INSTALACJE TELEKOMUNIKACYJNE I TELETECHNICZNE W BUDOWNICTWIE Telewizja Kablowa dr inż. Andrzej Buchowicz A.Buchowicz@ire.pw.edu.pl A. Buchowicz Telewizja Kablowa 1 / 77
Transmisja danych w torze telewizyjnym KODER VIDEO TOR TRANSMISYJNY KODER AUDIO MULTIPLEKSER A. Buchowicz Telewizja Kablowa 2 / 77
Ciągła sekwencja wizyjna x y t A. Buchowicz Telewizja Kablowa 3 / 77
Dyskretna sekwencja wizyjna m n f A. Buchowicz Telewizja Kablowa 4 / 77
Sekwencja wizyjna - formaty SD HD UHD 575 720 1080 1920 2160 3860 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 5 / 77
Sekwencja wizyjna - wybieranie kolejnoliniowe n f m m A. Buchowicz Telewizja Kablowa 6 / 77
Sekwencja wizyjna - wybieranie międzyliniowe n f m m A. Buchowicz Telewizja Kablowa 7 / 77
Sekwencja wizyjna - wybieranie międzyliniowe (2) n f m m A. Buchowicz Telewizja Kablowa 8 / 77
Obraz cyfrowy A. Buchowicz Telewizja Kablowa 9 / 77
Obraz cyfrowy - przestrzeń barw RGB B R G A. Buchowicz Telewizja Kablowa 10 / 77
Obraz cyfrowy - transformacja przestrzeni barw Y U V = A R G B R G B = A 1 Y U V. Buchowicz Telewizja Kablowa 11 / 77
Obraz cyfrowy - przestrzeń barw YUV V Y U A. Buchowicz Telewizja Kablowa 12 / 77
Podpróbkowywanie sygnałów różnicowych 4:4:4 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 13 / 77
Podpróbkowywanie sygnałów różnicowych (2) 4:2:2 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 14 / 77
Podpróbkowywanie sygnałów różnicowych (3) 4:2:0 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 15 / 77
Przepływność sekwencji wizyjnych Format Rodzielczość BR [Mbit/s] 4:4:4 4:2:2 4:2:0 LDTV 320 x 240 46.08 30.72 23.04 SDTV 720 x 576 248.83 165.89 124.42 HDTV 1920 x 1080 1 244.16 829.44 622.08 UDTV 4K 3840 x 2160 4 976.64 3 317.76 2 488.32 UDTV 8K 7680 x 4320 19 906.56 13 271.04 9 953.28 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 16 / 77
Redundancja w sekwencjach wizyjnych statystyczna przestrzenna (wewnątrzobrazowa) czasowa (międzyobrazowa) reprezentacji danych (kodowania) psychowizualna A. Buchowicz Telewizja Kablowa 17 / 77
Tryby kodowania sekwencji wizyjnych INTRA INTER. Buchowicz Telewizja Kablowa 18 / 77
Hybrydowy koder wizyjny + - DCT Q RLE VLC INTER INTRA IQ + + IDCT MC F FF ME A. Buchowicz Telewizja Kablowa 19 / 77
Dyskretna Transformata Kosinusowa (DCT) A. Buchowicz Telewizja Kablowa 20 / 77
Kwantyzacja i = F q A. Buchowicz Telewizja Kablowa 21 / 77
Hybrydowy koder wizyjny (2) + - DCT Q RLE VLC INTER INTRA IQ + + IDCT MC F FF ME A. Buchowicz Telewizja Kablowa 22 / 77
Estymacja wektorów ruchu 15 15 SAD= y[m 0 +i,n 0 + j] y ref [m 0 +d x +i,n 0 +d y + j] i=0 j=0 (d x,d y ) m 0 t n 0 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 23 / 77
Kodowanie predykcyjne - kompensacja ruchu 7 1 2 3 4 5 6 9 8 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 19 20 21 22 23 24 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 24 / 77
Hybrydowy dekoder wizyjny VLD RLD IQ IDCT + + MC F FF A. Buchowicz Telewizja Kablowa 25 / 77
Efektywność kodowania sekwencji wizyjnych A. Buchowicz Telewizja Kablowa 26 / 77
Koder wizyjny - sterowanie przepływnością + INTER - INTRA DCT Q IQ VLC r BUF MC F FF + + IDCT r t ME t A. Buchowicz Telewizja Kablowa 27 / 77
Koder wizyjny - sterowanie przepływnością (2) + INTER - INTRA DCT Q IQ VLC r BUF MC F FF + + IDCT r t ME t A. Buchowicz Telewizja Kablowa 28 / 77
Standardy kodowania źródłowego sekwencji wizyjnych 3D-Video MPEG-H HEVC H.265 MPEG-4 Visual H.263++ MPEG-4 AVC H.264 MPEG-4 MVC H.264 MPEG-4 SVC H.264 VC-1/WMV9 VP8 MPEG-1 Video MPEG-2 Video H.262 H.263+ H.263 H.261 1990 2000 2010 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 29 / 77
Standardy kodowania źródłowego sekwencji wizyjnych (2) źródło: M.Domański, HEVC nowa generacja technik kompresji obrazu, KKRRiT-2012 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 30 / 77
Sygnał fonii - próbkowanie A. Buchowicz Telewizja Kablowa 31 / 77
Sygnał fonii - przepływność bitowa N Częstotliwość próbkowania [khz] [b] 8 11,025 22,05 32 44,1 48 96 8 64,00 88,20 176,40 256,00 352,80 384,00 768,00 16 128,00 176,40 352,80 512,00 705,60 768,00 1536,00 24 192,00 264,60 529,20 768,00 1058,40 1152,00 2304,00 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 32 / 77
Próg słyszalności A. Buchowicz Telewizja Kablowa 33 / 77
Efekt maskowania A. Buchowicz Telewizja Kablowa 34 / 77
Efekt maskowania (2) A. Buchowicz Telewizja Kablowa 35 / 77
Percepcyjny koder fonii A. Buchowicz Telewizja Kablowa 36 / 77
Standardy kompresji fonii DOLBY Pro Logic II HE AAC v.2 DOLBY Pro Logic IIz USAC DOLBY E-AC3 HE AAC v.1 DOLBY AC3 MPEG-2 AAC MPEG-4 AUDIO AAC TwinVQ CELP HXVC MPEG-1 Layer I Layer II Layer III MPEG-2 AUDIO WMA WMA 9 1990 2000 2010 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 37 / 77
Multipleksowanie strumieni elementarnych A. Buchowicz Telewizja Kablowa 38 / 77
Kontenery multimedialne Strumień programowy MPEG-2 Strumień transportowy MPEG-2 MP4 Matroska Ogg WebM ASF AVI... A. Buchowicz Telewizja Kablowa 39 / 77
MPEG-2: Generic coding of moving pictures and associated audio information ISO/IEC 13818-1: Systems ISO/IEC 13818-2: Video (H.262) ISO/IEC 13818-3: Audio... ISO/IEC 13818-7: Advanced Audio Coding (AAC)... A. Buchowicz Telewizja Kablowa 40 / 77
Pakietowy strumień elementarny (PES) Elementary Stream (ES) AU AU AU AU AU AU AU AU Packetized Elementary Stream (PES) A. Buchowicz Telewizja Kablowa 41 / 77
Nagłówek PES A. Buchowicz Telewizja Kablowa 42 / 77
Multiplekser strumienia programowego MPEG-2 Video data Video Encoder Video ES Packetizer Video PES Clock PS MUX Program Stream Audio data Audio Encoder Audio ES Packetizer Audio PES A. Buchowicz Telewizja Kablowa 43 / 77
Demultiplekser strumienia programowego MPEG-2 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 44 / 77
Multiplekser strumienia transportowego MPEG-2 Video data Video Encoder Video ES Packetizer Video PES Clock Audio data Audio Encoder Audio ES Packetizer Audio PES TS MUX Transport Stream Video data Video Encoder Video ES Packetizer Video PES Clock Audio data Audio Encoder Audio ES Packetizer Audio PES A. Buchowicz Telewizja Kablowa 45 / 77
Strumień transportowy MPEG-2 Video(1) Video(2) 188 bajtów 188 bajtów 188 bajtów A. Buchowicz Telewizja Kablowa 46 / 77
Strumień transportowy MPEG-2 (2)... transport _packet transport _packet transport _packet... transport _packet transport _packet... sync_byte (0x47) transport _error_ind. payload_unit_start_ind. transport _priority PID transport _scrambling _ctrl adaptation _field_ctrl continuity_counter adaptation _field data A. Buchowicz Telewizja Kablowa 47 / 77
Identyfikatory pakietów MPEG-2 TS PID 0x0000 0x0001 0x0002 0x000F 0x0010 0x1FFE 0x1FFF Strumień Tablica Powiązań Programu (PAT) Tabela Dostępu Warunkowego Zarezerwowane Strumienie elementarne A/V/dane Pakiet pusty A. Buchowicz Telewizja Kablowa 48 / 77
DEMUX Demultiplekser MPEG-2 TS MPEG-2 TS PID=0 PROG PID 0 16 1 101 2 102...... PAT A. Buchowicz Telewizja Kablowa 49 / 77
DEMUX Demultiplekser MPEG-2 TS MPEG-2 TS PID=102 PID=0 PROG PID 0 16 1 101 2 102...... PAT STRM PID PCR 1001 video 1001 audio1 1002 audio2 1003 PMT A. Buchowicz Telewizja Kablowa 50 / 77
DEMUX Demultiplekser MPEG-2 TS PID=1003 PID=1001 AUDIO DECODER AUDIO PES MPEG-2 TS PID=102 PID=0 VIDEO DECODER VIDEO PES PROG PID 0 16 1 101 2 102...... PAT STRM PID PCR 1001 video 1001 audio1 1002 audio2 1003 PMT SYSTEM CLOCK A. Buchowicz Telewizja Kablowa 51 / 77
Informacje Specyficzne Programu (PSI) Tabela Powiązań Programu (PAT) Tabela Mapy Programu (PMT) Tabela Informacji Sieciowej Tabela Dostępu Warunkowego... 0x0000 odczytywany z PAT odczytywany z PAT 0x0001 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 52 / 77
DVB-SI - rozszerzenie PSI ETSI EN 300 468 V1.3.1: Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for Service Information (SI) in DVB systems Network Information Table (NIT) Bouquet Association Table (BAT) Service Description Table (SDT) Event Information Table (EIT) Time and Date Table (TDT) Time Offset Table (TOT) Running Status Table (RST) Stuffing Table (ST) Discontinuity Information Table (DIT) Selection Information Table (SIT) A. Buchowicz Telewizja Kablowa 53 / 77
Multipleksowanie statystyczne A. Buchowicz Telewizja Kablowa 54 / 77
Projekt DVB - Historia 1991 European Launching Group (ELG) 1993 Memorandum of Understanding (MoU) - Przekształcenie w Digital Video Broadcasting (DVB) Project 1993-97 opracowanie podstawowych standardów telewizji cyfrowej: DVB-S, DVB-C, DVB-T... 2005-11 - opracowanie standardów drugiej generacji: DVB-S2, DVB-T2, DVB-C2... A. Buchowicz Telewizja Kablowa 55 / 77
Sieć telewizji kablowej Kanał UKF S01 S02 S09 S10 K06 K07 K11 K12 S11 S12 zwrotny 5 65 87.5 110 174 230 S20 S21 S20 320 S21 S37 S21 S38 K21 K22 K37 K38 K68 K69 446 470 606 862 F [MHz] A. Buchowicz Telewizja Kablowa 56 / 77
DVB-C: kodowanie kanałowe A. Buchowicz Telewizja Kablowa 57 / 77
DVB-C: adaptacja TS i rozpraszanie energii strumień wejściowy: MPEG-2 TS sekwencja pseudolosowa: g(x) = 1 + x 14 + x 15 bajt synchronizacji nie jest przetwarzany bitowa inwersja bajtu synchronizacji w co 8 pakiecie SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane A. Buchowicz Telewizja Kablowa 58 / 77
DVB-C: kod zewnętrzny Kod blokowy Reed-Solomon(204,188) każdy pakiet strumienia transportowego (188 bajtów) uzupełniany 16 bajtami nadmiarowymi SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane SYNC Dane P SYNC Dane P SYNC Dane P SYNC Dane P kodowanie obejmuje również bajty synchronizacyjne umożliwia korekcję max 8 błędów w pakiecie A. Buchowicz Telewizja Kablowa 59 / 77
DVB-C: przeplatanie blokowe NADAJNIK zapis ODBIORNIK odczyt b 00 b 01 b 02 b 03 b 04 b 05 b 06 b 07 b 08 b 09 b 00 b 01 b 10 b 11 b 12 b 13 b 14 b 15 b 16 b 17 b 18 b 19 b 10 odczyt b 20 b 21 b 22 b 23 b 24 b 25 b 26 b 27 b 28 b 29 b 30 b 31 b 32 b 33 b 34 b 35 b 36 b 37 b 38 b 39 b 51 b 41 b 31 b 21 b 11... zapis b 20 b 30 b 40 b 41 b 42 b 43 b 44 b 45 b 46 b 47 b 48 b 49 b 40 b 50 b 51 b 52 b 53 b 54 b 55 b 56 b 57 b 58 b 59 b 50 NADAJNIK ODBIORNIK zapis odczyt b 00 b 01 b 02 b 03 b 04 b 05 b 06 b 07 b 08 b 09 b 00 b 01 b 02 b 03 b 04 b 05 b 06 b 07 b 08 b 09 b 10 b 11 b 12 b 13 b 14 b 15 b 16 b 17 b 18 b 19 b 10 b 11 b 12 b 13 b 14 b 15 b 16 b 17 b 18 b 19 odczyt b 20 b 21 b 22 b 23 b 24 b 25 b 26 b 27 b 28 b 29 b 30 b 31 b 32 b 33 b 34 b 35 b 36 b 37 b 38 b 39 b 59 b 49 b 39 b 29... zapis b 20 b 30 b 21 b 22 b 23 b 24 b 25 b 26 b 27 b 28 b 31 b 32 b 33 b 34 b 35 b 36 b 37 b 38 b 40 b 41 b 42 b 43 b 44 b 45 b 46 b 47 b 48 b 49 b 40 b 41 b 42 b 43 b 44 b 45 b 46 b 47 b 48 b 50 b 51 b 52 b 53 b 54 b 55 b 56 b 57 b 58 b 59 b 50 b 51 b 52 b 53 b 54 b 55 b 56 b 57 b 58 A. Buchowicz NADAJNIK Telewizja Kablowa ODBIORNIK 60 / 77
DVB-C: mapowanie i mapowanie symboli dwa najstarsze bity w każdym symbolu kodowane różnicowo: pozostałe bity nie są modyfikowane A. Buchowicz Telewizja Kablowa 61 / 77
DVB-C: filtracja w paśmie podstawowym charakterystyka kosinusowa z parametrem α = 0.15 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 62 / 77
DVB-C: modulacja QAM Q 1011 1001 Q 0010 0011 90 o ~ Σ 1010 1000 1101 1100 0000 0001 0100 0110 I I 1111 1110 0101 0111 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 63 / 77
DVB-C: modulacja QAM (2) Modulacja 16 QAM 32 QAM 64 QAM 256 QAM Liczba bitów na symbol 4 5 6 8 Całkowita 27.82 34.78 41.73 55.65 przepływność [Mb/s] Użyteczna 25.63 32.05 38.45 51.28 przepływność [Mb/s] A. Buchowicz Telewizja Kablowa 64 / 77
Standard DOCSIS - transmisja danych w sieciach CATV DOCSIS - Data over Cable Service Interface Specification. Zestaw specyfikacji interfejsów warstw 1 (fizycznej), 2 (MAC) oraz zarządzania rozwijanych przez operatorów CATV i producentów sprzętu w celu zapewnienia współdziałanie urządzeń od różnych producentów EuroDOCSIS - europejska wersja DOCSIS A. Buchowicz Telewizja Kablowa 65 / 77
Standard DOCSIS - ewolucja Wersja 1.0 1.1 2.0 2.X 3.0 Cechy Dostęp QoS A-TDMA, łączenie do internetu S-TDMA kanałów Usługi Internet szerokopasmowy VOIP Wideokonferencje Strumieniowanie wideo Pasmo DS Mbps/kanał 50 50 50 50 min. 200 Gbps/wezeł 5 5 5 5 6.3 Pasmo US Mbps/kanał 10 10 30 30 min. 120 Mbps/wezeł 80 80 170 170 450 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 66 / 77
DOCSIS 3.0: łączenie kanałów A. Buchowicz Telewizja Kablowa 67 / 77
Strumieniowanie danych multimedialnych A. Buchowicz Telewizja Kablowa 68 / 77
Strumieniowanie danych multimedialnych (2) A. Buchowicz Telewizja Kablowa 69 / 77
DVB-C2: kodowanie kanałowe A. Buchowicz Telewizja Kablowa 70 / 77
DVB-C2: dobór schematów modulacji i poziomu mocy A. Buchowicz Telewizja Kablowa 71 / 77
DVB-C2: wydajność A. Buchowicz Telewizja Kablowa 72 / 77
DVB-C2: Optymalizacja wykorzystania częstotliwości Zalety OFDM w zakresie odporności na efekty propagacji wielodrogowej - dobrze znane z systemów naziemnych Dodatkowe zalety OFDM w zakresie transmisji w sieciach kablowych Zwiększona odporność w przypadku wystąpienia interferencji wąskopasmowych (nieznaczna degradacja w stosunku do kanału AWGN) Poprzez zastosowanie przeplotu zwiększona odporność na szum impulsowy Zwiększona odporność na sygnały echa A. Buchowicz Telewizja Kablowa 73 / 77
DVB-C2: Zarządzanie zasobami A. Buchowicz Telewizja Kablowa 74 / 77
DOCSIS 3.1: kanał dosyłowy DOCSIS 3.1 DOCSIS 3.0 Pasmo [MHz] Modulacja C [Gb/s] C [Gb/s] 108-1002 QAM 4096 9.00 5.8 108-1794 QAM 256 12.99 5.8 Na podstawie materiałów firmy Arris International A. Buchowicz Telewizja Kablowa 75 / 77
DOCSIS 3.1: kanał zwrotny DOCSIS 3.1 DOCSIS 3.0 Pasmo [MHz] Modulacja C [Gb/s] C [Gb/s] 5-85 QAM 1024 0.64 0.38 5-204 QAM 1024 1.60 0.38 5-396 QAM 1024 3.30 0.38 5-85 QAM 2048 0.74 0.38 5-204 QAM 2048 1.85 0.38 5-396 QAM 2048 3.63 0.38 Na podstawie materiałów firmy Arris International A. Buchowicz Telewizja Kablowa 76 / 77
Literatura 1 M. Domański, Obraz cyfrowy, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2010 2 W. Skarbek, Multimedia Algorytmy i standardy kompresji, Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, 1998 3 I. E. G. Richardson, The H.264 Advanced Video Compression Standard 2nd Edition, Wiley, 2010 4 U. Reimers, Digital Video Broadcasting. The International Standard for Digital Television, Springer, 2001 A. Buchowicz Telewizja Kablowa 77 / 77