Digitálna televízia, teória a prax

1. Digitálna televízia, teória a prax Kurz „DVB“ pre pracovníkov Slovak Telekom, Košice, 13.-15.12. 2010 prof. Ing.Stanislav Marchevský, CSc. Ing. Ľudmila Maceková, PhD. Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií Fakulta elektrotechniky a informatiky Technická univerzita v Košiciach Park Komenskeho 13, Košice stanislav.marchevsky@tuke.sk ludmila.macekova@tuke.s

2. Osnova História: Od analógovej TV k DVB Európska iniciatíva Porovnanie analógovej a digitálnej TV SDTV, EDTV, HDTV, farebné štandardy Špecifikácie DVB-T,S,C, vrstvy DTV Kompresné štandardy pre DTV (MPEG 2, -4) Americká a japonská DTV Mobilná DTV, DVB-H Služby v DTV, MHP IPTV, HTML

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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.

7. 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

8. 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

9. TECHNICKÉ ASPEKTY PRECHODU OD ANALÓGOVEJ TV KU DIGITÁLNEJ TV Základné princípy a charakteristiky ANALÓGOVÉHO vysielania

10. Základné princípy a charakteristiky ANALÓGOVÉHO vysielania • 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 ...

11. 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),

12. 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)

13. riadok a) riadok b) riadok c) Obr. Ilustrácia vzniku el.obrazového signálu

14. riadkový synchronizačný impulz riadok a) riadok b) riadok c) riadkový zatemňovací impulz čierna napätie U [V] sivá biela čierna sivá čierna čas [mikrosec.] sivá Obr. Ilustrácia vzniku el.obrazového signálu

15. Farebný „burst“ (9-11 periód nemodulovanej farbonosnej) nazadnej časti zatemňov. impulzu a IQ modulácia informácií o farbe Farbav TV obraze Prvé TV signály boli len jasové V roku 1975 bol pridanýfarebný systém PAL Obr. 2 riadky TV signálu s farebnou moduláciou PAL

16. Obrazové spektrum = jasové + chrominančné Príklad- norma PAL: • Nosná frekvencia farby je 4.43361875 MHz • Spektrum jasu a farby sú navzájom preložené (fF=283,75 fH) • účinné využitie spektra

17. Rozdelenie frekvenčného spektra pre televíziu napr.7 MHz v norme B Nosná frekvencia obrazu Nosné frekvencie zvuku PAL ... atď. Farebný kanál okolo nosnej farby TELEVÍZNY KANÁL n+1 TELEVÍZNY KANÁL n Obr. 2 susedné analógové TV kanály

18. Rozdelenie pozem.TV pásiem Normy 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)

19. 28 29 30 31 32 33 34 35 28 29 30 31 32 33 34 35 • Odlišné šírky TV kanálov vo svete • USA / Japonsko 6 MHz • Austrália 7 MHz • Európa 8 MHz 28 29 30 31 32 33 34 35

20. NORMA TV signálu

21. 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)

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

24. SDTV - pôvodnánové: EDTV HDTV

25. SDTV - Standard Definition Television • Televízia so štandardným rozlíšením • (zhrnutie – aj nevýhody ) • Pôvodný a ešte stále existujúcitelevízny 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

26. EDTV – Enhanced Definition Television - Televízia so zlepšeným rozlíšením • Prechodný krok k HDTV • Dvojitáskenovacia rýchlosť – znižuje blikanie • Progresívne skenovanie • Dvojnásobok riadkov na obrázok - prepočítané • Spracovanie obrazu – zrušenie duchov • Širší pomer strán - 16:9 • Multikanálový zvuk

27. HDTV - High Definition Television - Televízia s vysokým rozlíšením • Nie je konkrétne definované – veľa systémov - najprv analógové, teraz digitálne • Systém svyšším obrazovým rozlíšením • Viac ako 1000 riadkovérozlíšenie • Obraz s nižším skreslením • Väčší obraz pre lepší rozhľad • Širší pomer strán pre využitie periférneho videnia • Progresívne riadkovanie namiesto prekladaného

28. Digitalizácia TV signálu

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

30. Digitálna televízia – vlastnosti a výhody • 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

31. Pokračovanie • 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

32. 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

33. DVB DVB-S,C,T obr. – zdroj: Hewlett Packard

34. 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.

35. 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

36. Obr. Vznik DVB signálu [3]

37. 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

38. 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

39. Základné princípy -špecifikácie DVB-S (Satellite) • 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 obr. zdroj: http://www.youcartooned.com

40. Základné princípy -špecifikácie DVB-C (Cable) • 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 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“ . obr. – zdroj:http://columbiaisa.50webs.com

41. Základné princípy -špecifikácie DVB-T (Terrestrial) • 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 obr. – zdroj:http://www.migsmobile.net

42. MPEG-2 kompresné kódovanie videa, zvuku a dát

43. Vrstvy systému MPEG-2(vznik transportného reťazca) Nekomprimovaný reťazec MPEG-reťazec kódovanie MPEG-2 Paketovanie Zdrojové video PES (Packetized Elementary Stream) Transportný reťazec MPEG-2 Multiplexer Zdrojový zvuk Paketovanie kódovanie MPEG-2 Paketovanie Zdroj dát

44. 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.

45. skupina podobných snímok v sekvencii(GOP) Obr. Metódy MPEG-kompresie videa [4]

46. Kompresný štandard MPEG-4 Presnejšie H.264 /MPEG-4 part10, AVC

47. 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

48. Kvantovanie transformačných koeficientov Zdrojový video signál Predikcia Transformácia Kódovanie Vysielanie alebo uloženie v syntaxe H.264 Výstupný video signál Inverzná predikcia Rekonštrukčný filter Inverzná Transformácia Dekódovanie Metódy zdrojového kódovania a dekódovania Kompresia • 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

49. 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

50. 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 procesorkodéra aj dekodéra • zložitejšie algoritmy kompresieako iné štandardy • kódovanie v reálnom čase • potrebné pre streaming videa • dostupnosť a cena dekódovacích zariadení Postupne sa strácajú 