MIPRO 2008 Okrugli stol: Strategija uvođenja digitalne televizije Tehničke značajke sustava za zemaljsku radiodifuziju digitalnog videosignala (DVB T) prof.dr.sc. Sonja Grgić Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Radiodifuzija televizijskog signala radiodifuzija (broadcasting) – oblik neusmjerenih komunikacija pomoću radijskih ili kabelskih mreža, namijenjenih velikom broju korisnika koji ispunjavaju određene prijamne uvjete – radiokomunikacijska usluga odašiljanja radijskih ili televizijskih programa za izravni javni prijam u sustave za radiodifuziju pripadaju – mreže za zemaljsku radiodifuziju – mreže za satelitsku radiodifuziju (satelitska televizija) – kabelski distribucijski sustavi (kabelska televizija) sustavi za zemaljsku radiodifuziju – kao prijenosni medij rabe elektromagnetske valove u frekvencijskim pojasevima određenim za radiodifuziju, koji se šire u slobodnom prostoru Radiodifuzija televizijskog signala radiodifuzijski sustav – odašiljač – prijenosni medij – prijamnik Radiodifuzija televizijskog signala za odašiljanje TV signala mrežom zemaljskih odašiljača (radijska služba radiodifuzije televizijskog signala) rabe se četiri frekvencijska pojasa – – – – 47 – 68 MHz - VHF I (Very High Frequency) 174 – 230 MHz - VHF III 470 – 582 - UHF IV (Ultra High Frequency) 582 – 862 MHz - UHF V svi kanali nisu uvijek raspoloživi za radiodifuziju televizijskog signala jer ih mogu koristiti i druge službe (npr. T-DAB) Radiodifuzija televizijskog signala raspored televizijskih kanala za zemaljsku radiodifuziju televizijskih programa u Republici Hrvatskoj propisuje Pravilnik o tehničkim uvjetima i uvjetima uporabe radijskih postaja za odašiljanje televizijskog programa u frekvencijskim područjima I, III i IV/V (Narodne novine br. 66 od 10. kolovoza 1996. godine) – – – – – širina kanala: 7 MHz u području VHF, 8 MHz u području UHF VHF I - 3 kanala VHF III - 8 kanala UHF - 49 kanala ukupno: 60 kanala Radiodifuzija televizijskog signala nedostaci analognog radiodifuzijskog sustava – osjetljivost na šum, izobličenja i interferenciju s drugim signalima – visoki istokanalni zaštitni omjeri – isti kanal smije se rabiti na udaljenim lokacijama – niska djelotvornost u iskorištenju radiofrekvencijskog spektra – teorijski se na određenom području može distribuirati 5-7 programa poštujući zaštitne omjere radi izbjegavanja interferencije – djelotvornost: 8,33-11,67% u odnosu na ukupan broj kanala (60) – Europske zemlje: 2-4 programa na nacionalnoj razini + nekoliko programa na regionalnoj i lokalnoj razini – intenzivnija uporaba radiofrekvencijskog spektra namijenjenog radiodifuziji ima za posljedicu opadanje kvalitete prijamnog televizijskog signala zbog interferencije Razvoj digitalne radiodifuzije 1993. godine u Europi je započeo rad na Projektu za radiodifuziju digitalnog videosignala (DVB, Digital Video Broadcasting) – cilj: razvoj specifikacija za prijenos MPEG-2 prijenosnog toka podataka* putem radiodifuzijskih sustava DVB projekt je rezultirao u ETSI normama za radiodifuziju – satelitski sustav (DVB-S, DVB-Satellite), 1994. – ETSI EN 300 421: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services – sustav kabelske televizije (DVB-C, DVB-Cable), 1994. – ETSI EN 300 429: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding and modulation for cable systems – sustav za zemaljsku radiodifuziju (DVB-T, DVB-Terrestrial), 1996. – ETSI EN 300 744: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television *ISO/IEC IS 1381813818-1: "Information "Information Technology -Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information: Systems" Systems" Razvoj digitalne radiodifuzije DVB projekt nastavlja sa svojim radom – utvrđene su specifikacije za sustav DVB-H (DVB-Handheld) – ETSI EN 302 304: Digital Video Broadcasting (DVB); Transmission System for Handheld Terminals (DVB(DVB-H), 2004. – utvrđene su specifikacije za drugu generaciju sustava za radiodifuziju DTV signala putem satelita, tzv. DVB-S2 (ETSI EN 302 307, 2004.) – izmijenjena je ETSI tehnička specifikacija TS 101 154 – ETSI TS 101 154: Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for the use of Video and Audio Coding in Broadcasting Applications based on the MPEG-2 Transport Stream, 2007. – formati kodiranja videosignala: MPEG-2, H.264/AVC, VC-1 – MPEGMPEG-2 ITUITU-T Recommendation H.262 / ISO/IEC 1381813818-2: Information technology - Generic coding of moving pictures and associated audio information: Video – H.264/AVC ITUITU-T Recommendation H.264 / ISO/IEC 1449614496-10:2005: Information technology Coding of audioaudio-visual objects - Part 10: Advanced Video Coding – VCVC-1 SMPTE 421M: VCVC-1 Compressed Video Bitstream Format and Decoding Process – radi se na razvoju specifikacije za sustav DVB-T2 Razvoj digitalne radiodifuzije Chesterski sporazum – multilateralni koordinacijski sporazum potpisan 1997. godine u Chesteru (32 europske zemlje) – koordinacijski sporazum koji definira tehničke parametre i načela frekvencijskog planiranja za uvođenje DVB-T sustava Regionalna radiokomunikacijska konferencija (RRC-06) – održana 2006. godine u Ženevi – utvrđen novi frekvencijski plan za digitalnu televiziju i radio – plan za Hrvatsku sadrži 7 nacionalnih pokrivanja u UHF IV/V i 1 nacionalno pokrivanje u VHF III te lokalna i regionalna pokrivanja za DTV – plan sadrži 3 nacionalna pokrivanja u VHF III za digitalni radio – prestao vrijediti Frekvencijski plan za analognu televiziju utvrđen na Europskoj VHF/UHF radiodifuzijskoj konferenciji 1961. u Stockholmu prestanak rada analognih TV odašiljača u zemljama EU planiran je za 2012. godinu Značajke digitalne radiodifuzije značajke digitalnog radiodifuzijskog sustava (pros) – bolje iskorištenje radiofrekvencijskog spektra – unutar jednog TV kanala može se prenositi 5-10 SDTV programa (ovisno o postupku kompresije videosignala) – jednofrekvencijske mreže (SFN, Single Frequency Network) – moguć je rad susjednih odašiljača na istoj frekvenciji – signal je otporan na šum i interferenciju – rabe se postupci za otkrivanje i ispravljanje pogrešaka kojima se postiže vjerojatnost pogreške manja od 10-9 – ušteda energije – za jednako pokrivanje kao u analognom radiodifuzijskom sustavu, potrebne su manje snage odašiljača – omogućen je prijam na mobilnim prijamnicima (vlak, autobus) – omogućeno je povezivanje s mobilnim komunikacijskim sustavima i prijam videosignala na dlanovnicima (DVB-H, DVB Handheld) – omogućeno je uvođenje interaktivnih multimedijskih usluga Značajke digitalne radiodifuzije značajke digitalnog radiodifuzijskog sustava (contra) – sustav nije kompatibilan s analognim radiodifuzijskim sustavom – za prijam je potreban poseban DVB-T prijamnik (set-top box), koji se spaja na postojeći televizor, ili televizor treba imati integriran DVB-T prijamnik – postoje različite inačice DVB-T prijamnika, čija izvedba ovisi o podržanim postupcima dekodiranja videosignala (MPEG-2 i H.264/MPEG-4 AVC) – sustav je složeniji od sustava analogne televizije – u prijenosu TV signala od odašiljačke do prijamne strane može se pojaviti zamjetno kašnjenje (800 ms do 3 s) – mjerenje kvalitete signala ne može se provesti mjernim postupcima koji su usvojeni za analognu televiziju – kvaliteta slike na prijamnoj strani ovisi o sadržaju slike i parametrima kompresije – krajnji korisnik ne vidi razliku u kvaliteti slike u odnosu na analognu televiziju (uz uvjet optimalnih prijamnih uvjeta u oba sustava) – period istodobnog rada analognog i digitalnog sustava (simulcast) izaziva poteškoće u frekvencijskom planiranju Značajke sustava DVB-T Blok-shema sustava za radiodifuziju DTV signala IZVORNO KODIRANJE Video Audio Podaci Video Audio Kompresija Kompresija Kompresija Kompresija Kompresija MPEG-2 SUSTAV ES ES ES M U X Prijenosni tok (TS) Kanalno kodiranje Modulacija ES ES Prijenos signala PRIJAMNIK Značajke sustava DVB-T ulazni videosignal – SDTV ili HDTV (High Definition Television) izvorno kodiranje – postupak smanjenja brzine prijenosa podataka – MPEG-2, H.264/AVC, VC-1 multipleksiranje i formiranje prijenosnog toka – MPEG-2 sustav (ISO/IEC IS 13818-1) kanalno kodiranje – osigurava zaštitu od pogreške dodavanjem redundancije modulacija – frekvencijski multipleks kodiranih ortogonalnih podnositelja (COFDM, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) – rabi se veliki broj frekvencijski bliskih podnositelja (2k ili 8k), pri čemu pojedini podnositelji mogu biti modulirani QPSK, 16-QAM ili 64-QAM – COFDM je postupak u kome sjedinjeni postupci zaštitnog kodiranja radi ispravljanja pogrešaka i OFDM-a Izvorno kodiranje SDTV Sustav Parametri Ukupan broj Y uzoraka u liniji Ukupan broj linija u slici Ukupna brzina prijenosa (4:2:2, n=10) Netto brzina prijenosa (4:2:2, n=10) SDTV 720x576/I/25 864 625 270 Mbit/s 207,36 Mbit/s HDTV (EBU Tech 3299: High Definition (HD) Image Formats for Television Production) Sustav Parametri Ukupan broj Y uzoraka u liniji Ukupan broj linija u slici Ukupna brzina prijenosa (4:2:2, n=10) Netto brzina prijenosa (4:2:2, n=10) S1 1280x720/P/50 1980 750 1,485 Gbit/s 921,6 Mbit/s S2 1920x1080/I/25 2640 1125 1,485 Gbit/s 1036,8 Mbit/s S3 1920x1080/P/25 2640 1125 1,485 Gbit/s 1036,8 Mbit/s S4 1920x1080/P/50 2640 1125 2,970 Gbit/s 2073,6 Mbit/s P I Y - progresivno analiziranje - analiziranje s proredom (interlaced (interlaced)) - luminantni signal Izvorno kodiranje četiri generacije HDTV sustava – nulta generacija – analogni HDTV sustavi (NHK 1125/I/30, MUSE) – prva generacija – formati slike: 1280x720/P/50, 1920x1080/I/25 uz MPEG-2 – rabi se u sustavima DVB-S i ATSC (Advanced Television System Committee) – druga generacija – formati slike: 1280x720/P/50, 1920x1080/I/25 uz H.264/AVC – rabi se u sustavima DVB-S2 i DVB-T – treća generacija – formati slike: 1920x1080/P/50, H.264/AVC kompresija – budući sustavi Izvorno kodiranje prednosti H.264/AVC u odnosu na MPEG-2 – povećana djelotvornost kodiranja (coding efficiency) – poboljšano nadomještanje pokreta – – – – – – promjenjiva veličina i oblik blokova točnost procjene vektora pokreta (1/4 u odnosu na 1/2 u MPEG-2 normi) rabi do 5 slika za procjenu pokreta (u odnosu na 2 slike u MPEG-2) smanjenje prostorne redundancije predviđanjem unutar slike uporaba adaptivnog filtra za uklanjanje vidljivosti rubova blokova u slici poboljšani postupci entropijskog kodiranja – za postizanje određene kvalitete slike moguće je rabiti dvostruko nižu brzinu prijenosa u odnosu na MPEG-2 – bolje iskorištenje radiofrekvencijskog spektra (8-10 SDTV programa unutar TV kanala) – mogućnost djelotvorne implementacije HDTV (3-4 HDTV programa unutar TV kanala) Izvorno kodiranje usporedba MPEG-2 i H.264/AVC - kvaliteta slike PSNR -Peak Signal to Nosie Ratio Izvorno kodiranje nedostaci H.264/AVC u odnosu na MPEG-2 – povećana složenost kodera (do 8 puta) i dekodera (4-5 puta) – povećano kašnjenje signala Drugo Adaptivni filtar Nadomještanje pokreta Inverzna transformacija Entropijsko dekodiranje Kanalno kodiranje unaprijedno ispravljanje pogrešaka (FEC, Foreward Error Correction) – u koderu se u tok podataka uključuju dodatni bitovi (redundancija), koji omogućavaju otkrivanje i ispravljanje pogrešaka u dekoderu u stvarnom vremenu BER<10-11 Podaci FEC u odašiljaču Raspršenje energije FEC u prijamniku Vanjsko kodiranje (RS) Inverzno ispreplitanje Ispreplitanje Unutarnje dekodiranje Inverzno ispreplitanje Unutarnje kodiranje Podaci Ispreplitanje Vanjsko dekodiranje (RS) Inverzno raspršenje energije Kanalno kodiranje vanjsko kodiranje – rabe se Reed-Solomonovi kodovi (RS) – na svaki paket prijenosnog toka podataka (TS) koji ima duljinu 188B dodaje se redundancija od 16B (8,5% u odnosu na 188B) – duljina paketa nakon RS kodiranja iznosi 204 B – mogu se ispraviti pogreške čija duljina ne prelazi 8B (1/2 redundancije) – omjer koda (code rate) za RS kod (R1) određuje se kao omjer broja bita prije i nakon kodiranja radi zaštite od pogreške – R1 =188/204=0,92 unutarnje kodiranje – služi za ispravljanje slučajnih pogrešaka bita – R2 - omjer koda za unutarnje kodiranje – – – – – 1/2 (100% redundancije) 2/3 (50% redundancije) 3/4 (33,33% redundancije) 5/6 (20% redundancije) 7/8 (14% redundancije) Modulacija OFDM – frekvencijsko područje (kanal) se dijeli u frekvencijske potpojaseve, a vremensko područje u vremenske segmente – u svakom vremenskom segmentu prenosi se K podnositelja – skup podnositelja u jednom vremenskom segmentu čini OFDM simbol – svaki podnositelj je moduliran s nekoliko bita podataka (v) – broj bita koji prenosi svaki podnositelj ovisi o vrsti modulacijskog postupka podnositelji Modulacija kašnjenje primljenog signala, koji je stigao do prijamnika neizravnom stazom, uzrokom je smetnji (višestazno prostiranje) neizravna staza izravna staza odašiljač nepovoljni učinci kašnjenja pojedinih signala uklanjaju se dodavanjem zaštitnog intervala na početak OFDM-simbola Modulacija značajke OFDM-a dobra svojstva u uvjetima izraženoga višestaznog prostiranja – kad je najveće kašnjenje signala manje od veličine zaštitnog intervala ne nastaju smetnje zbog višestaznog prostiranja povoljne osobine u uvjetima kad su smetnje koncentrirane na uski pojas frekvencija (selektivni feding) – «napadnuti» su samo neki od potkanala odnosno mali dio cjelokupnog OFDM-simbola – pogreške prijenosa se koncentriraju na određene skupine bitova što čini postupke zaštitnog kodiranja neučinkovitima – prije modulacije bitovi se isprepliću (ispremiješaju) po određenom pravilu kako bi se nakon inverznog ispreplitanja u prijamniku postigao slučajni karakter položaja pogrešnih bitova Modulacija rad mreže odašiljača na jednoj frekvenciji (SFN, Single Frequency Network) – učinak prijama signala od više odašiljača jednak je učinku prijama signala nastalog višestaznim prostiranjem – posljedice dubokih fedinga (ako ih ima) dobro se rješavaju metodama zaštitnog kodiranja – za ispravni rad SFN-mreže nužno je da svi odašiljači u mreži u svakom trenutku odašilju potpuno jednak signal – odašiljači moraju biti sinkronizirani po vremenu i po frekvenciji Parametri COFDM za DVB-T parametri sustava definirani u normi ETSI EN 300 744 – način rada: 8k ili 2k – 8k sustavi - K=6817 podnositelja – 2k sustavi - K=1705 podnositelja – korisno trajanje OFDM simbola (TS) – TS=896 µs za 8k – TS=224 µs za 2k – trajanje zaštitnog intervala (TZ) – 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 u odnosu na TS – ukupno trajanje simbola - TU=TS+ TZ – 8k – – – – TZ =1/4, TU =1120 µs TZ =1/8, TU =1008 µs TZ =1/16, TU =952 µs TZ =1/32, TU =924 µs Parametri COFDM za DVB-T – ukupno trajanje simbola - TU – 2k – – – – TZ =1/4, TU =280 µs TZ =1/8, TU =252 µs TZ =1/16, TU =238 µs TZ =1/32, TU =231 µs – razmak između podnositelja (1/TS) – 1116 Hz za 8k – 4464 Hz za 2k – razmak između prvog i zadnjeg podnositelja za širinu kanala 8 MHz – (K-1)(1/TS)=6816x1116Hz=1704x4464Hz=7,61 MHz – vrsta modulacije – QPSK, 16-QAM, 64-QAM – omjer koda za unutarnje kodiranje – 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 – širina kanala – 7/8 MHz Parametri COFDM za DVB-T kapacitet sustava – ukupna brzina prijenosa (brutto bit rate) – (K · v)/TU [Mbit/s] – K=1705 ili 6817 – korisna brzina prijenosa (useful bit rate) – – – – – – – (R1 · R2 · M · v)/TU [Mbit/s] R1 =0,92, R2 =1/2, 2/3, 3/4, 5/6 ili 7/8 M=K-broj pilotskih signala v =2, 4 ili 6 M = 1512 ili 6048 TU=TS+ TZ npr. sustav: 8k (K=6817 podnositelja, M=6048), modulacija: 64 QAM (v = 6 bita), zaštitni interval:1/4 (TU = 1120 µs), R1 = 0,92, R2 = 1/2 – ukupna brzina prijenosa = 6817 · 6 / 1120 µs = 36,52 Mbit/s – korisna brzina prijenosa = 6048 · 6 · 0,92 · 0,5 / 1120 µs = 14,93 Mbit/s Parametri COFDM za DVB-T korisna brzina prijenosa u Mbit/s – jednaka je 2k i 8k sustave – smanjenjem zaštitnog intervala i povećanjem omjera koda povećava se korisna brzina prijenosa Modulacija Omjer koda Zaštitni interval Kvaliteta slike kvaliteta slike u analognom sustavu za različite vrijednosti parametra S/N (omjer signal/šum) Kvaliteta slike kvaliteta slike u digitalnom sustavu za različite vrijednosti parametra MER (vjerojatnost pogreške modulacije)