BME Gazdaság- és Társadalomtudományi Kar Műszaki menedzser alapszak (BSc) INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE Digitális televíziózás egyetemi docens BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapest, 2014. Analóg televíziós szabványok Európa TELEVÍZIÓS RENDSZEREK 50 Hz félkép-frekvenciájú 625 soros rendszerek PAL (Phase Alternating Line) és SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire) szín-norma Sávszélesség: 7-8 MHz Amerika 60 Hz félkép-frekvenciájú 525 soros rendszer NTSC (National Television System Committee) szín-norma Sávszélesség: 6 MHz (A színes TV szabványokat úgy dolgozták ki, hogy a fekete-fehér készülékekkel is lehessen venni a színes adásokat.) IKRM - Digitális televízió 2
TV CSATORNÁK KIOSZTÁSA Analóg televíziós műsorszolgáltatás Frekvenciasávok Európában VHF sávok (Very High Frequency) VHF-I: 48,25-93,25 MHz VHF-III: 168,25-224,25 MHz UHF sávok (Ultra High Frequency) UHF IV: 471,25-575,25 MHz UHF V: 583,25-799,25 MHz TV szabványok Európában: PAL, SECAM (7-8 MHz) Amerikában: NTSC (6 MHz) IKRM - Digitális televízió 3 FÖLDFELSZÍNI TV MŰSORSUGÁRZÁS A televíziós adótornyokból sugározzák ki a műsorjeleket, amelyek az antenna adott körzetében teszik lehetővé a TV műsorok vételét. Az országos lefedettséghez nagyszámú adóállomásra van szükség. Magyarország a korábban alkalmazott SECAM rendszerről 1995-96-ban tért át a PAL rendszerre. A digitális átállás folyamatában az analóg sugárzás 2013-ban megszűnt, 2014-től csak digitális földfelszíni műsorsugárzás van Magyarországon. IKRM - Digitális televízió 4
MŰHOLDAS TV MŰSORTERJESZTÉS A távközlési műholdak ún. geostacionárius földkörüli pályán mozognak, a Földhöz képest, az egyenlítő felett nyugalmi helyzetben vannak. Egy-egy műhold sok száz műsor kisugárzását teszi lehetővé. A műsorokat a műholdas földi állomásról juttatják el a műholdra. Állandó helyzetű parabola antennával lehet venni a műholdak adásait. IKRM - Digitális televízió 5 KÁBELTELEVÍZIÓS MŰSORSZOLGÁLTATÁS A KTV (kábeltelevízió) a közösségi antenna-rendszerekből alakult ki. A technológia fejlődésével, főként az optikai szálas átvitel lehetőségeinek kihasználásával alakultak ki a mai KTV hálózatok, amelyek HFC (Hybrid Fibre-Coax) felépítésűek. Optikai hálózat Koaxiális hálózat IKRM - Digitális televízió 6
MOBIL TELEVÍZIÓZÁS A mobil készülékek és PDA-k kisfelbontású képernyőjéhez igazodó adásokat a TV adóállomások sugározzák ki, a szolgáltatásra a mobil szolgáltatóknál lehet előfizetni. A mobil készülék tulajdonosa mobil hívás, ill. SMS segítségével választja ki a megtekinteni kívánt műsort, filmet stb. A DVB-H adásból a készüléken a kiválasztott adás jelenik meg. IKRM - Digitális televízió 7 IP TELEVÍZIÓ (IPTV) A szélessávú Internet hálózatokon műsorszolgáltatás is végezhető. A nyilvános Interneten keresztül garantáltan jó minőségű TV műsorok ma még nem vihetők át. Számos országban, így Magyarországon is elindult a nagy sávszélességű, dedikált IP hálózaton működő IPTV szolgáltatás. DTV, VoD, PVR Broadband Remote Access Server Multicast képességű IP hálózat TV fejállomás Internet VoIP STB Helyi hálózat Set-Top-Box DSLAM B-RAS DSL Access Multiplexer IP gerinchálózat Video szerver DRM IKRM - Digitális televízió 8
TV KÉPMÉRETEK, FELBONTÁSOK Normál felbontású TV (SDTV - Standard Definition TV) 4:3-as képernyő hossz-szélesség arány PAL 576 x 720 képpont Nagy felbontású TV (HDTV - High Definition TV) 16:9-es képernyő hossz-szélesség arány HD 720 x 1280 > Full HD 1080 x 1920 4:3-as képernyő arány 16:9-es képernyő arány IKRM - Digitális televízió 9 A DIGITÁLIS TELEVÍZIÓZÁS SZABVÁNYAI Digitális televíziós műsorszolgáltatás A digitális televíziózás (DVB Digital Video Broadcasting) szabványa európai programként jött létre a kilencvenes években, és négy fő rendszer került kidolgozásra az ETSI-ben. Szabványok DVB-T Terrestrial (földfelszíni sugárzású DTV ) DVB-C Cable (DTV kábeltelevíziós hálózaton) DVB-S Satellite (műholdas DTV műsorszórás) DVB-H Handheld (DTV kézi készüléken, pl. mobil TV) A digitális műsorok átvitele 8 MHz-es analóg csatornákon viszik át a digitális műsorjeleket Egyetlen analóg csatorna frekvenciasávjában több tömörített digitális műsor is átvihető IKRM - Digitális televízió 10
DIGITÁLIS TELEVÍZIÓZÁS A digitális TV és audió jel előállítása az ITU BT.R 601 szabvány alapján történik IKRM - Digitális televízió 11 KÉPTÖMÖRÍTÉSI ELJÁRÁSOK Információtömörítés A redundáns, ill. lényegtelen információkat eltávolítjuk az adatállományból. Figyelembe kell venni a képinformációk speciális tulajdonságait a hatékony tömörítés érdekében. Redundanciacsökkentés Egy adatsor redundáns, ha feleslegesen tartalmaz olyan információkat, melyek többször is előfordulnak egy jelsorban. A redundanciacsökkentő módszerek esetén a jel teljesen visszaállítható. Lényegtelen információk elhagyása Lényegtelen információnak azt nevezzük, amelynek az információt fogadó fél számára nincs, vagy csak csekély az információtartalma. (Hiányát a szem vagy fül nem érzékeli.) A lényegtelennek ítélt információk elhagyása esetén a vételi oldalon az eredeti jelsor már nem állítható vissza teljesen. IKRM - Digitális televízió 12
KÉPTÖMÖRÍTÉSI ELJÁRÁSOK Igény a képtömörítésre A stúdiókban már a kilencvenes évek eleje óta digitális képinformációt használnak (digitális TV- jel: 270 Mbit/s) Állóképek tömörítése A JPEG (Joint Photographic Experts Group) szakértői csoport megalkotta a.jpg képek előállítási algoritmusát Mozgóképek tömörítése MPEG (Moving Picture Experts Group) szabványsorozat Az MPEG-2 tömörítés eredménye SDTV műsor átvitele: 3,5 4 Mbit/s HDTV műsor átvitele: 18 20 Mbit/s Az MPEG-4 tömörítés eredménye SDTV műsor átvitele: 1,8 2 Mbit/s HDTV műsor átvitele: 9 10 Mbit/s Média Internet 13 KÓDOLÁSI, HIBAJAVÍTÁSI ELJÁRÁSOK A kódolás célja Hibamentes átvitel: Valamely információ vagy üzenet valamilyen rendszer szerint való átalakítása, sok esetben tömörítés érdekében, vagy annak érdekében, hogy az átviteli csatornában minél kevesebb információ vesszen el. Adatvédelem, titkosítás: Az átvitt információhoz való illetéktelen hozzáférés megakadályozása, digitális jogkezelés (DRM) A hibajavítás folyamata A hiba detektálása (paritáshiba, CRC-hiba) A hiba helyének meghatározása A hibás információ javítása Redundáns kódolás A szükségesnél több bittel való kódolást redundáns kódolásnak nevezzük. A megfelelő kódolás speciálisan kifejlesztett módszerrel történő kódolást jelent. IKRM - Digitális televízió 14
Paritásbit A HIBA DETEKTÁLÁSA Általában tárolási egységek (byte, szó) bitjeinek ellenőrzésére használják. A tárolt információt kiegészítik (n bit) egy további bittel oly módon, hogy az n+1 bitben páros vagy páratlan számú 1-es legyen. Ha az ellenőrzés során az 1-esek száma nem megfelelő, akkor egy bit meghibásodott. A hiba fennállása megállapítható, de a hibás bit nem azonosítható. Ciklikus redundancia kód (CRC) Adatsorozatra vonatkozóan matematikai algoritmussal generálható a ciklikus redundancia kód (CRC - Cyclic Redundance Code), amelyet az átküldött vagy tárolt adatblokk végére illesztenek. Ha a vett információs blokkra generált CRC eltér a küldött CRC-től, akkor hibás a blokk. A CRC-12 kód képlete pl.: X 12 + X 11 + X 3 + X 2 + X 1 + 1 IKRM - Digitális televízió 15 REDUNDÁNS KÓDOLÁS 1 bitet érintő hibák javítása Hamming kódolás Két kód Hamming-távolsága a különböző bitek száma A legelterjedtebb a 7,4-es Hamming-kód használata. Az a0 a3 bitek az eredeti információs bitek, a h0 h2 bitek a kiegészítő bitek úgy, hogy bármelyik két 7-bites kód Hamming-távolsága 3. Minden 1 bitet érintő hiba egyértelműen detektálható, azonosítható és javítható. a0 a1 a2 a3 h0 h1 h2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 2 0 0 1 0 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 0 4 0 1 0 0 1 1 0 5 0 1 0 1 1 0 1 6 0 1 1 0 0 1 1 7 0 1 1 1 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 9 1 0 0 1 1 0 0 10 1 0 1 0 0 1 0 11 1 0 1 1 0 0 1 12 1 1 0 0 0 0 1 13 1 1 0 1 0 1 0 14 1 1 1 0 1 0 0 15 1 1 1 1 1 1 1 IKRM - Digitális televízió 16
CSATORNAKÓDOLÁS Médiaátvitel (transport stream) esetén hibák nincs lehetőség újrakérésre, a hibajavítás lehetőségét be kell építeni a jelfolyamba. FEC Forward Error Correction Többfajta kódolási optimális együttes használata az átviteli hibák lehető leghatékonyabb kiküszöbölésére. Bemeneti adat sebesség 1 RS kódolás után x 1,085 Konvolúciós kódoló (x2) x 2,160 Pontozó (2/3) x1,5 x 1,63 IKRM - Digitális televízió 17 ENERGIASZÉTTERÍTÉS Az átvitelnek, a hibajavításnak, a szinkronizálásnak nem kedveznek a hosszú 0-s vagy 1-es jelsorozatok. Shift regiszterek segítségével az átviendő információk sajátosságait felmérve véletlenszerű 0-1-es jelsorozatokat generálnak, amelyeket az adatblokkokhoz társítanak (kizáró vagy művelettel). Ily módon a jelek energiája szétteríthető. IKRM - Digitális televízió 18
BITÁTRENDEZÉS A csatorna-kódolás az egyszeres bithibákat jobb hatásfokkal detektálja és javítja, mint a hibacsomókat. Az üzenetblokkok bitjeit úgy rendezzük át, hogy az egymás után következő bitek összefüggése (egymásutánisága) megszűnjön. (Bitátrendezés - Interleaving) Eredeti 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 sorrend Bitek átrendezése 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 16 Átviteli bithibák 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 16 Eredeti sorrend 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 IKRM - Digitális televízió 19 REED-SOLOMON HIBAJAVÍTÓ KÓDOLÁS Reed-Solomon-kódok esetében m darab paritásellenőrző karakter használatával bármely legfeljebb m darab karakter meghibásodását lehetséges jelezni (de a helyet nem), vagy pedig m darab paritásellenőrző karaktert használó Reed- Solomon-kód képes m/2 hibát megtalálni és javítani. (Ha t darab hiba történt, akkor 2t ismeretlenünk van, t hibahely és a t megsérült karakter.) (8,5% többlet) MPEG adatcsomag IKRM - Digitális televízió 20
KONVOLÚCIÓS KÓDOLÓ A konvolúciós kódolók shift-regiszterekkel megvalósított késleltető memóriákból és kizáró-vagy kapukból állnak. A leágazási pontokban a késleltetés nélküli jelek és a késleltetett jelek kizáró-vagy kapcsolatából az eredeti, bemenő jelfolyamból két adatfolyam jön létre. (A művelet azért konvolúciós, mivel a jel késleltetve önmagára visszahat.) IKRM - Digitális televízió 21 KONVOLÚCIÓS KÓDOLÓ A pontozó működése A konvolúciós kódoló kimenetein a bemeneti jelfolyammal azonos hosszúságú jelek jelennek meg. Ez 100%-os redundanciát jelent. A pontozó feladata a redundancia csökkentése, megfelelő számú kód eltávolításával (kipontozással). Pl. a 2/3 aránynál (1,5) 50% a redundancia, ezt gyakran használják. A 3/4 aránynál (1,33) a redundancia 33% A 7/8 csak jó átviteli csatornánál használható (14% redundancia) IKRM - Digitális televízió 22
AZ ANTENNA HUNGÁRIA DVB-T ADÁSA A DVB-T szabvány által kínált lehetőségek Modulációk: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation) vagy 64QAM (64 Quadrature Amplitude Modulation) Vivők száma: 2k - 1705 vivő 8k - 6817 vivő Hibajavító kódolás (FEC): Külső - Reed-Solomon (RS 188/204) Belső - konvolúciós kódolás, kódarány: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Védelmi intervallum: GI 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 (reflektált hullámok ellen) Az AH DVB-T platform: Vivők száma: IFFT 8k 6817 vivő Moduláció: 64QAM Kódarány: 3/4 Védelmi intervallum: GI 1/4 IKRM - Digitális televízió 23 AZ INFORMÁCIÓ VISSZAÁLLÍTÁSA Az információ átvitele után a küldésnél használt kódarány szerint a Viterbi-dekódoló eltávolítja a hibák jelentős részét. Ezután történik az átrendezett bitek visszarendezése A maradék hibákat a Reed-Solomon dekódoló javítja ki (204 byteos blokkból max. 8 byte). Végül az energiaszétterítés megszüntetésére kerül sor. IKRM - Digitális televízió 24
VITERBI DEKÓDOLÓ Viterbi hibajavító dekódolás A konvolúciós kódok működésének sajátossága, hogy a tárolók állapotának változása csak adott szabályok szerint történhet. A megengedett állapotváltozások megrajzolásával jön létre a - lugas rácsozatához hasonlító - ún. trellis-diagram. A Viterbi dekódoló algoritmussal a bithibák vagy egy részük javítható a sérülések helyén a legnagyobb valószínűségű eredeti útvonal kiválasztásával. Trellis-diagram IKRM - Digitális televízió 25 A HIBAJAVÍTÁS HATÉKONYSÁGA Az átviteli hibák megszüntetése több lépésben történik, a zajos bemenő jelből végülis szinte teljesen hibátlan jelfolyam áll elő. A különböző kódarányokhoz más-más kritikus minimális jel/zaj viszonyt kell biztosítani (pl. 3/4 kódaránynál >6,8 db-t) A Viterbi-dekódoló két nagyságrendet javít a BER-en, az RSdekódoló után az eredmény: BER<10 11. Az átvitel: QEF (quasi error free) IKRM - Digitális televízió 26
Köszönöm a figyelmet! IKRM - Digitális televízió 27