BME Gazdaság- és Társadalomtudományi Kar Műszaki menedzser alapszak (BSc)
INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE Digitális televíziózás Dr. Abos Imre egyetemi docens
BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapest, 2014.
TELEVÍZIÓS RENDSZEREK Analóg televíziós szabványok Európa • • • •
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
STB
IKRM - Digitális televízió
IP gerinchálózat
Helyi hálózat
Internet
VoIP
Multicast képességű IP hálózat
DSLAM
TV fejállomás
Video szerver
B-RAS DRM DSL Access Multiplexer
Set-Top-Box
8
Dr. Abos Imre
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 IKRM - Digitális televízió
16:9-es képernyő arány 9
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
DIGITÁLIS TELEVÍZIÓZÁS A digitális TV és audió jel előállítása az ITU BT.R 601 szabvány alapján történik
IKRM - Digitális televízió
11
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
A HIBA DETEKTÁLÁSA Paritásbit • 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.: X12 + X11 + X3 + X2 + X1 + 1 IKRM - Digitális televízió
15
Dr. Abos Imre
REDUNDÁNS KÓDOLÁS 1 bitet érintő hibák javítása a0 a1 a2 a3 h0 h1 h2
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.
IKRM - Digitális televízió
16
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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 át1 rendezése
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
6 7
IKRM - Digitális televízió
4
5
8
9 10 11 12 13 14 15 16
19
Dr. Abos Imre
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 ReedSolomon-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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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
Dr. Abos Imre
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<1011. • Az átvitel: QEF (quasi error free)
IKRM - Digitális televízió
26
Dr. Abos Imre
Köszönöm a figyelmet!
IKRM - Digitális televízió
27
Dr. Abos Imre
