia rýchlosť – znižuje blikanie

• Progresívne skenovanie

• Dvojnásobok riadkov na obrázok - prepočítané

• Spracovanie obrazu – zrušenie duchov

• Širší pomer strán - 16:9

• Multikanálový zvuk

- Televízia so zlepšeným rozlíšením

HDTV - High Definition Television HDTV - High Definition Television

• Nie je konkrétne definované – veľa systémov - najprv analógové, teraz digitálne

• Systém s vyšším obrazovým rozlíšením• Viac ako 1000 riadkové rozlíšenie• Obraz s nižším skreslením• Väčší obraz pre lepší rozhľad• Širší pomer strán pre využitie periférneho videnia• Progresívne riadkovanie namiesto prekladaného

- Televízia s vysokým rozlíšením

Digitalizácia TV signálu

Vzorkovanie (potom kvantizácia) a kódovanie analógového signálu – podľa štandardu ITU-T BT.601

Digitalizácia signálu

signál zakódovaný pomocou „0“ a „1“ – vhodný pre číslicové / počítačové spracovanie

možnosť kompresie dát a umiestnenie 4, 5 aj viacerých kanálov do pôvodných analógových (tzv. kontajner alebo multiplex), pri rovnakej alebo lepšej kvalite obrazu a zvuku (až 5x viac obr. elementov oproti štandardnej TV, a možnosť prenosu aj viacerých než 2 zvukov) + prenos ďalších informácií a služieb (EPG – elektronický programový sprievodca, zábava, obchod, interaktívna televízia, ...)

pružná voľba kvality obrazu a zvuku (vrátane kvality HDTV)

neexistuje problém s „duchmi“ a zašumením („iba“ s výpadkami dát ), stabilita obrazu (žiadne chvenie hrán a blikanie riadkov)

vysoká bezpečnosť metód kódovania pre platené služby

Digitálna televízia – vlastnosti a výhody

možnosť znížiť vyžiarený výkon vysielačov (pre dokonalý príjem je požadovaná nižšia úroveň signálu)

možnosť budovania 1-frekvenčnej siete SFN (susedné vysielače môžu vysielať na rovnakej frekvencii; nerušia sa, ale podporujú vďaka prenosovej metóde) ďalšie ušetrenie spektra

možnosť používať prenosné prijímače s jednoduchými anténami a mobilné prijímače v dopravných prostriedkoch

Pokračovanie

Nevýhody:

-investičné – na vysielacej a prijímacej strane

- kým analógový signál môže byť postupne degradovaný, a ešte stále možeme mať obraz aj zvuk, digitálny príjem je väčšinou buď kvalitný alebo žiadny

DVB

DVB-S,C,T

obr. – zdroj: Hewlett Packard

DVB – Digital Video Broadcasting – Digitálna televízia

Štandard DVB je určený na digitálny prenos obrazu, zvuku a dát k divákovi družicovým, káblovým a pozemným vysielaním (DVB-S, C, T)

Pre všetky uvedené médiá sú spoločné princípy a vlastnosti kódovania v základnom pásme – viď ďalej.

Základné princípy: 1. Vznik DVB signálu

Postupne:• digitalizácia el. signálov obrazu a zvuku • redukcia, resp. kompresia dátového toku – MPEG-2 a pod. (využitie korelácie

susedných obrazových prvkov v snímke aj medzi snímkami, odstránenie redundancie a irelevancie...)

• zlúčenie viacerých programov a iných služieb do 1 balíka (multiplexu, kontajnera)

• vytvorenie ochrany dátového toku rôznymi metódami kódovania a tzv. prekladania (interleaving)

• aplikovanie technológie OFDM (modulácia tisícok ortogonálnych nosných – možnosti „2k“ – 1705 nosných, alebo „8k“ – 6817 nosných)

• každá nosná z OFDM systému je modulovaná digitálnou moduláciou QPSK alebo QAM

• vloženie ochranného intervalu• vysielanie

Obr. Vznik DVB signálu [3]

Základné princípy:2. Spoločné vlastnosti DVB-S,C,T

•Obrazové a zvukové dáta sú komprimované podľa štandardov MPEG-2 alebo MPEG-4

•Kanálové kódovanie FEC1 (vonkajší ochranný kód – blokový Reed-Solomonov kód)

•Kanálové kódovanie FEC2 (vnútorný ochr. kód – konvolučný kód + Interleaving) – iba pri DVB-S, T

•Spoločný kryptovací systém pre podmienený prístup k službám DVB

•Scramblovanie dát pomocou pseudonáhodnej postupnosti pre zrovnomernenie spektra signálu

•Spoločný systém služobných informácií (SI) o práve vysielanom programe

Základné princípy 3. odlišnosti DVB-S,C,T

Systémy sa líšia vonkajšími modulačnými metódami:

•QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) – DVB-S

•QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - DVB-C

•OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-DVB-T

Dôvody odlišnosti:

•rôzne šírky frekvenč. pásma

•úrovne skreslenia a rušenia v prenosovom kanáli

•rôzne limity vyžiareného výkonu

•nízky vysielací výkon, veľká šírka pásma, zanedbateľný vplyv viacnásobného príjmu (čiže odrazov)

•1 transpondér družice vysiela 4-6 TV kanálov

•FEC1 (vonkajší ochrannný RS-kód)

•FEC2 (vnútorné konvolučné kódovanie s voliteľným kódovacím pomerom)

•základná chybovosť BER (Bit Error Rate – pomer počtu chybných bitov ku celkovému počtu) – 10-10 až 10-11

•dig. modulácia QPSK s Grayovým kódovaním

•bitový tok pre transpondér so šírkou pásma 33 MHz a s FEC2 ¾ asi 39 Mbit/s

•od roku 1994 štandardizovaný normou ETS 300421

Základné princípy -špecifikácie DVB-S (Satellite)

obr. zdroj: http://www.youcartooned.com

•rovnaká šírka pásma ako pri pozemnom vysielaní DVB-T, nízka úroveň rušenia (preto bez FEC2) – 6, 7 alebo 8 MHz

•FEC1 (vonkajší ochranný RS-kód)

•digitálna modulácia 64-QAM (64 stavová)

•bitový tok pre 64-QAM asi 35 Mbit/s

•od r. 1994 štandardizovaný normou ETS 300429

Základné princípy -špecifikácie DVB-C (Cable)

obr. – zdroj:http://columbiaisa.50webs.com

Digitálne televízne vysielanie cez káblové distribučné siete, alebo cez systémy MMDS – Multichannel Multipoint Distribution System (tzv. bezdrôtová káblovka , v pásme 2,2 - 2,3 (2,1-2,3) GHz alebo 2,5 - 2,7GHz) a novšie MVDS – Microwave Video Distribution System“ .

•veľký vysielací výkon, úzky frekvenčný kanál (v porovnaní s DVB-S), výrazný vplyv rušení (hlavne odrazy a ISI – Inter Symbol Interference - viď teória OFDM a QAM), veľká chybovosť

•FEC1

•FEC2

•digitálna modulácia OFDM malá citlivosť voči mnohocestnému šíreniu

•využitie princípu IDFT (Inverzná Diskrétna Fourierova transformácia) a modulácie QAM alebo QPSK

Základné princípy -špecifikácie DVB-T (Terrestrial)

obr. – zdroj:http://www.migsmobile.net

MPEG-2

kompresné kódovanie videa, zvuku a dát

Vrstvy systému MPEG-2(vznik transportného reťazca)

kódovanie MPEG-2

kódovanie MPEG-2

Paketovanie

Paketovanie

PaketovanieMultiplexerZdrojový

zvuk

Zdrojové video

Nekomprimovaný reťazec

Zdroj dát

MPEG-reťazec

Transportný reťazec MPEG-2

PES (Packetized Elementary Stream)

Metódy kompresie videa:

-využitie podobnosti obrazových dát v rámci 1 snímky –neprenáša sa informácia o všetkých dátach, len o skupinách dát...

-využitie podobnosti dát susedných snímok v obrazovej sekvencii – neprenášajú sa komplené informácie o všetkých snímkach, len o referenčných snímkach a o rozdieloch priľahlých snímok vzhľadom k referenčnej (snímky I,P,B...)

-kosínusová transformácia

-Huffmannovo kódovanie

Pozri obr. ďalej.

Obr. Metódy MPEG-kompresie videa [4]

skupina podobných snímok v sekvencii(GOP)

MPEG-4

Kompresný štandard

Presnejšie H.264 /MPEG-4 part10, AVC

H.264 H.264

• vyvinutý skupinou Joint Video Team (JVT) – ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) – ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG)

• označovaný MPEG-4 Part 10, Advanced Video Coding (AVC)• medzinárodný štandard od roku 2004• stratový video kodek• znižuje veľkosť video záznamu s minimálnym dopadom na kvalitu

zaznamenaného obrazu

• dôvod vývoja – dosiahnutie efektívnejších kompresných metód v porovnaní s

predchádzajúcimi štandardami zdrojového kódovania videa MPEG-1, MPEG-2, H.263

Metódy zdrojového kódovania a dekódovaniaKompresia

• zužovanie dátového toku• 4 základné bloky: predikcia, transformácia,  kvantovanie transformačných

koeficientov,  entropické kódovanie Dekompresia• Inverzné časti ako kompresia: blok dekódovania inverzná transformácia, inverzná

predikcia a rekonštrukčný filter • na výstupe dekodéra je žiadaná video signál

Predikcia TransformáciaKvantovanie

transformačnýchkoeficientov

Zdrojový video signál Kódovanie

Vysielanie alebo uloženie v syntaxe

H.264

DekódovanieInverzná Transformácia

Inverzná predikcia

Výstupný video signál

Rekonštrukčný filter

Predikcia

• predpoveď hodnoty obrazového prvku

• využíva všeobecne silnú vnútrosnímkovú a medzisnímkovú koreláciu (podobnosť) vo videu

• 2 typy: – Vnútrosnímková – Medzisnímková

• nahradzuje obrazový prvok rozdielovou zložkou

• H.264 pri predikcii viac flexibilný ako predchádzajúce kodeky – presnejšia predikcia a vyššia

kompresia

MPEG-4 - Výhody oproti starším štandardom– lepší kompresný pomer– zvýšená odolnosť voči chybám– flexibilnejší– menší nárok na dátovú rýchlosť (3 až 4x)

Nevýhody

• nároky na výpočtový procesor kodéra aj dekodéra – zložitejšie algoritmy kompresie ako iné štandardy

• kódovanie v reálnom čase– potrebné pre streaming videa

• dostupnosť a cena dekódovacích zariadení

Postupne sa strácajú

Systémy DTV používané v USA a Japonsku

USA – systém ATSC:- zdrojové kód.obrazu MPEG-2- rovnaké protichybové zabezpečenie kanálového kódovania ako

v Eur.- modulácia 8VSB = osemstavová dig. amplitúdová mod.jedinej

nosnej vlny s potlačeným postranným pásmom, 6 MHz, 19,3 Mbit/s, „near HDTV“

Japonsko - ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) -všetky služby v 1 kanáli, ktorý môže byť šírený všetkými uvedenými systémami

- modulácia COFDM (Coded OFDM)

Literatúra[1] Memorandum of Understanding further amended and restated for the development of harmonised Digital Video Broadcasting (DVB)services based on European specifications. The statutes of the DVB project, DVB Project Office, c/o EBU, GE, Switzerland, 2010[2] M.Legíň: Digitální technika DVB-T, Praha, 2006

[3] N.Pickford:Dig. Televisionbradcasting, Comm.Laboratory, Univ. of Camberra, Australia

[4] Hewlett Packard: MPEG-2.The Basis of How It Works