Nowoczesne metody emisji ucyfrowionego sygnału telewizyjnego Bogdan Uljasz Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej ul. Kaliskiego 2 00-908 Warszawa Konferencja naukowo-techniczna Dzisiejsze spojrzenie na spuściznę Nikoli Tesli Warszawa, Muzeum Techniki, 21-22 listopada 2007 r.
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 5,75 Mhz Y Cb Cr Częst. prób kowania sygn. luminancji 13,5 MHz 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. prób kowania sygn. chrominancji 270 Mbit/s ITU-BT.R 601 CCIR 601
Dygitalizacja sygnału telewizyjnego 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 MPEG-4
Cechy MPEG-2 Zalety: wysoka maksymalna rozdzielczość: 1920 x 1152 bardzo dobra jakość obrazu Wady: wysoka typowa przepływność danych: 6500 kb/s (720 x 576)
Cechy MPEG-4 Zalety: Wady: bardzo dobra (niska) przepływność danych: 880 kb/s (720 x 288) jakość obrazu niewiele gorsza niż w MPEG 2 (przy mniejszej kompresji zbliżona) bardzo duża złożoność procesu kodowania i dekodowania
Dygitalizacja sygnału telewizyjnego W standardzie MPEG-2 stosowana jest metoda stratnej kompresji wizji MPEG-2 wykorzystuje: 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 (-20%, 216Mbit/s) Pominięcie informacji związanych z wygaszaniem linii i pola (-25%, 166Mbit/s) Redukcja rozdzielczości kolorów (np.4:2:0, -25%, 124,5Mbit/s) Kwantyzacja za pomocą różnicowej modulacji PCM (DPCM) Zastosowanie dyskretnej transformat kosinusoidowej ze współczynnikami Zastosowanie kodowania Zig-Zag z kodowaniem o zmiennej długości Zastosowanie kodowanie Huffmana
Grupa GOP (ang. Group Of Pictures) W standardzie MPEG-2 cała sekwencja podzielona jest na grupy obrazów GOP
Długość i postać GOP Długość i postać nie jest określona Długość i postać może być zmienna w czasie transmisji obrazu
Grupa GOP GOP składa się z trzech typów ramek obrazu: typu I (ang. Intra Frame) typu P (ang. Predicted Frame) typu B (ang. Bidirectional Predicted Frame)
Ramka typu I Przy kompresji ramki typu I wykorzystywana jest korelacja przestrzenna Jest to tzw. ramka referencyjna Ramki są kodowane niezależnie od reszty danych wideo i zawierają informację pełną o obrazie
Ramka typu P Ramki te 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 Ramki typu B 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
Przykładowa grupa GOP
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
Nagłówek pakietu PES 3-bajtową sekwencję startową (00 00 01 hexa) 1-bajtowy identyfikator 2 bajty określające długość pakietu 2 bajty flag sygnalizujących występowanie w nagłówku pól dodatkowych, np.: znacznik czasu prezentacji PTS (ang. Presentation Time Stamp) znacznik czasu dekodowania DTS (ang. Decoding Time Stamp) Pola te są wykorzystywane do synchronizacji dekodowania poszczególnych stru mieni danych 1 bajt określający długość nagłówka Opcjonalnie pola dodatkowe
System przesyłowy sygnału cyfrowego Bezpośrednio po nagłówku znajdują się dane przesyłane w pakiecie Standard MPEG-2 przewiduje stosowanie dwóch rodzajów multiplekserów: programowego (ang. Program Multiplexer) transportowego (ang. Transport Multiplekser)
Strumień programowy (ang. Program Stream) tworzony przez przeplatanie elementarnych pakietów danych należących do jednego programu telewizyjnego
Strumień transportowy (ang. Transport Stream) Elementarne pakiety danych PES są dzielone na mniejsze pakiety o stałej długości równej 184 bajty W strumieniu transportowym mogą być umieszczane elementarne pakiety danych pochodzące z różnych programów telewizyjnych Sposób podziału na pakiety strumienia transportowego jest ściśle określony
System przesyłowy sygnału cyfrowego Dekodowanie strumienia transportowego MPEG-2 rozpoczyna się od wydzielenia z całego strumienia tablicy PAT Na jej podstawie dekoder określa numery pakietów składające się na dany program
DVB-T DVB-T jest wersją naziemną standardu DVB przeznaczoną dla pasma UHF Według normy EN 300 744 system wykorzystuje modulację OFDM, gdzie podnośne modulowane są za pomocą modulacji QPSK lub QAM Pasmo kanału 6, 7 lub 8MHz
Kolejność procesów przemiany sygnału dla emisji w standardzie DVB- T 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)
Widmo sygnału DVB-T dla wariantu OFDM 8k (2k) Pasmo transformaty IFFT Pasmo kanału 8/7/6 Mhz Podnośna środkowa 3408 (852) Pasmo sygnału Podnośna nr 0 Podnośna nr 6816 (1704)
Pasmo transformaty IFFT 9,1429 MHz - dla kanału 8 MHz 8 MHz - dla kanału 7 MHz 6,8571 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 dla wariantu OFDM 8k (2k) 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) (2k 1512) Nieaktywna z ustaloną pozycją Niemodulowana (ang. Continual) pilot z ustaloną pozycją (stała faza składowej kwadraturowej I równa 0 lub 180 ) (2k 45) Rozpraszający pilot (ang. Scatter) ze zmienną pozycją w widmie (modulowana składowa kwadraturowa I o fazie 0 lub 180 ) (2k 142) TPS z ustaloną pozycją (modulowana DBPSK) (2k- 17)
Podsumowanie 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 (855Mbit/s)
Uwagi W obecnej chwili w Polsce testowany jest system DVB-T z metodami kompresji MPEG-2 i MPEG-4 Dla kompresji MPEG-4 złożoność procesów kodowania jest znacznie większa
Jakie będą możliwości funkcjonalne telewizorów dostosowanych do odbioru DVB-T oraz nagrywarek DVD, jeżeli zostanie zastosowana w Polsce kompresja MPEG-4?
Dziękuję za uwagę