dr inż. Bogdan Uljasz Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Telekomunikacji ul. Gen. S.Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa tel.: 0-22 6837696, fax: 0-22 6839038, e-mail: bogdan.uljasz@wel.wat.edu.pl NOWOCZESNE METODY EMISJI UCYFROWIONEGO SYGNAŁU TELEWIZYJNEGO 1 Wprowadzenie Tempo rozwoju w technice cyfrowej zaowocowało powstaniem wielu metod cyfryzacji sygnałów fonicznych oraz obrazu nieruchomego i ruchomego. Obecne możliwości technologiczne pozwalają już na rejestrację i odtwarzanie sygnałów cyfrowych za pomocą niewielkich i nie skomplikowanych ze względu na użytkownika urządzeń. Nowoczesne metody kompresji, modulacji czy zabezpieczenia transmisji przed błędami pozwalają na przesyłanie sygnałów cyfrowych w wolnej przestrzeniu z coraz to większą przepływnością w stosunkowo wąskim paśmie częstotliwości. Systemy transmisyjne pozwalają na uzyskanie wysokiej wierności na wyjściu traktu telekomunikacyjnego. W artykule przedstawiono metodę tworzenia oraz postać sygnału emitowanego do wolnej przestrzeni. Omówiono parametry cyfrowego sygnału telewizyjnego w różnych miejscach traktu telekomunikacyjnego. W artykule porównano systemy transmisyjne dla różnych mediów transmisyjnych, jakie są wykorzystywane do emisji sygnału telewizyjnego. Artykuł ten przedstawia ponadto metody, z jakimi w obecnej chwili rozpoczęły się próby emisji cyfrowego sygnału telewizyjnego w telewizji naziemnej. 2 Dygitalizacja sygnału telewizyjnego Strumień danych binarnych dla sygnału nie skompresowanego Telewizji SDTV zgodnego z normą ITU-BT.R-601 wynosi 270Mbit/s. R G B Częst. próbkowania sygn. luminancji 13,5 MHz 5,75 Mhz Y Cb Cr A D A D A D 8/10 bitów Y 8/10 bitów Cb 8/10 bitów Cr 2,75 MHz 6,75 MHz częst. próbkowania sygn. chrominancji 270 Mbit/s ITU-BT.R 601 CCIR 601 Rysunek 1. Kamera z układem cyfryzacji obrazu 1 Ze względu na możliwości transmisyjne wskazane jest skompresowanie tego strumienia do wartości od 2 do 6Mbit/s. Obecnie w systemach telewizyjnych wykorzystywane są głównie dwie metody kompresji: MPEG-2 i MPEG-4. W standardzie MPEG-2 stosowana jest metoda stratna kompresji wizji. Metoda kompresji stosowana w standardzie MPEG-2 wykorzystuje: 1 Walter Fischer, Digital Television-A Practical Guide for Engineers, 2004
korelację przestrzenną - dyskretna transformata kosinusowa DCT; korelację czasową różne typy ramek; właściwości oka ludzkiego; właściwości statystyczne sygnału - w transmitowanym sygnale pewne symbole pojawiają się częściej, a inne rzadziej. Etapy kompresji MPEG-2: redukcja rozdzielczości z 10 do 8 bitów, pominięcie informacji związanych z wygaszaniem linii i pola, redukcja rozdzielczości kolorów (4:2:0), kwantyzacja za pomocą różnicowej modulacji PCM (DPCM), zastosowanie dyskretnej transformat cosinusoidowej ze współczynnikami, zastosowanie kodowania Zig-Zag z kodowaniem o zmiennej długości, zastosowanie kodowanie Huffmana. W standardzie MPEG-2 cała sekwencja podzielona jest na grupy obrazów GOP - rys. 2. Rysunek 2. Przykładowa struktura grupy obrazów GOP 1 Długość i postać GOP nie jest określona i może być zmienna w czasie transmisji obrazu. GOP składa się z trzech typów ramek obrazu. Przy kompresji ramki typu I (ang. Intra Frame) wykorzystywana jest korelacja przestrzenna. Ramki I są to tzw. ramki referencyjne. Ramki I są kodowane niezależnie od reszty danych wideo i zawierają informację pełną o obrazie. Ramki typu P (ang. Predicted Frame) są komprymowane przy użyciu jednokierunkowej kompensacji ruchu. Kodowanie ich jest na podstawie predykcji z ostatniej ramki I bądź P (tej, która była bliższa). Ramki P związane są z chwilami kwantyzacji DPCM pomiędzy ramkami referencyjnymi. Ramki typu B (ang. Bidirectional Predicted Frame) komprymowane przy użyciu. dwukierunkowej kompensacji ruchu. Ramki typów I i P to tzw. ramki kotwiczne dla ramek B. Ramki B kodowane są na podstawie predykcji z poprzedniej i następnej ramki kotwicznej. 1 Walter Fischer, Digital Television-A Practical Guide for Engineers, 2004
Rysunek 3 Koder ramki typu I 1 Rysunek 4 Koder ramki typu P 1 Poszczególne typy ramek stosowane w standardzie MPEG-2 zapewniają różne stopnie kompresji. Obrazy typu I zawierają pełną informację o obrazie. Obrazy typu B i P zawierają jedynie informacje o zmianach występujących względem obrazów odniesienia. 3 System przesyłowy sygnału cyfrowego W koderze standardu MPEG-2 skompresowane sygnały wizji, fonii i dodatkowych danych (np. teletekstu) są łączone w jeden sygnał cyfrowy. Na wyjściu kodera wizji i fonii znajdują się układy, które dzielą strumienie danych na pakiety elementarne PES (ang. Packetized Elementary Streams). Podział na pakiety elementarne PES może być dokonany w sposób prawie dowolny. Jedynym ograniczeniem jest maksymalna długość pakietu wynosząca 64 kb. Pakiet PES jest rozpoznawany na podstawie nagłówka, który zawiera: 3-bajtową sekwencję startową (00 00 01 hexa), 1-bajtowy identyfikator strumienia, do którego należy pakiet, liczba identyfikatorów strumieni została ograniczona do 32 dla fonii i 16 dla wizji; dzięki temu zagwarantowane jest, że w strumieniu danych nie powtórzy się sekwencja bajtów startowych nagłówka pakietu PES i identyfikatora strumienia, 2 bajty określające długość pakietu (stąd ograniczenie długości pakietu do 64 kb), 2 bajty flag sygnalizujących występowanie w nagłówku pól dodatkowych, z których najważniejsze są: znacznik czasu prezentacji PTS (ang. Presentation Time Stamp) i znacznik czasu dekodowania DTS (ang. Decoding Time Stamp). Pola te są wykorzystywane do synchronizacji dekodowania poszczególnych strumieni danych, 1 http://oceanic.wsisiz.edu.pl/~waskowie/telewizja_cyfrowa.htm
1 bajt określający długość nagłówka, pola dodatkowe, jeśli zostało to zaznaczone w bajtach nagłówków. Bezpośrednio po nagłówku znajdują się dane przesyłane w tym pakiecie. Standard MPEG-2 przewiduje stosowanie dwóch rodzajów multiplekserów: programowego (ang. Program Multiplexer) i transportowego (ang. Transport Multiplekser). W pierwszym przypadku sygnał wyjściowy kodera - strumień programowy (ang. Program Stream) jest tworzony przez zwykłe przeplatanie elementarnych pakietów danych należących do jednego programu telewizyjnego Strumień transportowy (ang. Transport Stream) tworzony jest tak, że elementarne pakiety danych PES są dzielone na mniejsze pakiety o stałej długości równej 184 bajty, przy czym w strumieniu transportowym mogą być umieszczane elementarne pakiety danych pochodzące z różnych programów telewizyjnych. Sposób podziału na pakiety strumienia transportowego jest ściśle określony. Dekodowanie strumienia transportowego MPEG-2 rozpoczyna się od wydzielenia z całego strumienia tablicy PAT. Na jej podstawie dekoder określa numery pakietów składające się na program, który ma być w tej chwili odbierany. Następnie ze strumienia transportowego wybiera tylko pakiety o odpowiednich numerach, pomijając wszystkie należące do innych programów. Pakiety odpowiadające poszczególnym strumieniom, z których składa się dobierany program, są grupowane w odpowiedniej kolejności, tak, aby odtworzyć elementarne pakiety danych PES. 4 DVB-T DVB-T jest wersją naziemną standardu opisującego transmisję sygnału telewizji cyfrowej. Standard naziemnej telewizji cyfrowej zostały opracowany dla pasma UHF. Dzięki DVB-T możliwe staje się pokrycie całego obszaru Polski za pomocą transmisji na jednym kanale telewizyjnym przy zastosowaniu dowolnej liczby nadajników. Ponadto odbiorniki DVB-T są odporne na efekt Dopplera i umożliwiają odbiór sygnału w ruchu. Według normy EN 300 744 system DVB-T wykorzystuje modulację OFDM (ang. Orthogonal Frequency Division Multiplex) wraz z QPSK (ang. Quadraure Phase Shift Keying) lub QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation) przy zajmowanym paśmie 6, 7 lub 8 MHz. Operacje wykonywane w nadajniku dla systemu DVB-T są przedstawione na rys. 2.1. Rysunek 5. Schemat blokowy nadajnika DVB-T Ze względu na trudne medium transmisyjne, system ten jest najbardziej złożony z systemów DVB. Poszczególne kroki przed transmisją sygnału wymienione są poniżej: - adaptacja do ramki MPEG-2, synchronizacja i randomizacja bitów w celu rozproszenia widma sygnału; - kodowanie zewnętrzne za pomocą kodu Reeda-Solomona (204,188); - przeplatanie zewnętrzne o głębokości I=12; - kodowanie wewnętrzne za pomocą kodu splotowego o wartości: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 lub 7/8; - przeplot wewnętrzny; - mapowanie dla QPSK lub QAM (16/64); - modulacja OFDM (2k lub 8k).
Uwaga: system DVB-H, przeznaczony dla systemów telefonii mobilnej, bazujący na DVB-T wykorzystuje dodatkowo również modulację OFDM w trybie 4k. Pasmo transformaty IFFT Pasmo kanału 8/7/6 Mhz Podnośna środkowa 3408 (852) Pasmo sygnału Podnośna nr 0 Podnośna nr 6816 (1704) Rysunek 6. Widmo sygnału DVB-T dla wariantu OFDM 8k (2k) w kanałach o pasmie 8/7/6 MHz Pasmo transformaty IFFT: 9,1429 MHz = (64/7) MHz dla kanału 8 MHz 8 MHz dla kanału 7 MHz 6,8571 MHz = (48/7) MHz dla kanału 6 MHz Pasmo sygnału (szerokość widma): 7,61 MHz dla kanału 8 MHz 6,66 MHz dla kanału 7 MHz 5,71 MHz dla kanału 6 MHz Odległość między podnośnymi: 1,11 (4,46) khz dla kanału 8 MHz 0,98 (3,91) khz dla kanału 7 MHz 0,84 (3,35) khz dla kanału 6 MHz Typy podnośnych ze względu na rodzaj przesyłanej informacji Niosąca dane z ustaloną pozycją (QPSK lub QAM 16/64) Nieaktywna z ustaloną pozycją Niemodulowana (ang. Continual) pilot z ustaloną pozycją (stała faza składowej kwadraturowej I równa 0 lub 180 ) Rozpraszający pilot (ang. Scatter) ze zmienną pozycją w widmie (modulowana składowa kwadraturowa I o fazie 0 lub 180 ) TPS z ustaloną pozycją (modulowana DBPSK)
Przepływność binarna w pojedynczym kanale wynosi ponad 20 Mbit/s. Pozwala to na przesyłanie więcej niż jednego programu telewizyjnego o jakości SDTV, lub co najmniej jednego programu telewizyjnego o rozdzielczości HDTV. 5 Podsumowanie W artykule przedstawiono drogę sygnału telewizyjnego od kamery do anteny nadajnika telewizyjnego dla emisji sygnału telewizyjnego w standardzie DVB-T. Podczas opisywania metod kompresji przedstawiona została tylko kompresja MPEG-2. Z przedstawionych materiałów widać złożoność procesów wykonywanych podczas obróbki sygnału telewizyjnego. Dla kompresji MPEG-4 złożoność tych procesów jest jeszcze większa. Wśród podmiotów, które wypowiedziały się na temat zastosowania dla telewizji cyfrowej w Polsce standardu kompresji sygnału cyfrowego, zdecydowana większość opowiedziała się za bardziej złożoną metodą MPEG-4/AVC (kodek H.264). Na podstawie nadesłanych uwag oraz ekspertyzy Instytutu Łączności do KRRiT, rada podjęła 20 grudnia 2005 roku decyzję o uznaniu standardu kompresji MPEG-4/AVC (H.264), jako obowiązującego w dwóch pierwszych multipleksach. Obecnie w Polsce testowane są dwa warianty emisji sygnału telewizji naziemnej z kompresją MPEG-2 i MPEG-4. W ofercie programowej płatnej telewizji satelitarnej DVB-S MPEG-4 staje się podstawową metodą kompresji. Literatura [1] Walter Fischer, Digital Television-A Practical Guide for Engineers, 2004 [2] Zbigniew Halicki, Interaktywne usługi multimedialne na platformie DVB, 1999 [3] Norma ISO/IEC 13818-1:2000 [4] http://oceanic.wsisiz.edu.pl/~waskowie/telewizja_cyfrowa.htm [5] www.dvb.org