M holdas m sorvev rendszer (analóg, digitális) mérése Háttéranyag a méréshez Analóg TV m sorkészítésnél egy kamera veszi képpontonként a vörös, kék és zöld összetev értékeket. Annak érdekében, hogy a fekete-fehér vev készülékekkel is fogható legyen a színes adás a színösszetev kb l világosságjelet (Y) és színkülönbségi jeleket (Pr, Pb)egy állítanak el , majd a színkülönbség jeleket trükkös modulációs módszerekkel belekeverik a világosságjel spektrumába egy színsegédviv vel a PAL, SECAM vagy NTSC szabvány szerint. Így áll el az úgynevezett kompozit videojel.
A képjelhez hozzájön szintén szabványos elrendezésben a kísér hang vagy esetleg még több további hangcsatorna. Az alábbiakban látható az analóg alapsávi TV jel spektrumképe. Ez megy adásba. Valamilyen modulációs rendszer segítségével kerül földi sugárzásra, kábelTV csatormába vagy m holdra.
Digitális videó rendszereknél az MPEG2 szabvány a legelterjedtebb. Az MPEG kódoló egy tömörített digitális adatfolyamot ad.
Az egyes képkockákon belüli szabályosságok és az egymás utáni képkockák közötti hasonlóság alapján megy végbe a tömörítés. Fontos elem az egymás utáni képek elmozdulását jellemz vektor (motion vector). Az MPEG jelfolyamok között a legels az úgynevezett elemi jelfolyam (elementary stream), amely egy közel valós idej , folyamatos bitsorozat. Egy adott TV program jelfolyamában a „program stream” (PS) váltakozó hosszúságú csomagokból áll szabványos szerkezet fejrésszel. A kisugárzott vagy kábelen továbbított „transport stream” (TS) rövid és fix hosszúságú csomagokat tartalmaz a kép és hangadatok továbbítására és egy TS magában foglalhat több m sorprogramhoz tartozó csomagokat is. Az egyes csomagokat a fejrészben található PID (Packet IDentifier) azonosítja. Példaként a Duna TV m sora a Hot Bird 8 m holdon 12,149 GHz frekvencián vertikális polarizációval 27,5 MS/s
szimbólumsebességgel veghet és a jelfolyamban az átvitt m sorjelek PID-számai: video-96 decimális, sztereó adáshang: 97 decimális, sztereó Kossuth: 99 decimális, sztereó Pet fi: 100 decimális, Teletext: 98 decimális. A digitális m holdas rendszerben QPSK modulációval a kb. 30MHz szélesség csatornán mintegy 38 Mbit/s-os adatátvitel lehetséges. Ez pl. 3Mbit/s-ra tömörített programok esetén 12 m sor átvitelét jelentheti. Budapestr l látható m sorsugárzó geostacionárius holdak neve és elhelyezkedése az égbolton.
A m holdak által használt frekvenciasávok
Egy m hold transzponder vázlatos felépítése az alábbi ábrán látható. A vev veszi a földi feladóállomásról küldött jelet. Átteszi a lesugárzási irányhoz tartozó frekvenciasávba és a nagyteljesítmény adóval adott iránykarakterisztikával lesugározza a földre. Az a terület, amelyen megfelel szinten vehet a m holdcsatorna jele az a m hold „lábnyoma” (footprint).
A Hot Bird m hold lábnyoma látható az alábbi ábrán.
A földi vev rendszer részei a parabola antenna, a kiszajú el er sít egység (LNB), az összeköt koaxiális kábel, a beltéri egység (analóg és/vagy digitális), TV vev készülék.
Egyes rendszerek rendelkeznek még antennamozgató egységgel, amelynek része a parabolaantennát mozgató egység és a beltéri egységben elhelyezked antennavezérl egység. Egy LNB (fejegység) felépítése. A H-V kiválasztásra és az oszcillátor frekvencia kiválasztásához a vezérl jelet a beltéri egységt l kapja.
Analóg beltéri egység felépítése A fejegységb l jöv jelet er síti és demodulálja. A demodulált jel kompozit moduláló jelként vagy a 40. TV csatornán (vagy környékén) rádiófrekvenciás jelként jelenik meg képmagnó vagy TV készülék csatlakoztatására antennabemeneten keresztül. Az alapsávi analóg kompozit videojel és a hangjel külön kimeneteken megjelenik.
Digitális beltéri egység felépítése. A lényeges eltérés az analóg egységhez képest a QPSK demodulátor, a hibajavító és az MPEG2 dekóder együttese az FM demodulátor helyett.
A DVB-T elterjedése. Az Európában DVB-T (Digital Video Broadcast - Terrestrial), illetve az Egyesült Államokban DTV (Digital Television) néven is emlegetett digitális földfelszíni sugárzású televíziózás (DTTV) bevezetése már évek óta gyors ütemben halad világszerte. A DVB-T egy, a földfelszíni digitális televíziózásra vonatkozó nemzetközi jelátviteli szabvány. A digitális TV jeleket ugyanabban a frekvencia-tartományban továbbítják, mint analóg elődjeiket. Egy analóg TV csatorna spektrum képe látható az ábrán.
1. ábra: TV-csatorna analóg TV jellel
A teljes sáv (UHF) csatorna kiosztása látható a következő ábrán. A csatornakiosztásnál technikai okok miatt a sávban 1MHz távolságot hagytak az egyes TV csatornák között. A technika fejlődésével jobb pontosabb szűrők készítése lehetővé tette, hogy a csatornák közötti hézagokat más szolgáltatásra használjunk ilyen pl. az RF mikrofonok rendszere.
Analóg TV-csatorna (8 MHz széles) RF vezeték nélküli mikrofon jelátviteli frekvenciája (200 kHz széles) 2. ábra: Ahogy az UHF tartományt az analóg TV csatornák és a vezeték nélküli jeladó eszközök korábban használták
A digitális televíziózás teljesen elfoglalja a 8 MHz széles csatornát. A DVB-T által használt új digitális jelforma miatt az 1 MHz-es „hézag" többé nem áll rendelkezésre.
3. ábra: TV-csatorna DVB-T jellel
A vezeték nélküli mikrofonokhoz jelenleg rendelkezésre álló spektrum, főként az analóg és digitális TV adók párhuzamos működésének következtében, számos országban nagyon korlátozott.
Analóg TV csatorna (8 MHz széles) RF mikrofon jelátviteli frekvenciája (200 kHz széles) Digitális TV csatorna (8 MHz széles)
4. ábra: Ahogy az UHF tartományt az analóg és digitális TV csatornák, valamint a vezeték nélküli audio jeladó eszközök jelenleg használják
Az UHF sáv kiosztása Megfigyelhető, hogy a TV csatornákhoz rendelkezésre álló UHF spektrumot nemzetközi szinten egyre szűkebbre szabják, hogy a DVB-H-hoz (Digital Video Broadcasting Handheld) hasonló új szolgáltatásoknak helyet adjanak. Azok az új rendelkezések, melyek lehetővé teszik, hogy a nem rendszeresen használt frekvenciákat új elsődleges használóknak (pl. mobil kommunikációs szolgáltatóknak) adják.
Új szolgáltatások RF mikrofon átviteli frekvenciája (200 kHz széles) Digitális TV csatorna (8 MHz széles) 5. ábra: Ahogy az UHF tartományt a digitális TV csatornák, a vezeték nélküli audio jeladók és az új szolgáltatások használni fogják
A televíziónak elsődleges státusza van a VHF és UHF tartományban. Az európai országokban a VHF és UHF sávban történő sugárzás digitális kódolására MPEG-2 vagy MPEG-4 tömörítést használnak. Ennek megoszlását mutatja a táblázat
Kétféle tömörítési szabvány terjedt el Európában, az MPEG-2 és a fejlettebb MPEG-4.
Ország
Digitális indulás
Tömörítési eljárás
Analóg szolgáltatás [1] lekapcsolása
Ausztria
2006
MPEG-2
Lezajlott (2011)
Belgium (flamand rész)
2002
MPEG-2
Lezajlott (2008)
Csehország
2005
MPEG-2
Lezajlott (2011)
Dánia
2006
MPEG-2 / MPEG-4 AVC Lezajlott (2009)
Észtország
2006
MPEG-4 AVC
Lezajlott (2010)
Finnország
2001
MPEG-2
Lezajlott (2007)
Franciaország
2005
MPEG-2 / MPEG-4 AVC Lezajlott (2011)
Hollandia
2003
MPEG-2
Lezajlott (2006)
Horvátország
2009
MPEG-2
Lezajlott
Írország
2011
MPEG-4 AVC
2012
Lengyelország
2009
MPEG-4 AVC
2014
Litvánia
2009
MPEG-4 AVC
Lezajlott (2012)
Magyarország
2008
MPEG-4 AVC
2014
Egyesült Királyság
1998
MPEG-2
2012
Németország
2002
MPEG-2
Lezajlott (2008)
Norvégia
2007
MPEG-4 AVC
Lezajlott (2009)
Olaszország
2004
MPEG-2
2012
Oroszország
2012
MPEG-4 AVC
2015
Portugália
2009
MPEG-4 AVC
Lezajlott (2012)
2000/2005
MPEG-2
Lezajlott (2010)
Svájc
2001
MPEG-2
Lezajlott (2008)
Svédország
1999
MPEG-2
Lezajlott (2007)
Szlovákia
2009
MPEG-2
2012
Szlovénia
2006
MPEG-4 AVC
Lezajlott (2011)
Ukrajna
2008
MPEG-4 AVC
Spanyolország
2014
A magyarországi helyzet: A digitális televíziós sugárzás tesztelése 1999-ben indult az országban, akkor még MPEG2 kódolással. 2001-ben indult el a közszolgálati csatornák kisteljesítményű folyamatos sugárzása Budapesten. 2004-ben indult az üzemszerű, nagyobb teljesítményű kísérleti sugárzás Budapesten és a Kabhegyi adótoronyból. 2008-ban írták ki a pályázatot az öt földfelszíni digitális televízió-, és egy földfelszíni digitális rádióműsor-szóró hálózat üzemeltetésére. Mindkét pályázatot az Antenna Hungária nyerte meg. Ezzel egyidőben eldőlt, hogy Magyarországon nem az MPEG-2, hanem a korszerűbb MPEG-4 kódolást használják majd a sugárzás során.
Az analóg sugárzás teljes leállítását - az európai ajánlásoknak megfelelően - először 2012 év végére tervezték, de később 2014. december 31-re módosították. Jelenleg még nem ismeretes a lekapcsolás ütemezése.
Digitális TV szabványok Bevezetés Az új kommunikációs technológiák bevezetése előtt mindig van lehetőség és remény egy egységes világszabvány kialakítására, de ez a törekvés mindeddig nem hozott eredményt. Nem történt ez másként a digitális TV sugárzás szabványainak kidolgozásakor sem, emiatt ma a világon három szabvány létezik: ISDB-T (Japán) ATSC-DTV (Egyesült Államok) DVB-T (Európa) DMB-T/H (Kína) A szabványok közül az ISDB-T a DVB-T, illetve a DMB-T/H műszaki alapjai nagyon hasonlóak, illetve azonosak, az ATSC műszaki tartalma alapjaiban különbözik tőlük. A digitális TV műsorszórás kidolgozásának szükségességét a HDTV szabvány megjelenése okozta. A nagy felbontású televízió (HDTV) sávszélesség igénye analóg sugárzás esetén kb. 26 MHz, ez pedig a rendelkezésre álló, szabványban rögzített 6 MHz (USA) 8 MHz (Európa) sávszélesség többszöröse, vagyis analóg sugárzású adásokat kellene megszüntetni a HDTV sugárzás elindításához. A videojel digitalizálása lehetővé teszi a „feleslegesen” közvetített információk kiszűrését (MPEG-2 kódolás), így az adatfolyam 19 Mbit/s sebességűre csökkenthető. A digitális modulációs módszerek lehetővé teszik, hogy ez az adatsebesség a szabványos 6 (8) MHzes sávszélességben közvetíthető legyen, vagyis egy HDTV műsort egy korábbi analóg TV adó frekvenciasávjában lehessen sugározni.
1. Az ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) szabvány 1.1. Előzmények: A HDTV-vel kapcsolatos kutatások az 1960-as években kezdődtek Japánban, noha a Nemzetközi Távközlési Egyesület (ITV) csak 1973-ban alkotta meg a HDTV sugárzást is lehetővé tevő szabványt. (ITV-R) A 80-as években tervezték meg a HDTV felbontásnak megfelelő TV kamerát, képcsövet, mágnesszalagos rögzítőt és az editáló berendezéseket. 1982-ben fejlesztette ki a Nihon Hoso Kyokai (NHK) a „MUSE” szabványt (MUltiple sub Nyquist Sampling and Encoding), amely a digitális videojelet tömörítette, majd digital-analóg konverzió után frekvenciamodulációval sugározta műholdról. 1987-ben Washingtonban és a NAB konferencián mutatta be az NHK az új rendszert, ennek hatására indult meg az amerikai (ATSC) majd az európai (DVB) szabványok kidolgozása. 2003. december 1.-én kezdődött Japánban az ISDB-T szabvány szerinti digitális földfelszíni TV sugárzás.
1
1.2 Az ISDB szabvány műsortovábbítási módjai A szabvány alapjában digitális formában történő kép és hangjelek közvetítését jelenti. A szabvány részei: a.) ISDB-S (műholdas televízió) b.) ISDB-T (földfelszíni televízió) c.) ISDB-C (kábeltelevízió) d.) MobaHo (műholdas sugárzású rádióadás mobil vételre, 2,6 GHz frekvencián) e.) ISDB-Tsb (földfelszíni sugárzású rádióadás 2004.október 20.-tól) f.) „Visszairányú csatorna” telefonvonalon, mobiltelefon hálózaton.
1.3. Az ISDB szabvány műszaki tartalma 1.3.1. A digitális video- és hangjel tömörítése és hibavédelme A szabvány mindkét jelre az MPEG-2 szabványú tömörítést alkalmazza. Az MPEG-2 adatfolyam 188 bájt-os részekből áll, amelyet az átvitel hibáinak felismerésére és javítására kiegészítenek 16 bájt-tal. (Reed-Solomon 188/204 külső kódolás) A külső kódolás előtt egy ún. „belső” kódolás történik a hibavédelem robosztusságának fokozására, ez általában konvolúciós kódolás, amely az adatfolyamot blokkokra osztja, és a blokkokon belüli hibák felismerésére és javítására hozzájuk újabb bitet (biteket) rendel. Mind a belső, mind a külső kódolás természetesen többlet információt ad az adatfolyamhoz, ezáltal az adatsebesség növekszik. 1.3.2. Modulációs módszerek Az ISDB szabvány (és a DVB-T) a QAM (Quadrature Amplitudo Modulation) módszert alkalmazza. Ennek lényege, hogy a bitfolyamot bitcsoportokra (szimbólumokra) osztva a szinuszos vivőhullám amplitúdóját és fázisát változtatják a szimbólumoknak megfelelő pozíciókba. (1. ábra)
1. ábra BPSK, 4QAM és 16QAM moduláció Ezáltal nem csak egy bitet (1-0, két állapot) lehet egy vivőhullám állapottal közvetíteni (mint BPSK-Binary Phase Shift Keying esetében), hanem a szimbólumok elem számának (x) megfelelően 2, 3, 4 … bitet, minek következtében N=2x számú állapot jön létre. Ezért beszéltünk 4QAM, 8QAM, 16QAM …. 256QAM, NQAM modulációról. Ha egy szimbólumba sok bitet kódolunk, akkor a vektor állapotainak száma növekszik, az egyes állapotokat meghatározó I, (in phase) Q (quadrature) koordináták közelebb kerülnek
2
egymáshoz, ez az egyes vektorok meghatározó értékei is közelebb kerülnek egymáshoz amplitúdóban és fázisszögben is. Ez azt jelentheti, hogy az átvitel során a vivőfrekvenciás jel zavar hatására könnyen kerülhet át egyik állapotból a másikba, ezáltal az eredetitől eltérő, hibás információt kapunk. E meggondolásból alakult ki a különböző terjesztési módokhoz rendelt QAM mód, a DVB-T esetén 16 vagy 64 QAM (4, 6 bit/szimbólum), a DVB-C esetén 64-128-256 QAM( 6,7, vagy 8 bit/szimbólum), míg a legkritikusabb (36.000 km-ről érkező) DVB-S jel esetén a 4 QAM (2 bit/szimbólum), más néven QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Meg kell jegyezni, hogy a DVB-S2 szabvány már 8QAM modulációt alkalmaz, MPEG-4 adatredukciós módszerrel! 1.3.3. OFDM (Sugárzás több vivőfrekvencián) A digitális információt időben több ezer részre osztják, ezzel a lecsökkentett információ tartalommal modulálnak egy vivőt QAM módon. Természetesen a teljes információ átvitelére ezért több ezer vivőt kell alkalmazni, a vivők egymásra hatása nélkül. Ezt a feladatot oldja meg a OFDM moduláció, melynél a szomszédos vivőhullámoknak éppen nulla energiájú helye van az adott vivőfrekvencián. A vivők száma 2k (1705 db) vagy 8k (6817 db), ezek összegzése adja az eredő átviteli karakterisztikát. (1. ábra) A csökkentett információtartalom nem „tölti ki” a teljes cellaidőt, beiktatnak egy moduláció nélküli időszakaszt, amelyet védelmi időnek (GI-Guard Interval) nevezünk. A vivőhullám házakon, járműveken,…stb történő reflexiója miatt több, különböző fázisú jel éri a vevőkészülék antennáját, amelyek összeadódva egészen más, hibás információtartalmú jelet eredményezhetnek. Ha a visszaverődött jel a védelmi időn belül érkezik, a készülék ezt nem veszi ezt figyelembe, a vétel hibátlan lesz. A szabvány többféle védelmi intervallum nagyságot enged meg, ezek változtathatóak az átviendő információtartalom és a vételi lehetőségek minőségének függvényében.
1. ábra Az OFDM moduláció eredő spektruma
Egyfrekvenciás hálózat (Single Frequency Network, SFN) A többvivős moduláció, és a GI beinzertálása lehetőséget nyújt arra is, hogy a nagy országrészeket lefedő, több adóállomással sugárzott műsorok adói azonos frekvencián üzemeljenek. Ebben az esetben az interferenciát a két adóállomás vételi határán álló 3
vevőkészülékben nem visszavert hullám, hanem a két adó közvetlen jele okozza, de a GI ugyanúgy megvédi a jelet, mint visszaverődés esetében. Ez a módszer újabb, az analóg sugárzáskor foglalt frekvenciákat szabadít fel. 1.3.5. ISDB vételi sávok és adatsebességek a) ISDB-S Frekvenciasáv Moduláció Adatsebesség Sávszélesség
11,7-12,26 GHz QPSK(4QAM) 40 Mbit/s 34,5 MHz
b) ISDB-T Frekvenciasáv Moduláció Adatsebesség Sávszélesség
VHF, UHF, SHB (super high band) QPSK-OFDM, 16QAM-OFDM, 64QAM-OFDM 19 Mbit/s, 5,6 MHz, kompatibilis az analóg 6MHz sávszélességgel.
12,2-12,75 GHz TC 8PSK 51 Mbit/s 34,5MHz
1.3.6. Az ISDB-T szabványt használó országok Brazíliában a Televízió Mérnökök Egyesülete (SET) valamint a Rádió és TV műsorszolgáltatók Egyesülete összehasonlító méréssorozatot szervezett, amely keretében a három rendszert (ATSC, ISDB-T, DVB-T) rendszert tesztelték. Az összehasonlító mérések után az ISDB-T rendszert választották, a stabil hordozható, és mobil vételnek köszönhetően.
1.4. Az ISDB-T szabvány szolgáltatásai a) b) c) d)
Egy HDTV vagy három SDTV műsor sugárzása egy 6 MHz-es csatornán Adatátviteli lehetőség a felhasználó felé Elektronikus műsorfüzet (EPG) sugárzása Az ISDB-T szabvány egyéb szolgáltatásai: - Egyfrekvenciás hálózat (SFN) létrehozása - A műsor lakáson belül egyszerű botantennával fogható - Ellenálló a rendszer az interferenciás és impulzuszavarokkal szemben - Zavarmentesen képes TV műsort venni 100 km/ó sebességgel haladó járművön - Zavarmentes mobiltelefon vétel 400 km/ó sebességű járművön - Az ISDB-T adás frekvenciasávját 13 részre osztották, ebből egy a mobiltelefon csatorna, a maradék 12 osztható fel három SDTV vagy egy HDTV adás között
4
2. Az ATSC-DTV szabvány 2.1. Előzmények A HDTV fejlesztése érdekében 1977-ben létrehozták az SMPTE-n (Society of Motion Pictures and Television Engineers) belül a HDTV munkacsoportot, amely 1980-ban megjelent összefoglaló jelentésében meghatározta a HDTV fejlesztéssel kapcsolatos alapelveket. 1982-ben az USA televíziós iparága létrehozta az „Advanced Television System Committee”-t (ATSC) , hogy koordinálja a fejlesztést és szabványosítást. 1988-ban az FCC (Federal Communication Committee) meghatározta az alapelveket: - Az Advanced Television (ATV) rendszer mielőbbi bevezetése - A sugárzás az UHF-VHF frekvenciasávban történjen - Az átállás az ATV rendszerre csak „symulcast” módban történhet, az átmeneti időszakban sugározni kell az analóg NTSC TV jelet is - Az ATV adás sávszélessége nem lehet nagyobb, mint az analóg NTSC sávszélesség, 6 MHz A bizottság 1990-ben értékelte a beérkezett 21 javaslatot, amelyek közül több nem teljesítette a követelményeket, illetve néhány analóg megoldást a digitális technika térhódítása miatt visszavontak a benyújtók. A versenyben maradt négy társaság ( AT&T-Zenith, GI, Philips-Thomson, MIT) létrehozta a „nagy szövetség”-et (Grand Alliance, GA) azzal a céllal, hogy a négy javaslatból egyetlen rendszert alakítsanak ki a földi digitális TV műsorszórás számára. 1995 végén elfogadták az A/53 digitális televízió szabványt, majd az A/52-t, amely a kísérőhang szabványát határozta meg (Dolby 5.1 rendszer, AC-3 tömörítéssel)
2.2 Az ATSC szabvány műsortovábbítási és modulációs módjai Az elfogadott szabványt később sok bírálat érte (és éri ma is), ugyanis nem sikerült egységes módszert kidolgozni a különböző műsortovábbítási rendszerekhez. Az ATSC nem követte a japán, kínai és európai kutatók által preferált OFDM (COFDM) technológiát, ezáltal eleve kizárta a mozgó járművön történő vétel lehetőségét. A földi és kábelen történő műsortovábbításra a 8VSB és 16VSB modulációt szabványosították, mivel ezek a módok nem alkalmasak mozgás közbeni vételre, nem alkalmazhatók rádió műsorszórásra sem. A kábeles műsorszolgáltatók kéréssel fordultak az FCC-hez, hogy a 16VSB moduláció mellett a 256QAM módot is alkalmazhassák annak frekvenciatakarékossága miatt. Az Egyesült Államokban a műholdas műsorszórásra, valamint a rádió műsorsugárzásra az Európában is alkalmazott modulációs módszereket alkalmazzák.
5
2.3 Az ATSC szabványú földi digitális TV műsor sugárzás műszaki tartalma 2.3.1. A digitális video és hangjel tömörítése és hibavédelme A szabványt megalkotó bizottság elfogadta az Európában és Japánban alkalmazott MPEG2 videojel tömörítési módot, de a kisérőhang tömörítését a Dolby 5.1 eljárás alkalmazása miatt AC-3 (Audio Coding-3) módban határozták meg. A jelfolyam külső hibavédelmét hasonlóan a másik két szabványhoz a Reed-Solomon 187/207 kód biztosítja. A különbség az, hogy az MPEG-2 jelfolyam szinkron bájtját eltávolítják, ide a rendszer saját szinkronjelét ültetik be, ezért 187 a kiinduló bájtok száma. Szemben az európai rendszerrel, nem 16, hanem 20 bájtos a R-S kód, ezáltal 10 bájtnyi hibát képes javítani a 8 bájt helyett. 2.3.2. Az ATSC rendszer modulációs módszere A szabvány a földfelszíni TV adáshoz a 8VSB, kábelen történő műsortovábbításhoz a 16VSB modulációt írja elő. Az eljárásoknál a VSB a csonka oldalsávot (Vestigial Side Band) jelöli, vagyis ugyanolyan adómodulációt alkalmaznak, mint korábban az NTSC analóg TV jel sugárzásakor. A 8 illetve 16 jelentése pedig az, hogy ennyi diszkrét analóg jelszintet visznek át a modulációval, tehát egy digitális szimbólum 3 illetve 4 bitet tartalmaz, melyet a 8 (16) analóg feszültségszint egyike határoz meg. A jelfolyam minden bájtját négy, egyenként két bites „digitális szó”-ra (szimbólumra) osztják fel. A két bites szimbólumokat megelőző szimbólumok változásait figyelembe véve, matematikailag állítanak elő egy három bites szimbólumot, amely így tartalmazza már a 2/3 arányú, belső, ún. „Trellis” hibavédelmet. Ezeket a három bites szimbólumokat kódolják analóg feszültség értékekkel, a három bitnek megfelelő nyolc feszültség szinten. (3. ábra)
3. ábra A három bites szimbólumok ábrázolása analóg feszültségként
6
A 8VSB jel kialakítása a következő blokkséma szerint történik (4. ábra)
4. ábra A 8VSB adásjel előállítása az MPEG-2 jelfolyamból A „FRAME SYNCHRONIZER” a beérkező jelfolyamot a saját, belső időzítése szerint ütemezi, eltávolítja a jelfolyam első (szinkron) bájtját, amelyet majd a „SYNC. INSERTION” fokozatban az ATSC szegmens szinkron jellel helyettesít. A „DATA RANDOMIZER” fokozat egy álvéletlen jelsorozatot képez a bejövő jelből azért, hogy az esetleg jelenlévő nagy energiájú spektrumokat „szétszórja” a frekvencia tartományban. Ez annak érdekében történik, hogy az így egyenletes energiájúvá tett jel teljesen kihasználhassa az adóberendezés rendelkezésre álló energiáját, ne legyenek alulilletve túlvezérelt részei a spektrumnak. A „REED-SOLOMON ENCODING” fokozat állítja elő a 20 bájtos külső hibajavító kódot, amelyet a 187 bájtos „keret” után illeszt. A”DATA INTERLEAVER” szerepe az adatok időben való „szétszórása”, biztosítva ezzel a műsor folyamatos vételét. Ugyanis ha sok hiba (ún. hibacsomó) keletkezik egy időintevallumban, ezért az R-S kód nem tudná ezeket javítani, akkor az időben máshol elhelyezkedő, de egymáshoz tartozó adatokból interpolációval vagy helyettesítéssel a közel eredeti jel helyreállítható. A”TRELLIS ENCODER” a már leírt módon a két bites szimbólumokat három bitessé alakítja, ezzel teremti meg a belső hibavédelem lehetőségét. A „SYNC&PILOT INSERTION” áramkör feladata, hogy az ATSC szabványos jelfolyamba olyan diszkrét frekvenciájú jeleket inzertáljon, melyek segítségével a vevőkészülék áramkörei pontosan az adóból kisugárzott ütemezés szerint működhetnek. A 8VSB modulátorban a nyolc diszkrét feszültségszintű digitális moduláló jel kétoldalsávosan modulál egy-a végleges adófrekvenciánál kisebb frenvenciájú közbenső vivőt (IF). A moduláció utáni jel képe látható az 5. ábrán Az ábra felső felében a moduláló jel látható, az alsó részen a kétoldalsávos moduláció (analóg modulálójel esetén :Amplitude Modulation Double Side Band, AM-DSB, 8 szintű digitális moduláló jelnél 8DSB elnevezésű) utáni jel.
7
5. ábra A moduláló jel, és a 8DSB moduláció után kialakuló jel az időtartományban A keletkezett modulált jel még kétszer akkora frekvenciasávot foglal el, mint ahogy a szabvány ezt előírja, ezért egy szűrővel eltávolítják az alsó oldalsávot (Nyquist filter). Így alakul ki a csonka oldalsávos 8VSB modulációjú jel. ( 6. ábra) Az ábra felső részén a szűrés előtti 8DSB, alatta az alsó oldalsáv eltávolítása után kialakuló 8VSB jel látható.
6. ábra A 8DSB és a 8VSB moduláció utáni jel képe az időtartományban
Az így kialakított jelet az „ANALOG UPCONVERSION” fokozat helyezi a végleges, kisugárzandó frekvenciára. A jel demodulálása a vevőkészülékben a 7. ábra szerint történik: meg kell vizsgálni a mintavételi időpontokban, hogy a jel a nyolc szint közül melyik értéket veszi fel, ez a feszültség érték határozza meg a három bites szimbólumot. A jel dekódolása pontosan fordított sorrendben történik, mint a kódolás során.
8
7. ábra 8VSB jel demodulálása 2.3.3. A 8VSB jel adatsebessége, sávszélessége A HDTV digitális videojel kb 1Gbit/s adatsebességét az MPEG-2 kóder 19,39 Mbit/s sebességre redukálja. A Reed-Solomon hibavédő kódolás az adatsebességet növeli, a hozzáadott információnak megfelelően: VRS= 207/187 *19,39=21,46 Mbit/s , ezt a Trellis kóder tovább növeli VTR= 3/2*21,46=32,19 Mbit/s-ra. Ebből a sebességű jelfolyamból képezik a három bites szimbólumokat, (SYMB) ezáltal az adatsebesség harmadára, 10,73 Mbit/s-ra csökken. Ennek az adatsebességnek megfelelő sávszélesség: fB=VSYMB/2=5,36 MHz, amely „elfér” az előírt 6 MHz-es sávban. Földfelszíni sugárzásra az Egyesült Államokban az UHF/VHF frekvenciasáv használatos. 2.3.4. Az ATSC földfelszíni műsorsugárzás szabványt használó országok Az Egyesült Államokon kívül ezt a szabványt használja: Kanada, Mexiko, Taiwan, és DélKorea. 2.3.5. Az ATSC-DTV szabvány szolgáltatásai a) b) c) d) e) f)
g)
Egy HDTV vagy 3-4 SDTV műsor sugárzása egy 6 MHz-es sávban Adatátviteli lehetőség a felhasználó felé EPG (elektronikus műsorfüzet) sugárzási lehetőség A szabvány támogatja a következő képformátumokat: 4:3; 16:9 Dolby 5.1 térhatású hang Kiegészítő szolgáltatások a hangra: a műsoron belül négyféle hanginformáció érhető el: - dialóg (a film eredeti hangja) - kommentár (írásos vagy beszélt formában) - vészhelyzet jelzése (időjárás, forgalom…) - „voice over” funkció (pl. szimultán fordítás) Kiegészítő szolgáltatások: - interaktív reklámok ( a reklámozott termékkel kapcsolatos információk lehívhatók, visszairányú kapcsolat szükséges) - interaktív alkalmazások (játékok, tanulóprogramok, e-mail…) - a vevőkészülék szoftver frissítése (adás közben, az éteren keresztül)
9
2.3.6. Az ATSC rendszer összehasonlítása az OFDM rendszerekkel a) Objektív összehasonlítás: - a 8VSB rendszer nem alkalmas mozgás közbeni vételre, az OFDM igen - a 8VSB rendszer érzékeny a reflexiókra a városi környezetben - reflexió mentes környezetben a 8VSB rendszer hatótávolsága valamivel nagyobb, mint az OFDM rendszeré - a 8VSB rendszer beltérben kielégítő vételt csak 9m magasra helyezett antennával ér el, míg az OFDM 1.8 m-es antennával - az OFDM adó és vevőberendezése drágább (egyenlőre) b) Szubjektív összehasonlítás: Az Egyesült Államokban 1999-2000-ben két kísérletsorozatot végeztek a két rendszer (ATSC-DTV, DVB-T) vételi lehetőségeinek összehasonlítására. Az elsőt a Sinclair Broadcast Group, a másodikat 2000.-ben az MSTV-NAB szervezte. A két csoport érdekei homlokegyenest ellenkezőek, ennek eredménye az, hogy az 1999es (Sinclair) teszt egyértelműen az OFDM módszer sikerét hozta, míg a 2000.-ben folytatott teszt a 8VSB-t sok tekintetben jobbnak ítélte az OFDM technológiánál.
3. A DVB (Digital Video Broadcasting) szabvány 3.1. Előzmények Európában a 80-as évek végén, 90-es évek elején indult a digitális televíziózás műszaki paramétereinek kidolgozása, egyrészt annak érdekében, hogy egy hosszútávon jó minőségű TV vételt és különböző szolgáltatásokat tudjanak nyújtani a háztartásoknak, továbbá műszakilag lehetővé tegyék a nagy sávszélesség igényű HDTV földfelszíni sugárzását. A másik, nem titkolt cél az volt, hogy egy lehetséges egységes világszabvány feloldja a jelenleg analóg formában létező NTSC, SECAM és PAL rendszerekből adódó műszaki tagoltságot. Ennek érdekében létrehozták DIGITAG (Digital Television Action Group) csoportot, amelynek feladata a szabvány kidolgozása, és az európai bevezetés koordinálása volt. 1997-ben megalkották az MPEG-2/DVB-T szabványt (ETSI, European Telecommunication Standardisation Institute), így minden akadály elhárult a technológia bevezetése elől. Külön szabványban rögzítették a kábelen történő és műholdas műsorterjesztés kötelező műszaki paramétereit. 1998-ban Angliában kezdték el a digitális televízió hálózatok kiépítését, a DIGITAG ajánlásait 27 európai és 15 Európán kívüli ország fogadta akkor el.
3.2. A DVB szabvány műsortovábbítási módjai DVB-T (Digital Video Broadcast- Terrestrial) földfelszíni digitális TV adás DVB-C (Digital Video Broadcasting-Cable) digitális kábeles műsorelosztás DVB-S (Digital Video Broadcasting-Satellit) digitális műholdas TV adás DVB-H (Digital Video Broadcasting-Handheld) TV műsor szolgáltatás mobil telefonon
10
3.3. A DVB-T szabvány műszaki tartalma 3.3.1. A digitális jel adatsebesség redukciója (tömörítése) és hibavédelme Az analóg TV műsor sugárzás során egy 8 MHz-es sáv állt egy TV adó rendelkezésére, ez nem változhat meg a digitális sugárzásra történő áttéréskor sem. A hatékony QAM modulációnak köszönhetően, a rendelkezésre álló 8 MHz frekvencia sávban 4-6 db digitális TV adó „fér el” a moduláció fok számától (16-64) függően, így újabb frekvencia sávok szabadulnak fel az újonnan belépő adóállomások számára. A moduláló jel az MPEG-2 tömörítésű kép-hang, amelynek hibavédelmét belső-külső hibajavító kódolással biztosítják. A belső kódolás az ún. „Viterbi” eljárás szerinti, az adatfolyamhoz adott kiegészítő kódok hossza szerint megkülönböztetünk 1/2, 2/3, 3/4…….. m/n kódarányt, ami azt jelenti, hogy az eredeti „m” elemű szimbólum „n” eleműre növekszik a kód hozzáadása után. A külső kódolás Reed-Solomon 188/204 kód, amely a 188 bájtból hiba esetén nyolc bájtot képes javítani. A moduláló (alapsávi) jel kialakítása a COFDM eljárás szerint történik. Természetesen a DVB-T is alkalmazza a védelmi intervallumot (GI), amelynek időtartamát a szimbólumidőhöz viszonyítják. 3.3.2. COFDM és SFN A DVB-T szabvány az COFDM módszert alkalmazza, emiatt létrehozható az egyfrekvenciás hálózat is. 3.3.3. DVB-T vételi sávok, adatsebességek A DVB-T adások az analóg rendszerek által használt UHF-VHF sávban történnek. A moduláció 16QAM vagy 64QAM, különböző kódaránnyal és védelmi intervallummal. A szimbólum sebesség 64QAM és 3/4 kódarány esetén 4 Mbit/s, ami 2 MHz sávszélességnek felel meg, tehát egy 8 MHz-es sávban négy adó sugározhat egyidejűleg. (multiplex) 3.3.4. A DVB-T szabványt használó országok Ezt a szabványt használja Európa, ezen kívül 156 Európán kívüli ország vezette be, vagy tervezi bevezetni a DVB-T szabványú digitális TV műsorsugárzást. (2006. augusztus)
3.4. A DVB-T szabvány szolgáltatásai -
Egy 8 MHz sávban egy HDTV vagy 4-8 SDTV műsor sugározható Vétel mozgó járművön Lakáson belüli vétel botantennával Zavarokra érzéketlen (interferencia és impulzuszavar) Szuper teletext szolgáltatás, képekkel interaktív mezőkkel, mozgó feliratokkal, zenével - EPG (Electronic Programming Guide) : részletes műsorkalauz, sok kiegészítő információval, általában 1 hétre előre tervezve. Ennek alapján a néző maga állíthatja össze a saját, „testreszabott” TV műsorát. - Interaktivitás lehetősége. A néző telefonvonalon, ISDN, XDSL hálózaton, vagy mobil készüléken keresztül kapcsolatba léphet az adást lebonyolító szerverrel, ezáltal különböző szolgáltatásokat vehet igénybe. - Egy 8 MHz-es sávba (multiplex) kódolható DVB-H adás is
11
