Nowoczesne metody emisji ucyfrowionego sygnału telewizyjnego

Nowoczesne metody emisji ucyfrowionego sygnału telewizyjnego

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: [email protected]
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.
Częst. prób kowania
sygn. luminancji
13,5 MHz
5,75 Mhz
Y
G
B
8/10 bitów
A
R
D
Cb
A
Cr
A
D
D
Y
270 Mbit/s
8/10 bitów ITU-BT.R 601
Cb
“CCIR 601”
8/10 bitów
Cr
2,75 MHz
6,75 MHz
częst. prób kowania
sygn. chrominancji
Rysunek 1. Kamera z układem cyfryzacji obrazu1
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 GOP1
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 I1
Rysunek 4 Koder ramki typu P1
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]
[2]
[3]
[4]
[5]
Walter Fischer, Digital Television-A Practical Guide for Engineers, 2004
Zbigniew Halicki, Interaktywne usługi multimedialne na platformie DVB, 1999
Norma ISO/IEC 13818-1:2000
http://oceanic.wsisiz.edu.pl/~waskowie/telewizja_cyfrowa.htm
www.dvb.org